基于STM32的智能宿舍管理系统设计与实现

qq_40431685

535人浏览 · 2026-05-06 03:25:18

qq_40431685 · 2026-05-06 03:25:18 发布

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一、项目概述

1.1 项目背景与目标

高校宿舍管理场景看起来简单，实际是一个典型的“多因素、强实时、低成本”系统。传统方式主要依赖人工巡查和经验判断，存在几个明显问题：

宿舍温湿度、光照、烟雾等环境参数无法持续采集，异常情况发现滞后
用电统计粗放，缺少实时功率、累计电量和超额预警能力
学生离开宿舍后设备仍长时间运行，存在明显能源浪费
管理数据零散，缺少历史记录与趋势分析，后续追溯困难

基于这些痛点，可以把宿舍管理系统拆成三类需求：

环境监测：实时采集温湿度、烟雾、光照、人体在位状态
能源管理：实时采集电压、电流、功率，并做电费估算与超额提醒
远程可视化：通过无线链路把数据上传到上位机，做图形化展示和历史存储

本文整理一套适合毕业设计展示的完整方案：以 STM32F103C8T6 为核心控制器，集成 DHT11、INA226、MQ-2、TEMT6000、PIR 等传感器，使用 ESP8266-01S 搭建 AP 模式无线链路，最后由 Python + PyQt5 上位机完成实时界面展示、SQLite 入库与异常报警。

1.2 技术栈选型

技术领域	具体选型	选择理由
主控芯片	STM32F103C8T6	成本低、开发资料多、GPIO/ADC/I2C/UART 资源足够
温湿度检测	DHT11	接口简单、成本低，适合宿舍场景演示
电流功率检测	INA226	I2C 接口、精度高，可直接测电流/电压/功率
烟雾检测	MQ-2	成熟常见，适合做火灾隐患预警演示
光照检测	TEMT6000	模拟量输出，接 STM32 ADC 即可
人体检测	PIR 红外人体模块	低成本、逻辑清晰，适合联动节能控制
无线通信	ESP8266-01S	成本低、AT 指令成熟、WiFi 部署方便
网络模式	AP + TCP	本地直连上位机，便于宿舍场景演示和调试
上位机	Python + PyQt5	开发效率高，适合毕业设计可视化展示
数据存储	SQLite	轻量级、零部署，适合本地历史数据管理

1.3 系统功能

实时采集温度、湿度、光照、烟雾浓度、人体检测状态
实时采集电压、电流、功率并估算累计电费
OLED 本地显示关键参数，断网时仍可查看本地状态
ESP8266 建立热点并通过 TCP 向上位机周期性发送数据
上位机实时刷新监测界面，支持历史数据存储与查询
当功率超阈值、烟雾异常或环境异常时，触发本地和上位机双重报警
基于人体在位状态做简单节能联动，为后续智能控制预留接口

二、系统架构设计

2.1 整体架构

系统采用“采集端 + 通信端 + 上位机”的三端协同结构，适合毕业设计答辩时讲清楚分层思路。

感知层：STM32 负责采集宿舍环境与用电参数，并做本地阈值判断
传输层：ESP8266 负责无线接入，建立 AP 热点和 TCP 服务器
应用层：PyQt5 上位机负责数据接收、界面展示、日志记录、SQLite 存储

推荐在 CSDN 中插入系统架构图：

![系统架构图](architecture.png)

2.2 数据流向

本系统的数据链路比较直观，可以概括为：

控制思路也可以进一步扩展：

上位机下发阈值参数
STM32 更新本地阈值
后续可扩展风扇、继电器、照明等联动执行器

推荐在正文中插入数据流向图：

![数据流向图](dataflow.png)

2.3 设计指标

为了让毕业设计更像工程项目，建议在文章中加入量化指标：

指标项	目标值	说明
数据采集周期	2s	与上位机刷新周期保持一致
报警响应时间	≤1s	功率超限、烟雾异常时快速提示
WiFi 通信延迟	<100ms	宿舍内本地 AP 场景下可实现
连续稳定运行	≥24h	满足毕设演示和可靠性测试
硬件成本	<100 元	体现方案的低成本可落地性

三、硬件设计与连接

3.1 硬件清单

组件	型号	数量	说明
MCU 主控	STM32F103C8T6 最小系统板	1	系统核心控制器
温湿度传感器	DHT11	1	宿舍温湿度采集
电流功率模块	INA226	1	电压、电流、功率测量
烟雾传感器	MQ-2	1	火灾隐患预警
光照传感器	TEMT6000	1	宿舍亮度采集
人体检测模块	PIR	1	人体在位检测
WiFi 模块	ESP8266-01S	1	本地热点与 TCP 传输
显示模块	0.96 寸 OLED	1	本地数据显示
LED 指示灯	红色 LED	1	超额预警/告警
电源模块	5V/3.3V 稳压	1	给系统供电

3.2 引脚连接说明

模块	STM32 引脚	接口类型	备注
DHT11 DATA	PA7	GPIO 单总线	外接 4.7K 上拉
INA226 SCL/SDA	PB6 / PB7	I2C1	监测电压电流功率
MQ-2 AO	PA0	ADC1_CH0	模拟量采集
MQ-2 DO	PB1	GPIO 输入	数字阈值告警
TEMT6000 AO	PA1	ADC1_CH1	光照模拟量采集
PIR OUT	PB12	GPIO 输入	检测人体活动
OLED SCL/SDA	PB6 / PB7	I2C1	与 INA226 共总线
ESP8266 TX/RX	PA10 / PA9	USART1	交叉连接
预警 LED	PB13	GPIO 输出	超额或异常告警

3.3 关键硬件注意事项

⚠️ 重要提醒：

ESP8266-01S 必须使用稳定的 3.3V 供电，峰值电流可达 300mA，不能直接从 STM32 板载 3.3V 弱供电口硬拖。

MQ-2 模拟输出可能接近 5V，进入 STM32 ADC 前必须做分压处理。

DHT11 的采样周期不要太快，建议 1 秒以上，否则容易读到重复数据或校验失败。

INA226 的分流电阻选型会直接影响测量精度，建议使用低阻值、高精度分流电阻。

如果后续接入继电器控制大功率负载，必须做好电源隔离和反灌保护。

3.4 软件开发环境

# STM32 端
STM32CubeIDE / Keil MDK

# 上位机端
pip install PyQt5 pyqtgraph matplotlib

四、代码实现详解

4.1 主程序整体思路

STM32 端采用“前后台”结构最容易讲清楚：

初始化 GPIO、ADC、I2C、USART、定时器
初始化 DHT11、INA226、OLED、ESP8266
主循环按顺序采集各类传感器
将采集结果刷新到 OLED
每 2 秒打包一帧文本数据，通过 ESP8266 发送给上位机
根据阈值判断是否触发 LED 预警

核心主循环可以写成下面这种形式：

while (1)
{
    Read_DHT11(&temp, &humi);
    power = INA226_GetPower();
    smoke = MQ2_ReadValue();
    light = TEMT6000_ReadLux();
    motion = PIR_ReadState();

    OLED_ShowData(temp, humi, power, smoke, light, motion);

    if (send_flag) {
        SendSensorData(temp, humi, power, smoke, light, motion);
        send_flag = 0;
    }

    Alarm_Check(power, smoke);
    HAL_Delay(200);
}

4.2 DHT11 温湿度采集

DHT11 适合毕业设计入门实现，成本低、逻辑简单，核心是单总线时序控制。

头文件示例：

// dht11.h
#ifndef __DHT11_H
#define __DHT11_H

#include "stm32f1xx_hal.h"

uint8_t DHT11_ReadData(uint8_t *temp, uint8_t *humi);

#endif

实现示例：

// dht11.c
#include "dht11.h"

uint8_t DHT11_ReadData(uint8_t *temp, uint8_t *humi)
{
    uint8_t buf[5] = {0};

    // 这里省略详细时序，核心是启动信号、响应检测、40位数据读取和校验
    // 成功后返回温湿度整数部分

    *humi = buf[0];
    *temp = buf[2];

    if ((uint8_t)(buf[0] + buf[1] + buf[2] + buf[3]) == buf[4]) {
        return 0;
    }
    return 1;
}

4.3 INA226 电流/功率采集

INA226 是这个项目里比较加分的模块，因为它不仅能看电流，还能算功率和总线电压，更容易体现“能源管理”而不只是“环境监测”。

// ina226.h
#ifndef __INA226_H
#define __INA226_H

#include "stm32f1xx_hal.h"

float INA226_GetVoltage(void);
float INA226_GetCurrent(void);
float INA226_GetPower(void);

#endif

// ina226.c
#include "ina226.h"

extern I2C_HandleTypeDef hi2c1;

float INA226_GetVoltage(void)
{
    uint16_t raw = 0;
    // 读取总线电压寄存器，换算为实际电压
    return raw * 1.25f / 1000.0f;
}

float INA226_GetCurrent(void)
{
    uint16_t raw = 0;
    // 读取分流电压寄存器并结合分流电阻换算电流
    return raw * 5.9f;
}

float INA226_GetPower(void)
{
    return INA226_GetVoltage() * INA226_GetCurrent();
}

4.4 MQ-2 与 TEMT6000 模拟量采集

这两个模块都可以直接走 ADC，代码思路很清晰：采样、滤波、换算。

uint16_t ADC_ReadChannel(uint32_t channel)
{
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    sConfig.Channel = channel;
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_55CYCLES_5;
    HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);

    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10);
    return HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
}

float TEMT6000_ReadLux(void)
{
    uint16_t adc = ADC_ReadChannel(ADC_CHANNEL_1);
    return adc * 0.5f;
}

float MQ2_ReadValue(void)
{
    uint16_t adc = ADC_ReadChannel(ADC_CHANNEL_0);
    return (adc / 4095.0f) * 100.0f;
}

4.5 PIR 人体检测与节能联动

PIR 模块输出的是数字量，非常适合做简单联动。比如：

检测到长时间无人时，标记宿舍为空闲状态
后续扩展控制照明、风扇、插座继电器
结合功率数据，做“有人/无人”用电行为分析

uint8_t PIR_ReadState(void)
{
    return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_12) == GPIO_PIN_SET ? 1 : 0;
}

4.6 ESP8266 AP 模式通信

这个系统没有强依赖外网，最适合毕业设计现场演示的方式就是让 ESP8266 直接开热点，上位机连它的热点，然后走 TCP 收数。

初始化流程：

AT 测试模块是否在线
设置工作模式为 AP
配置 SSID 和密码
开启多连接
建立 TCP Server

// esp8266.c
void ESP8266_Init(void)
{
    ESP_SendCmd("AT\r\n", "OK", 1000);
    ESP_SendCmd("AT+CWMODE=2\r\n", "OK", 1000);
    ESP_SendCmd("AT+CWSAP=\"SmartDorm\",\"12345678\",5,3\r\n", "OK", 3000);
    ESP_SendCmd("AT+CIPMUX=1\r\n", "OK", 1000);
    ESP_SendCmd("AT+CIPSERVER=1,8080\r\n", "OK", 1000);
}

数据发送建议使用文本协议，调试最方便：

void SendSensorData(float temp, float humi, float power, float smoke, float light, uint8_t motion)
{
    char tx_buf[128];
    sprintf(tx_buf,
            "Temp:%.1fC,Humi:%.1f%%,Power:%.2fmW,GasConc:%.2f,Light:%.2f,Motion:%s\r\n",
            temp, humi, power, smoke, light, motion ? "YES" : "NO");

    ESP8266_SendData(tx_buf);
}

4.7 PyQt5 上位机接收与可视化

上位机建议采用多线程：

主线程负责界面
网络线程负责 TCP 接收
定时器负责界面刷新和数据库写入

TCP 接收核心示例：

import socket
from PyQt5.QtCore import QThread, pyqtSignal

class DataReceiver(QThread):
    data_received = pyqtSignal(dict)

    def run(self):
        sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
        sock.connect(("192.168.4.1", 8080))

        while True:
            raw = sock.recv(1024).decode("utf-8").strip()
            if raw:
                data = self.parse_data(raw)
                self.data_received.emit(data)

    def parse_data(self, raw):
        result = {}
        for item in raw.split(","):
            if ":" in item:
                k, v = item.split(":", 1)
                result[k] = v
        return result

UI 层可以做以下几个区域：

温湿度卡片
功率/电费卡片
烟雾和人体状态卡片
系统日志窗口
历史数据查询窗口

如果追求展示效果，可以再加一块实时曲线区域，用 pyqtgraph 刷功率或温度变化趋势。
在这里插入图片描述

4.8 SQLite 历史数据存储

SQLite 足够支撑毕设演示，而且实现简单。

import sqlite3

conn = sqlite3.connect("sensor_data.db")
cur = conn.cursor()

cur.execute("""
CREATE TABLE IF NOT EXISTS sensor_data (
    id INTEGER PRIMARY KEY AUTOINCREMENT,
    ts TEXT,
    temp REAL,
    humi REAL,
    power REAL,
    smoke REAL,
    light REAL,
    motion INTEGER
)
""")
conn.commit()