基于STM32的农业灾害监测体系
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一、引言
（一）研究背景及意义
农业生产高度依赖自然环境，气候变化导致的极端天气事件（如干旱、洪涝、大风等）对农作物产量和质量构成严重威胁。传统的农业管理方式依赖经验，无法实现对环境参数的精准监测和灾害的提前预警。本项目旨在开发一套多参数、智能化的农业环境监测系统，通过对关键环境因子的实时监测和数据分析，实现农业灾害的早期识别和预警，对于推动智慧农业发展、保障粮食安全、减少灾害损失具有重大的现实意义。
（二）国内外研究现状
目前农业环境监测系统多针对单一或少数几个参数，缺乏综合性。商用产品价格昂贵，难以大面积推广。本设计基于高性能STM32平台，集成多种传感器，提供了一个成本适中、功能全面、可扩展性强的综合解决方案，适合大面积农田部署和应用。
二、系统总体设计
（一）系统架构
本系统采用"全面感知-边缘计算-云边协同"的三层架构：
感知层：由多类环境传感器构成，负责采集风速、光照、气压、温湿度、土壤湿度、水质等数据。
边缘计算层：以STM32F407为核心，进行数据采集、预处理、初步分析和本地显示。
云边协同层：通过ESP32模块实现数据远程传输和手机APP交互。
三、硬件设计与实现
（一）系统硬件框架图
1. 主控单元
| 器件名称 | 推荐型号 | 接口 | 功能说明 |
|---|---|---|---|
| STM32单片机 | STM32F103C8T6 | - | 作为系统核心，负责多传感器数据采集、数据处理、灾害预警、与通信模块交互。 |
2. 传感器阵列
| 器件名称 | 推荐型号/类型 | 接口 | 功能说明 |
|---|---|---|---|
| 风速传感器 | 超声波风速传感器 | UART/ADC | 实时监测风速，检测风暴等极端天气。量程0-30m/s，精度±0.3m/s。 |
| 光照传感器 | BH1750 | I²C | 检测光照强度，监测日照时数和光强。范围1-65535 lux。 |
| 大气压传感器 | BMP280 | I²C | 监测大气压力变化，预测天气变化。范围300-1100hPa，精度±0.12hPa。 |
| 温湿度传感器 | SHT30 | I²C | 监测环境温湿度。温度范围-40-125°C，湿度0-100%RH，高精度。 |
| 土壤湿度传感器 | 电容式传感器 | ADC | 监测土壤体积含水量，预防干旱或涝灾。0-100%范围。 |
| 水质传感器 | TDS/pH复合传感器 | ADC | 监测灌溉水质，pH范围0-14，TDS范围0-1000ppm。 |
3. 执行器与输出单元
| 器件名称 | 推荐型号/类型 | 接口 | 功能说明 |
|---|---|---|---|
| OLED显示屏 | SSD1306 | I²C | 实时轮巡显示所有监测参数，异常参数高亮显示。 |
| 有源蜂鸣器 | 5V有源蜂鸣器 | GPIO | 灾害预警时发出报警声。 |
| 报警指示灯 | RGB LED | PWM | 显示系统状态：绿色(正常)、黄色(预警)、红色(灾害)。 |
4. 通信单元
| 器件名称 | 推荐型号 | 接口 | 功能说明 |
|---|---|---|---|
| WiFi模块 | ESP-01S | UART | 远程数据传输，连接云平台，实现远程监控。 |
| 蓝牙模块 | HC-05 | UART | 近场通信，手机APP直接连接配置和查看数据。 |
核心监测与预警逻辑
1. 灾害预警算法
// 气象灾害预警
if (风速 > 10m/s) 预警大风;
if (大气压急剧下降) 预警暴雨;
if (温度骤降) 预警霜冻;// 农业灾害预警
if (土壤湿度 < 20%) 预警干旱;
if (土壤湿度 > 80%) 预警涝灾;
if (pH值异常) 预警土壤酸化/碱化;
2. 实时监测参数
气象参数：风速、光照、大气压、温湿度
土壤参数：土壤湿度、土壤温度（可选）
水质参数：TDS、pH值、水温
3. 数据显示界面
OLED轮巡显示：
页面1: 气象监测 风速: 3.5m/s 光照: 45000lux 气压: 1013.2hPa 页面2: 环境监测 温度: 25.6°C 湿度: 65%RH 土壤湿度: 45% 页面3: 水质监测 TDS: 350ppm pH: 6.8 状态: 正常
4. 通信功能
WiFi传输：定时上传数据至云平台
蓝牙连接：手机APP近场连接
远程报警：灾害预警时推送通知
四、软件设计与实现
（一）开发环境搭建
IDE：STM32CubeIDE
库：使用STM32CubeMX配置HAL库，初始化所有外设
中间件：FreeRTOS实时操作系统，管理多任务
协议：MQTT协议用于云平台通信
（二）系统软件架构
// FreeRTOS任务定义
void StartDefaultTask(void const * argument)
{
// 系统初始化
Sensor_Init();
OLED_Init();
ESP32_Init();
// 创建任务
xTaskCreate(Sensor_Reading_Task, "SensorRead", 1024, NULL, 3, NULL);
xTaskCreate(Data_Processing_Task, "DataProcess", 2048, NULL, 4, NULL);
xTaskCreate(Display_Task, "Display", 512, NULL, 2, NULL);
xTaskCreate(Communication_Task, "Communication", 4096, NULL, 3, NULL);
xTaskCreate(Alert_Task, "Alert", 512, NULL, 5, NULL); // 高优先级报警任务
vTaskStartScheduler();
}（三）灾害预警算法实现
// 多参数融合的灾害预警算法
void Disaster_Early_Warning(void)
{
// 1. 干旱预警
if (soil_moisture TEMP_HIGH_THRESHOLD &&
air_humidity SOIL_WET_THRESHOLD &&
pressure RAIN_THRESHOLD) {
Set_Alert(ALERT_FLOOD, "Flood warning: drainage needed");
}
// 3. 大风预警
if (wind_speed > WIND_HIGH_THRESHOLD) {
Set_Alert(ALERT_STRONG_WIND, "Strong wind warning: protect crops");
}
// 4. 霜冻预警
if (air_temperature TDS_THRESHOLD ||
ph_value PH_HIGH_THRESHOLD) {
Set_Alert(ALERT_WATER_QUALITY, "Water quality warning: check irrigation water");
}
}
// 设置报警信息
void Set_Alert(AlertType_t type, const char* message)
{
current_alert = type;
strncpy(alert_message, message, sizeof(alert_message)-1);
alert_active = true;
alert_timestamp = HAL_GetTick();
// 本地报警
Buzzer_Alert();
OLED_ShowAlert(message);
// 远程推送
MQTT_Publish_Alert(type, message);
}（四）多传感器数据采集任务
void Sensor_Reading_Task(void *pvParameters)
{
TickType_t xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
for(;;) {
// 读取所有传感器数据（带时间戳）
Read_Wind_Speed();
Read_Light_Intensity();
Read_Pressure_Temperature();
Read_Air_Temperature_Humidity();
Read_Soil_Moisture();
Read_Water_Quality();
// 将数据存入环形缓冲区
Store_Sensor_Data();
// 10秒采集一次
vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, pdMS_TO_TICKS(10000));
}
}（五）OLED显示界面设计
void OLED_Display_Update(void)
{
// 分页显示设计
switch(current_page) {
case PAGE_OVERVIEW:
// 概览页面：显示关键参数
OLED_ShowString(0, 0, "Agri-Monitor System", 16);
OLED_ShowString(0, 2, "Wind:", 12); OLED_ShowNumber(40, 2, wind_speed, 12);
OLED_ShowString(70, 2, "m/s", 12);
OLED_ShowString(0, 3, "Temp:", 12); OLED_ShowNumber(40, 3, air_temperature, 12);
OLED_ShowString(70, 3, "C", 12);
OLED_ShowString(0, 4, "SoilH:", 12); OLED_ShowNumber(40, 4, soil_moisture, 12);
OLED_ShowString(70, 4, "%", 12);
OLED_ShowString(0, 5, "Light:", 12); OLED_ShowNumber(40, 5, light_intensity, 12);
OLED_ShowString(70, 5, "lux", 12);
break;
case PAGE_DETAIL:
// 详细数据页面
// 显示所有传感器数据
break;
case PAGE_ALERT:
// 报警信息页面
if(alert_active) {
OLED_ShowAlertPage(alert_message);
}
break;
}
// 显示页面指示器和更新时间
OLED_ShowPageIndicator(current_page, total_pages);
OLED_ShowUpdateTime();
}五、系统测试与部署
（一）测试方案
传感器校准测试：对每个传感器进行单独校准，确保数据准确性
通信可靠性测试：测试Wi-Fi和蓝牙在不同距离下的连接稳定性
灾害预警测试：模拟各种灾害场景，测试预警准确性和及时性
功耗测试：测试系统在太阳能供电下的续航能力
（二）部署优化
太阳能供电系统：配备太阳能电池板和蓄电池，实现能源自给
防水防尘设计：所有传感器和电路板进行防水防尘处理
模块化设计：传感器采用模块化设计，便于维护和更换
六、结论与创新点
（一）结论
本项目成功设计并实现了一个多功能、智能化的农业灾害监测系统。系统通过多参数融合分析，实现了对主要农业灾害的早期预警，为农业生产提供了科学的数据支持和决策依据。
（二）创新点
多参数融合预警：首次将风速、光照、气压、温湿度、土壤湿度、水质等多参数融合分析，实现更准确的灾害预警
双模通信设计：同时支持Wi-Fi和蓝牙通信，适应不同应用场景
智能边缘计算：在STM32端进行初步数据处理和预警分析，减轻云端负担
太阳能供电：采用绿色能源供电，适合偏远农田部署
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