一、项目概述
随着校园生活的日益便利，宿舍用电管理成为了一个重要的课题。本项目旨在开发一个宿舍用电管理系统，通过STM32单片机实现对宿舍用电功率的监管，实时监测用电量，并计算费用。系统还具备远程控制功能，可以对每个宿舍的用电进行管理，包括开关控制、统一断电等。此外，系统集成了烟雾和火灾传感器，当监测到火灾时会自动断电并启动备用电源，确保宿舍的安全。
技术栈关键词
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STM32单片机
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电流传感器
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无线通信模块
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烟雾传感器
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数据处理与计算
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后台管理系统
二、系统架构
本项目的系统架构设计如下：
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单片机：选择STM32系列单片机作为核心控制器，负责数据采集和控制逻辑。
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电流传感器：用于实时监测宿舍的电流和功率。
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无线通信模块：用于将数据传输到后台管理系统。
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烟雾传感器：用于检测宿舍内的烟雾和火灾。
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后台管理系统：用于数据处理、费用计算和远程控制。
系统架构图
三、环境搭建和注意事项
环境搭建
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硬件环境：
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STM32开发板
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电流传感器（如ACS712）
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烟雾传感器（如MQ-2）
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无线通信模块（如ESP8266）
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软件环境：
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STM32CubeIDE：用于开发和调试STM32代码。
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数据库（如MySQL）：用于存储用户数据和用电记录。
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后台管理系统（可使用Flask/Django等框架）。
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注意事项
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确保电流传感器和烟雾传感器的连接正确。
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在进行无线通信时，注意信号强度和干扰问题。
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定期检查传感器的工作状态，确保系统的可靠性。
四、代码实现过程
1. 功能模块设计
本项目的功能模块主要包括以下几个部分：
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电流监测模块：实时获取电流数据并计算功率。
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数据传输模块：将数据通过无线模块发送到后台。
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控制模块：实现对宿舍电源的控制。
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安全监测模块：监测烟雾和火灾，自动断电。
2. 电流监测模块
2.1 硬件连接
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电流传感器：使用ACS712电流传感器，连接到STM32的ADC引脚。
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ADC引脚：假设连接到PA0引脚。
2.2 代码示例
#include "stm32f4xx_hal.h"
// ADC句柄
ADC_HandleTypeDef hadc1;
// 初始化ADC
void ADC_Init() {
__HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE(); // 使能ADC时钟
hadc1.Instance = ADC1;
hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B; // 12位分辨率
hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE; // 单通道模式
hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE; // 连续转换模式
hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE; // 不使用不连续模式
hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START; // 软件触发
HAL_ADC_Init(&hadc1); // 初始化ADC
}
// 读取电流值
float readCurrent() {
HAL_ADC_Start(&hadc1); // 启动ADC
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY); // 等待转换完成
uint32_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 获取ADC值
HAL_ADC_Stop(&hadc1); // 停止ADC
// 转换为电流值（假设传感器的灵敏度为185 mV/A）
float current = (adcValue * 3.3 / 4096) / 0.185; // 计算电流
return current; // 返回电流值
}
// 计算功率
float calculatePower(float current) {
// 假设电压为220V
float voltage = 220.0;
return voltage * current; // 功率 = 电压 * 电流
}
2.3 代码说明
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ADC_Init：初始化ADC模块，配置分辨率、转换模式等参数。
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readCurrent：启动ADC，读取电流传感器的值，并将其转换为电流（单位：A）。
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calculatePower：根据电流值计算功率（单位：W），假设电压为220V。
3. 数据传输模块
3.1 硬件连接
- ESP8266模块：用于无线数据传输，连接到STM32的UART引脚。
3.2 代码示例
#include "esp8266.h"
// 初始化ESP8266
void ESP8266_Init() {
// 配置UART
// 假设使用USART2
__HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE();
// 配置USART2参数
// 9600波特率，8位数据位，无校验位，1位停止位
UART_HandleTypeDef huart2;
huart2.Instance = USART2;
huart2.Init.BaudRate = 9600;
huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
huart2.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
huart2.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
HAL_UART_Init(&huart2);
}
// 发送数据到后台
void sendData(float current, float power) {
char data[100];
sprintf(data, "{\"current\": %.2f, \"power\": %.2f}", current, power);
// 通过ESP8266发送数据
HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)data, strlen(data), HAL_MAX_DELAY);
}
3.3 代码说明
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ESP8266_Init：初始化ESP8266模块，配置UART参数以进行通信。
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sendData：将电流和功率数据格式化为JSON字符串，并通过ESP8266模块发送到后台管理系统。使用
HAL_UART_Transmit函数将数据通过UART发送。
4. 控制模块
4.1 硬件连接
- 继电器模块：用于控制宿舍电源的开关，连接到STM32的GPIO引脚（假设连接到PB0引脚）。
4.2 代码示例
#include "gpio.h"
// 初始化GPIO
void GPIO_Init() {
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); // 使能GPIOB时钟
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
// 配置PB0为输出模式
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 推挽输出
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 不使用上拉或下拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // 低速
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct); // 初始化GPIO
}
// 控制电源开关
void controlPower(int state) {
if (state == 1) {
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET); // 开启电源
} else {
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET); // 关闭电源
}
}
4.3 代码说明
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GPIO_Init：初始化GPIO引脚，配置PB0为推挽输出模式，用于控制继电器。
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controlPower：根据传入的状态参数（1为开启，0为关闭）控制电源的开关。通过
HAL_GPIO_WritePin函数设置引脚状态。
5. 安全监测模块
5.1 硬件连接
- 烟雾传感器：使用MQ-2烟雾传感器，连接到STM32的模拟输入引脚（假设连接到PA1引脚）。
5.2 代码示例
#include "stm32f4xx_hal.h"
// 定义烟雾阈值
#define SMOKE_THRESHOLD 300 // 根据实际情况调整阈值
// 读取烟雾传感器值
int readSmokeSensor() {
// 假设使用ADC读取烟雾传感器值
HAL_ADC_Start(&hadc1); // 启动ADC
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY); // 等待转换完成
uint32_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 获取ADC值
HAL_ADC_Stop(&hadc1); // 停止ADC
return adcValue; // 返回烟雾传感器值
}
// 检测烟雾
void checkSmoke() {
int smokeValue = readSmokeSensor(); // 读取烟雾传感器值
if (smokeValue > SMOKE_THRESHOLD) {
controlPower(0); // 关闭电源
activateAlarm(); // 启动报警
}
}
// 启动报警
void activateAlarm() {
// 这里可以添加蜂鸣器或LED报警的代码
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET); // 假设PA1连接蜂鸣器
HAL_Delay(1000); // 蜂鸣器响1秒
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET); // 关闭蜂鸣器
}
5.3 代码说明
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readSmokeSensor：读取烟雾传感器的值，使用ADC获取模拟信号并返回。
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checkSmoke：检测烟雾传感器的值，如果超过设定阈值，则关闭电源并启动报警。
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activateAlarm：启动报警，假设连接了蜂鸣器，通过控制GPIO引脚实现报警功能。
6. 主程序
在主程序中，我们将调用上述模块的初始化和功能函数，形成完整的控制逻辑。
6.1 代码示例
#include "stm32f4xx_hal.h"
// 主函数
int main(void) {
HAL_Init(); // 初始化HAL库
ADC_Init();
GPIO_Init(); // 初始化GPIO
ESP8266_Init(); // 初始化ESP8266
// 主循环
while (1) {
// 读取电流值
float current = readCurrent();
// 计算功率
float power = calculatePower(current);
// 发送数据到后台
sendData(current, power);
// 检测烟雾
checkSmoke();
// 延时1秒
HAL_Delay(1000);
}
}
6.2 代码说明
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HAL_Init()：初始化HAL库，配置系统时钟和其他基础设置。
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ADC_Init()：初始化ADC模块，用于电流监测。
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GPIO_Init()：初始化GPIO引脚，用于控制电源和报警。
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ESP8266_Init()：初始化ESP8266模块，用于无线数据传输。
在主循环中：
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读取电流值：调用
readCurrent()函数获取当前电流值。 -
计算功率：调用
calculatePower(current)函数计算功率。 -
发送数据到后台：调用
sendData(current, power)函数将数据发送到后台管理系统。 -
检测烟雾：调用
checkSmoke()函数监测烟雾传感器的状态。 -
延时1秒：使用
HAL_Delay(1000)函数进行延时，控制循环频率。
7. 时序图
以下是系统各模块之间的交互时序图，展示了电流监测、数据发送和控制的流程。
8. 项目总结
本项目成功实现了宿舍用电管理系统，具备了以下主要功能：
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实时电流监测：通过ADC读取电流传感器的值，实时监测宿舍用电情况。
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功率计算：根据电流值计算功率，方便用户了解用电情况。
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数据传输：通过ESP8266模块将数据发送到后台管理系统，实现远程监控。
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电源控制：根据用户需求和安全监测结果，控制宿舍电源的开关。
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安全监测：集成烟雾传感器，实时监测宿舍内的安全情况，确保用户安全。
9. 未来工作
未来可以考虑以下改进方向：
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用户界面：开发一个用户友好的界面，方便用户查看用电情况和控制电源。
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数据分析：在后台管理系统中增加数据分析功能，帮助用户了解用电趋势。
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报警系统：增加更复杂的报警系统，例如通过短信或APP推送通知用户。
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多宿舍管理：扩展系统，支持多个宿舍的集中管理。