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摘要： 本文设计并实现了一种以STM32F407单片机为核心的多灾种（地质灾害、气象灾害、火灾）综合监测与预警系统。系统集成了振动传感器（SW-420）、三轴加速度传感器（MPU6050）、土壤湿度传感器、风速风向传感器、烟雾传感器（MQ-2）和火焰传感器，实现了对多种灾害前兆信号的实时采集。通过OLED显示屏进行本地数据可视化，并通过4G Cat.1模块（EC200N）将数据可靠地传输至云平台，实现远程监控与预警。当任何传感器数据超过预设阈值时，系统会触发本地声光报警。测试结果表明，该系统集成度高、响应迅速、运行稳定，能够为灾害早期预警提供有效的数据支持。
关键词： STM32；灾害预警；传感器融合；4G Cat.1；物联网；多灾种监测

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一、引言

（一）研究背景及意义

全球范围内，地震、滑坡、山洪、森林火灾等自然灾害频发，严重威胁人民生命财产安全。传统的单一灾种监测系统存在成本高、覆盖范围有限等缺点。随着传感器技术、嵌入式系统和物联网技术的发展，构建低成本、多功能、实时联网的综合灾害预警系统成为可能。此类系统能够布设在关键隐患点，7x24小时不间断工作，通过捕捉灾害发生前的物理、化学异常信号，为人员疏散和灾害防治争取宝贵时间，具有重大的社会和经济意义。

（二）国内外研究现状

国内外在灾害监测领域已有诸多研究和应用。国外如日本、美国建立了先进的地震预警系统（EEW）。国内也建立了大量的专业监测台网，但多为分灾种、大型化的专业设备。目前，基于微机电系统（MEMS）传感器和物联网技术的低成本、一体化综合监测站已成为研究热点。本设计旨在这一方向进行实践，集成多种常见灾害的监测手段，提供一个可部署的嵌入式解决方案。

二、系统总体设计

（一）系统架构

系统采用“感知-决策-执行-上传”的闭环架构。

1. 感知层： 由各类灾害监测传感器组成，负责采集环境原始数据。

2. 控制层： STM32作为核心，负责数据读取、滤波、融合、判断。

3. 执行层： 本地报警装置（蜂鸣器、LED）和通信模块。

4. 平台层： 云平台与手机APP，负责数据存储、可视化、远程告警推送。

（二）功能模块划分

1. 地质灾害监测模块： 振动、倾角、土壤湿度。

2. 气象灾害监测模块： 风速、风向。

3. 火灾监测模块： 烟雾、火焰。

4. 核心控制模块： STM32F407。

5. 人机交互模块： OLED显示、按键。

6. 通信模块： 4G Cat.1模块。

7. 报警模块： 蜂鸣器、LED指示灯。

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、灾害算法分析、预警判断、通信处理。

2. 多参数传感器阵列

器件名称	推荐型号/类型	接口	功能说明
振动传感器	SW-420	GPIO	监测土壤或岩体异常震动，灵敏度可调，检测地震前兆。
加速度传感器	MPU6050	I²C	监测山体或建筑物倾斜角度，三轴加速度+陀螺仪，精度±0.1°。
土壤湿度传感器	电容式传感器	ADC	检测土壤水分饱和度，范围0-100%，监测滑坡风险。
风速风向传感器	超声波式	UART/ADC	监测风速(0-30m/s)和风向(0-360°)，预警风暴灾害。
烟雾传感器	MQ-2	ADC	检测烟雾浓度(100-10000ppm)，预警火灾。
火焰传感器	红外火焰模块	GPIO	检测明火火焰，响应速度快，探测距离0.8m。
按键模块	轻触开关	GPIO	设置报警阈值、一键解除报警、手动测试。

3. 执行器单元

器件名称	推荐型号/类型	接口	功能说明
蜂鸣器	5V有源蜂鸣器	GPIO	灾害预警时发出高分贝报警声，多音调提示不同灾害类型。
报警指示灯	RGB LED	PWM	显示预警等级：绿色(正常)、黄色(注意)、橙色(预警)、红色(警报)。
OLED显示屏	SSD1306	I²C	实时显示所有传感器数据和预警信息。

4. 通信单元

器件名称	推荐型号	接口	功能说明
4G Cat.1模块	EC200S	UART	通过移动网络连接云平台，实现远程实时监控和预警信息推送。

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核心功能逻辑说明

1. 多灾害预警算法

• 地震预警：

  • if (振动频率 > 阈值 && 持续时间 > 时间窗) { 触发地震预警; }

• 滑坡预警：

  • if (土壤湿度 > 85% && 倾斜角度变化 > 阈值) { 触发滑坡预警; }

• 风暴预警：

  • if (风速 > 10m/s && 持续增强) { 触发风暴预警; }

• 火灾预警：

  • if (烟雾浓度 > 阈值 || 检测到明火) { 触发火灾预警; }

2. 预警等级系统

• 一级(注意)： 单项参数轻微异常

• 二级(预警)： 多项参数异常或单项参数严重异常

• 三级(警报)： 确认灾害发生，立即采取行动

3. 数据显示界面

OLED轮巡显示：

text

页面1: 环境监测
振动: 0.2g    倾斜: 1.5°
湿度: 65%     风速: 3.5m/s

页面2: 灾害监测
烟雾: 150ppm  火焰: 无
状态: 正常    等级: 无

页面3: 预警信息
最后预警: 无
时间: 2024-03-20 10:30

4. 云平台功能

• 实时数据监控：

  • 所有传感器数据实时上传

  • 历史数据记录和分析

  • 多节点数据对比

• 预警信息推送：

  • 短信预警通知

  • APP推送提醒

  • 邮件报警信息

• 远程管理：

  • 参数阈值远程设置

  • 系统状态监控

  • 固件远程升级

5. 按键操作功能

• 设置键： 进入参数设置模式

• 确认键： 确认设置操作

• 取消键： 取消当前操作

• 消音键： 一键解除报警声音

• 测试键： 系统自检功能

四、软件设计与实现

（一）开发环境与架构

• IDE： Keil MDK或STM32CubeIDE

• 库： HAL库

• 操作系统： 强烈建议引入FreeRTOS实时操作系统。将不同传感器的数据采集、通信、显示等任务作为独立线程，提高系统响应性和可靠性。

（二）系统软件流程图（基于FreeRTOS）

（三）关键功能代码片段

1. 倾角计算（MPU6050 + DMP库）

// 使用InvenSense的DMP（数字运动处理器）库可高效解算姿态
// 初始化后，直接读取解算后的俯仰角(Pitch)和滚转角(Roll)
float Get_Pitch_Angle(void) {
    float pitch;
    // ... 通过DMP获取数据
    return pitch;
}

void Monitor_Tilt(void) {
    float current_angle = Get_Pitch_Angle();
    if(fabs(current_angle - initial_angle) > TILT_THRESHOLD) {
        Set_Alarm_Flag(ALARM_TILT);
    }
}

2. 振动中断处理与判断

// SW-420连接到EXTI外部中断引脚
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {
    if(GPIO_Pin == VIBRATION_Pin) {
        vibration_count++; // 在中断中仅进行计数
    }
}

// 在任务中判断振动频率
void Monitor_Vibration(void *pvParameters) {
    TickType_t xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
    uint32_t last_count = 0;
    for(;;) {
        vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, pdMS_TO_TICKS(1000)); // 每1秒计算一次频率
        uint32_t current_count = vibration_count;
        uint32_t freq = current_count - last_count;
        last_count = current_count;

        if(freq > VIBRATION_FREQ_THRESHOLD) {
            Set_Alarm_Flag(ALARM_VIBRATION);
        }
    }
}

3. 报警逻辑与消音

volatile uint8_t alarm_flag = 0;
volatile uint8_t alarm_silenced = 0;

void Alarm_Task(void *pvParameters) {
    for(;;) {
        if(alarm_flag && !alarm_silenced) {
            Buzzer_On(); // 蜂鸣器响
            LED_Blink(); // LED闪烁
        } else {
            Buzzer_Off();
            LED_Off();
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
    }
}

// 按键消音处理
void Key_Process() {
    if(key == KEY_SILENCE) {
        alarm_silenced = 1; // 一键消音
        // 消音一定时间（如30秒）后自动恢复报警能力
        xTimerStart(silenceTimerHandle, 0);
    }
}

4. 4G模块通信（AT指令示例）

// 通过UART发送AT指令，建立MQTT连接并发布消息
void MQTT_Publish_Data(void) {
    char payload[256];
    sprintf(payload,
            "{\"vib\":%lu,\"tilt\":%.2f,\"humi\":%d,\"smoke\":%d,\"alarm\":%d}",
            vibration_count, tilt_angle, soil_humidity, smoke_value, alarm_flag);
    // 发送AT指令: AT+QMTPUB=0,0,0,"devices/123/data",payload_length
    EC200N_Send_Command("AT+QMTPUB=0,0,0,\"devices/123/data\",%d\r\n", strlen(payload));
    EC200N_Send_Data(payload);
}

五、系统测试与优化

（一）测试方案

1. 单元测试： 单独测试每个传感器，如敲击桌面测试振动传感器，倾斜模块测试MPU6050，用打火机测试火焰传感器等。

2. 功能测试：

   • 阈值报警： 设置较低的阈值，模拟超限情况，测试本地报警和云平台报警信息是否触发。

   • 消音测试： 触发报警后，按下按键测试能否消音。

   • 通信测试： 在无信号和信号良好区域分别测试4G模块的连接稳定性和数据上传成功率。

3. 环境测试： 将系统放置于室外，进行长时间（24小时以上）连续运行测试，观察其稳定性和功耗。

（二）测试结果与分析

测试项目	测试条件	预期结果	实际结果	结论
振动报警	轻敲设备外壳	产生计数，超阈值后报警	报警触发	正常，需调整阈值避免过于敏感
倾角报警	将设备倾斜10°	计算倾角并报警	倾角计算准确，报警触发	正常
火焰报警	使用打火机在1米外点燃	火焰传感器触发报警	报警迅速	正常
4G通信	插入SIM卡	成功注册网络并连接云平台	连接成功，数据上传	正常（依赖信号强度）
消音功能	报警时按下按键	蜂鸣器停止，LED常亮	功能正常	合格

（三）系统优化

1. 低功耗设计：

   • 利用STM32的睡眠模式，在任务间隙让CPU进入低功耗状态。

   • 采用定时唤醒机制，非必要时刻关闭4G模块供电（通过MOSFET控制），仅定时上报数据时开启。

2. 数据滤波： 对ADC采集的模拟量数据（如土壤湿度、烟雾）进行滑动平均滤波或卡尔曼滤波，去除毛刺，提高数据可靠性。

3. 看门狗： 启用STM32的独立看门狗（IWDG），在程序跑飞或死机时自动复位系统，确保在无人值守环境下的长期可靠性。

4. 远程升级（OTA）： 通过4G模块实现固件远程升级（OTA），方便后期功能更新和bug修复，无需现场维护。

六、结论与展望

（一）结论

本项目成功设计并实现了一个高度集成、功能丰富的多灾种综合预警系统原型。系统硬件设计合理，选型兼顾性能与成本；软件采用FreeRTOS，稳定高效。它能够有效地监测多种灾害前兆信号，并通过本地和远程两种方式进行及时预警，达到了设计的预期目标，具有良好的应用前景。

（二）未来展望

1. 增加定位功能： 集成GPS/北斗模块，在报警时同时上传精确的地理位置信息，便于快速定位灾点。

2. 太阳能优化： 设计更高效的太阳能充电管理电路，并增加电池电量监测功能，通过云平台上报电量信息。

3. AI算法集成： 在云平台端利用机器学习算法对历史数据进行分析，实现更智能的预测性预警，而不仅仅是阈值判断。

4. 多节点组网： 通过LoRa等远距离通信技术将多个监测节点组网，数据汇总至一个4G网关再统一上传，降低整体部署成本。

5. 声光报警增强： 增加高亮度LED爆闪和高分贝警笛，在野外环境下提供更强的警示效果。

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