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随着全球气候变化加剧，极端天气事件频发，洪水灾害成为许多国家和地区面临的重大挑战。传统的河道管理依赖人工巡检和经验判断，存在响应慢、信息不及时的问题。物联网（IoT）技术的发展为解决这些问题提供了新的解决方案。本课题开发了一套基于物联网的河道防汛监测系统，以提高河道管理效率和防洪能力。
该系统集成多种传感器和技术，实现对水位、闸门开关、水泵调节、流量检测、屏幕监控、远程控制及自动化泄洪等功能的智能管理。具体功能包括：高精度水位传感器实时监测堤坝水位，超过阈值时蜂鸣器报警；水位过高时自动打开闸门泄洪，恢复正常后关闭闸门；水位过低时启动水泵积攒水位；流量过大时LED报警灯亮起提示风险。所有关键数据如水位、流量等在OLED屏幕上实时显示，便于现场监控。用户可通过手机应用程序远程查看数据，并设置水位阈值、控制闸门开关和操作水泵，极大提高了管理灵活性。系统设置了三个闸门，根据流速和水位自动调整开闭状态，确保洪水得到及时有效的调控。
这套基于物联网的河道防汛监测系统不仅实现了对河道水文状况的全面监控，还通过智能化管理和自动化控制提升了防洪效率，保障了人民生命财产安全和社会经济稳定发展。未来，随着技术进步和应用范围扩大，该系统有望进一步优化和完善，为更多地区的防洪减灾工作提供有力支持。
关键词：STM32单片机；河道防汛监测系统；传感器
Abstract
With the intensification of global climate change and frequent o***urrence of extreme weather events, flood disasters have be***e a major challenge faced by many countries and regions. Traditional river management relies on manual inspection and empirical judgment, which results in slow response and untimely information. The development of Inter*** of Things (IoT) technology provides new solutions to address these issues. This project has developed a river flood control monitoring system based on the Inter*** of Things to improve the efficiency of river management and flood control capabilities.
This system integrates multiple sensors and technologies to achieve intelligent management of functions such as water level, gate switch, pump regulation, flow detection, screen monitoring, remote control, and automated flood discharge. Specific functions include: high-precision water level sensor for real-time monitoring of dam water level, and buzzer alarm when the threshold is exceeded; Automatically open the gate for flood discharge when the water level is too high, and close the gate after returning to normal; Start the water pump to a***umulate water level when the water level is too low; When the traffic is too high, the LED alarm light will light up to indicate the risk. All key data such as water level, flow rate, etc. are displayed in real-time on the OLED screen for easy on-site monitoring. Users can remotely view data through mobile applications, set water level thresholds, control gate switches, and operate water pumps, greatly improving management flexibility. The system is equipped with three gates that automatically adjust their opening and closing states based on flow rate and water level, ensuring timely and effective control of floods.
This IoT based river flood control monitoring system not only achieves ***prehensive monitoring of river hydrological conditions, but also improves flood control efficiency through intelligent management and automated control, ensuring the safety of people's lives and property and stable socio-economic development. In the future, with the advancement of technology and the expansion of application scope, this system is expected to be further optimized and improved, providing strong support for flood control and disaster reduction work in more regions.
Keywords: STM32 microcontroller; River flood control monitoring system; sensor
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
随着全球气候变化的加剧，极端天气事件频发，洪水灾害已成为许多国家和地区面临的重大挑战。特别是在河流流域和低洼地区，洪水不仅威胁到居民的生命安全，还对基础设施、农业生产和生态环境造成了严重影响。传统的河道管理方法依赖人工巡检和经验判断，存在响应速度慢、信息不及时等问题，难以满足现代防洪减灾的需求。近年来，物联网（IoT）技术的发展为解决这些问题提供了新的解决方案。通过部署传感器网络，结合云计算、大数据分析和智能控制技术，可以实现对河道水文状况的实时监测与智能管理，显著提高数据采集的准确性和时效性，并增强预警能力。
在此背景下，本课题开发了一套基于物联网技术的河道防汛监测系统，提升河道管理效率和防洪能力。该系统集成了多种传感器和技术，实现了对水位、闸门开关、水泵调节、流量检测、屏幕监控、远程控制及自动化泄洪等功能的智能管理。这套系统的应用有望成为现代河道管理和防洪减灾工作的重要组成部分，提供更加科学、高效的解决方案，保障人民生命财产安全和社会经济稳定发展。
具体来说，系统通过高精度水位传感器实时监测堤坝水位，超过阈值时蜂鸣器报警；水位过高时自动打开闸门泄洪，恢复正常后关闭闸门；水位过低时启动水泵积攒水位；流量过大时LED报警灯亮起提示风险。所有关键数据如水位、流量等在OLED屏幕上实时显示，便于现场监控。用户可通过手机应用程序远程查看数据，并设置水位阈值、控制闸门开关和操作水泵，极大提高了管理灵活性。系统设置了三个闸门，根据流速和水位自动调整开闭状态，确保洪水得到及时有效的调控。
这套基于物联网的河道防汛监测系统不仅实现了对河道水文状况的全面监控，还通过智能化管理和自动化控制提升了防洪效率。未来，随着技术进步和应用范围扩大，该系统有望进一步优化和完善，为更多地区的防洪减灾工作提供有力支持。
1.1.2 研究意义
随着全球气候变化加剧，极端天气事件频发，洪水灾害已成为许多国家和地区面临的重大挑战。特别是在河流流域和低洼地区，洪水不仅威胁到居民的生命安全，还对基础设施、农业生产和生态环境造成了严重影响。传统的河道管理方法依赖人工巡检和经验判断，存在响应速度慢、信息不及时等问题，难以满足现代防洪减灾的需求。在此背景下，基于物联网（IoT）技术的河道防汛监测系统的开发具有重要意义。
该系统不仅实现了对水位、闸门开关、水泵调节、流量检测、屏幕监控、远程控制及自动化泄洪等功能的智能管理，还通过高精度传感器和STM32微控制器的应用，显著提高了数据采集的准确性和时效性，并增强了预警能力。具体来说，系统通过高精度水位传感器实时监测堤坝水位，超过阈值时蜂鸣器报警；水位过高时自动打开闸门泄洪，恢复正常后关闭闸门；水位过低时启动水泵积攒水位；流量过大时LED报警灯亮起提示风险。所有关键数据如水位、流量等在OLED屏幕上实时显示，便于现场监控。用户可通过手机应用程序远程查看数据，并设置水位阈值、控制闸门开关和操作水泵，极大提高了管理灵活性。系统设置了三个闸门，根据流速和水位自动调整开闭状态，确保洪水得到及时有效的调控。
此外，STM32微控制器的应用使得整个系统更加稳定可靠，其强大的处理能力和低功耗特性为系统的长期运行提供了保障。通过对历史数据的积累和分析，系统能够识别潜在的风险模式，预测未来的水文变化趋势，为科学决策提供支持。这套基于物联网的河道防汛监测系统不仅提升了河道管理的智能化水平，还增强了应急响应能力，减少了人为干预的需求，提升了系统的可靠性和安全性。未来，随着技术进步和应用范围扩大，该系统有望进一步优化和完善，为更多地区的防洪减灾工作提供有力支持，保障人民生命财产安全和社会经济稳定发展。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
在国际上，农业灌溉系统的智能化和精准化已成为现代农业发展的重要趋势。例如，Case IH 公司在其研究中展示了如何通过精密机械辅助成功过渡到新的灌溉系统（M2 Presswire, 2024）[1]。这一案例强调了现代农业设备与新技术的结合，能够显著提高灌溉效率，并为农民提供更可靠的解决方案。此外，Zaiyu 等人（2025）的研究探讨了在中国华北平原运行五年的地下滴灌系统的水力性能和堵塞特性，其研究成果不仅为改进现有灌溉系统提供了宝贵的数据支持，还为未来的设计优化指明了方向[2]。
国外文献主要集中在农业灌溉技术的创新和应用，特别是通过精密机械设备和长期监测数据来提升灌溉系统的效率和可靠性。这些研究为全球农业灌溉技术的发展提供了重要的参考依据。
1.2.2 国内研究现状
在国内，基于物联网（IoT）技术和STM32单片机的应用逐渐成为农业和防汛领域的重要发展方向。赵彦琳等人（2024）探讨了基于物联网技术的农业智能灌溉系统，指出物联网技术在实现灌溉自动化和精细化管理方面具有巨大潜力[3]。杨明川等人（2024）设计了一种基于STM32单片机的智能大棚监控系统，该系统集成了多种传感器，实现了对环境参数的实时监测和控制，极大提高了农业生产效率[4]。曹智宇等人（2024）进一步开发了一套基于STM32的智能蔬菜大棚控制系统，通过多传感器检测技术，实现了对温湿度、光照等环境因素的精确控制，为蔬菜生长提供了最佳条件[5]。张航等人（2024）则设计了一款基于STM32单片机的智能加湿器，旨在改善室内空气湿度，提升生活质量[6]。姜海燕（2024）研究了基于STM32多传感器检测系统的设计与应用，展示了STM32在复杂环境监测中的优势[7]。
在河道防汛方面，江淳（2024）介绍了新型装配式防洪墙在城市河道防汛中的应用，强调了这种新型结构在提高防洪能力方面的有效性和灵活性[8]。邓颖莉（2024）在第五届电力工程与技术学术交流会议上探讨了河道防汛应急措施，提出了多项应对洪水灾害的有效策略[9]。孙书瑾（2023）总结了河道型水库的防汛经验，为其他地区提供了宝贵的借鉴[10]。侯县军和谢武（2022）报道了新开分洪河道的贯通，强调了其在筑牢防汛“安全堤”方面的重要作用[11]。
总体来看，国内研究不仅关注于农业灌溉系统的智能化和技术升级，还广泛涉及STM32单片机在各种应用场景中的实际应用，以及河道防汛措施的改进和完善。这些研究为推动我国农业现代化和防洪减灾工作提供了坚实的技术支持和理论基础。
第2章 系统总体设计
2.1 系统开发环境
2.1.1 C语言
C语言是一种高级语言，具有较高的代码执行效率和资源利用率。通过合理地使用控制结构和优化算法，可以提高程序运行效率，并减少内存占用。这对于资源有限的单片机来说至关重要。C语言具有良好的跨平台特性，可以在多种不同型号的单片机上进行开发。这使得单片机程序可以方便地移植到不同型号的单片机上，提高了开发效率和灵活性。C语言支持结构化编程，可以将程序分解成多个模块，便于理解和维护。同时，C语言还支持丰富的调试工具，可以方便地进行变量查看、断点设置等操作，帮助开发人员快速定位问题。在使用单片机之前，首先需要进行硬件初始化。C语言提供了丰富的库函数和寄存器操作方式，可以方便地对硬件进行初始化，如配置时钟源、外设引脚的功能和工作模式等。完成硬件初始化后，可以开始编写主程序。C语言提供了丰富的控制结构和函数库，可以实现各种功能，如控制IO口输出高低电平、读取外部输入信号、定时器中断处理等。各种单片机生产商都提供了丰富的C语言库函数，这些库函数封装了复杂的硬件操作细节。通过使用这些库函数，开发者可以更加专注于应用逻辑的实现，提高开发速度。C语言还支持与汇编语言混合编程。在单片机开发中，核心的系统启动代码、关键的性能优化部分可以使用汇编语言实现，而应用逻辑及其他非关键代码则可以采用C语言编写。这种混合编程模式可以充分发挥两者的优势。通过C语言编写按键模块程序，可以实现按键的扫描、去抖动以及按键功能的实现。综上所述，C语言在单片机领域具有广泛的应用前景和重要的价值。通过合理地利用C语言的特点和功能，在单片机中可以实现各种复杂的功能需求。
2.1.2 KEIL4软件技术
KEIL4，全称Keil uVision4，是一款功能强大的集成开发环境（IDE），专为单片机设计。它集成了代码编辑、编译、调试等多种功能，能够极大地提高开发效率。该软件支持多种微控制器，包括MCS-51架构和ARM等，为工程师和爱好者提供了便捷的开发平台。KEIL4提供了直观的用户界面和丰富的在线帮助文档，使得初学者也能快速上手。同时，它还支持多种编程语言，如C、汇编等，满足了不同开发者的需求。KEIL4内置了强大的调试工具，可以方便地设置断点、查看变量值、执行单步操作等，极大地提高了调试效率。KEIL4提供了丰富的库函数，这些函数封装了复杂的硬件操作细节，使得开发者可以更加专注于应用逻辑的实现。KEIL4还支持仿真功能，可以在不连接硬件的情况下进行程序调试和测试，降低了开发成本和时间。KEIL4提供了强大的代码编辑器，支持语法高亮、自动补全等功能，使得代码编写更加高效。KEIL4内置了高效的编译器和链接器，可以将源代码编译成目标文件，并链接成可执行文件。通过KEIL4的调试工具，可以方便地查看程序的运行状态、变量值等，帮助开发者快速定位问题。KEIL4支持项目管理功能，可以方便地管理多个项目，包括项目的创建、删除、修改等。
2.1.3 Android Studio 开发
Android Studio 是目前最流行的 Android 应用开发平台，提供了丰富的开发工具和高效的调试环境，使得开发者能够快速构建功能强大的移动应用。它集成了多种编程语言的支持，主要包括 Java 和 Kotlin，并且提供了完整的UI设计工具、模拟器以及强大的性能分析工具。在开发过程中，Android Studio 通过其直观的拖拽式界面设计工具帮助开发者轻松创建响应式布局，同时，支持实时预览功能，能够快速查看UI组件的效果。此外，Android Studio 内置了智能代码补全、语法高亮和错误检查功能，极大提升了编程效率和代码质量。无论是开发简单的应用，还是复杂的企业级项目，Android Studio 都能提供一个稳定且高效的开发环境。
2.2 系统功能设计
基于物联网（IoT）技术的河道防汛监测系统集成了多种传感器和技术，实现了对水文状况的全面监控和智能管理。该系统采用高精度水位传感器实时监测堤坝水位，一旦超过预设阈值，蜂鸣器自动触发报警，并根据水位变化自动调整闸门开关状态，确保及时泄洪。当水位过高时，系统驱动舵机打开闸门进行泄洪；恢复正常后，闸门自动关闭。在水位过低的情况下，水泵会启动积攒水位，确保水库有足够的水量应对突发情况，这些操作均由STM32微控制器智能控制。系统配备流量传感器监测水库流量，若检测到流量过大，LED报警灯亮起提示潜在风险。所有关键数据如水位、流量等在OLED屏幕上实时显示，便于现场监控，并可展示历史趋势图。用户还可以通过手机应用程序远程查看实时数据，设置水位阈值、控制闸门开关以及操作水泵，极大提高了管理灵活性。系统设置了三个闸门，根据流速和水位自动调整开闭状态：流速过快或水位过高时全开；流速降低一档时关闭一个闸门；流速为零时全部关闭，确保洪水得到及时有效的调控。此外，系统内置数据存储模块，能够长时间保存历史数据，通过对这些数据的积累和分析，识别潜在的风险模式，预测未来的水文变化趋势，为科学决策提供支持。多传感器融合技术使得系统不仅监测水位和流量，还集成了温度、湿度、降雨量等多种参数，STM32微控制器负责处理来自不同传感器的数据，确保信息的准确性和完整性。系统具备Wi-Fi或4G通信模块，确保数据实时传输到云端服务器，方便远程管理和数据分析，同时支持本地局域网连接以备不时之需。综上所述，这套基于物联网的河道防汛监测系统通过智能化管理和自动化控制，显著提升了防洪效率，保障了人民生命财产安全和社会经济稳定发展。未来，随着技术进步和应用范围扩大，该系统有望进一步优化和完善，为更多地区的防洪减灾工作提供有力支持。
2.3 总体设计方案
2.3.1 总体设计方案
基于STM32的河道防汛监测系统系统设计旨在通过技术手段提升婴儿照护的智能化、安全性和便捷性，达到实时监测与分析、智能预警与干预的效果。该设计通过单片机进行控制，实现对婴儿环境的空气质量、温湿度以及婴儿是否哭泣进行检测。单片机控制单元作为系统的核心，负责接收传感器信号、处理数据、控制机械传动装置以及与其他模块进行通信。基于STM32的河道防汛监测系统系统主要使用STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，使用供电模块、蓝牙模块OLED显示屏幕、按键模块、DHT11温湿度传感器模块、语音模块、声音传感器、MQ-135空气质量传感器等。系统架构设计图如图
图 21 系统架构设计图
2.3.2 主要器件选择
（1）51单片机
51单片机是一种经典的微控制器，广泛应用于各种嵌入式系统和电子产品中。51单片机是对兼容英特尔8051指令系统的单片机的统称。它最早由Intel公司推出，后续有多家厂商如Atmel、飞利浦、STC等生产了基于8051内核的不同型号的单片机。CPU负责执行指令和处理数据，是单片机的核心部分。存储器包括程序存储器和数据存储器。ROM用于存放程序代码，RAM用于存放运行时的数据。输入/输出端口提供与外部设备通信的引脚。定时器/计数器用于时间延迟和事件计数。串行通信接口用于与其他设备进行串行数据通信。中断系统能够响应外部或内部的中断请求，实现多任务处理。51单片机支持多种中断源，包括外部中断、定时器中断和串行通信中断，同时具有低功耗模式，适用于电池供电的应用。总的来说，51单片机是一种功能强大、应用广泛的微控制器，它的结构简单、性能稳定、成本低廉，使其在嵌入式系统中具有很大的优势。无论是初学者还是有经验的工程师，都可以利用51单片机来实现各种创意和应用。
（2）STM32单片机
STM32单片机是意法半导体推出的基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器系列，具有高性能、低功耗和丰富的外设资源等特点。STM32单片机是基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器，集成了中央处理器、存储器、输入/输出接口等多种功能于一体。STM32单片机具有高性能、低功耗、丰富的片上外设和易于使用的特点，广泛应用于工业控制、医疗设备、物联网、消费电子等领域。STM32单片机采用ARM公司设计的Cortex-M内核，具有高性能、低功耗和高集成度等特点。包括高速总线和低速总线，用于连接不同的外设。STM32单片机内部集成Flash存储器、SRAM存储器和EEPROM存储器等。提供内部RC振荡器、外部晶振和PLL锁相环等时钟源。总的来说，STM32单片机是一种功能强大且灵活的微控制器，适用于各种复杂的嵌入式应用。其高性能、低功耗和丰富的外设资源使其成为工业控制、医疗设备、物联网和消费电子等领域的理想选择。通过使用丰富的开发工具和学习资源，开发者可以快速掌握STM32单片机的开发技能，实现创新应用。
（3）对比选择
STM32单片机基于ARM Cortex-M内核，最高运行频率可达72MHz，具有强大的处理能力。而51单片机是8位的微控制器，其处理能力相对较弱，可能无法满足河道防汛监测系统系统对实时数据处理和复杂算法运行的需求。STM32单片机通常具有更大的内存空间和更丰富的外设接口，这些外设接口对于实现婴儿生理参数和环境参数的实时监测至关重要。相比之下，51单片机的内存和外设资源较为有限，可能限制了系统的功能和扩展性。
STM32单片机具有多种低功耗模式，如水位检测、闸门开关和水泵智能调节模式等，能够在低功耗应用中实现长时间的工作。这对于需要持续监水位状态的河道防汛监测系统来说至关重要，可以确保系统在电池供电的情况下具有更长的续航时间。而51单片机虽然也具有一定的低功耗特性，但相比之下可能不如STM32在功耗控制方面表现优秀。
STM32单片机提供了丰富的开发工具和软件库，这些工具能够简化开发流程，提高开发效率。同时，STM32单片机的官方文档和社区支持也相对完善，为开发者提供了更多的学习资源和帮助。而51单片机的开发工具链虽然相对简单易用，但在开发效率和资源支持方面可能不如STM32。STM32单片机支持C语言和汇编语言编程，同时提供了更高级的编程抽象层次，而51单片机虽然也支持C语言和汇编语言编程，但在编程抽象层次方面可能相对较弱。
STM32单片机具有很好的兼容性，支持多种封装和型号，能够满足不同应用的需求。同时，STM32单片机的外设接口丰富，能够方便地连接各种传感器和执行器，实现系统的扩展和升级。而51单片机虽然也具有一定的扩展性，但在系统复杂度和功能需求较高的场景下可能显得力不从心。
综上所述，基于STM32的河道防汛监测系统系统设计在性能、功耗、开发便捷性以及系统扩展性等方面均优于基于51单片机的设计。因此，在河道防汛监测系统系统的设计中选择STM32单片机是更为明智的选择。
第3章 系统硬件设计与实现
3.1 STM32单片机最小系统
STM32单片机最小系统是指能够将STM32单片机芯片运行所必需的最少的硬件电路集成在一起的系统。STM32单片机芯片是整个电路的核心，也是运行的主体。通过对该芯片写入程序，便可实现各种想要的控制功能。晶振电路为单片机提供时序，使单片机能够正常运行。时钟电路相当于单片机的心脏，它的每一次跳动都控制着单片机执行代码的工作节奏。STM32单片机内部集成有时钟电路，可以提供内部高速时钟和内部低速时钟，同时也可以使用外部时钟源，如外部高速时钟和外部低速时钟。复位电路在进行复位的时候，让单片机的程序计数器回到0000H这个地址，从而让程序从开始处重新执行。每次上电之后都需要复位，要让程序从头开始执行，同时一般也需要支持手动复位，当按下复位按键后，能够使程序复位。STM32还支持程序复位，即通过程序内部的程序进行复位，如内核复位函数、看门狗复位等。启动电路用于选择单片机的启动模式。STM32单片机通常具有三种启动模式：主闪存存储器启动、系统存储器启动和内置SRAM启动。这些模式通过BOOT0和BOOT1引脚的状态来选择。电源电路为整个系统提供电能，是系统不可缺少的部分。对于STM32单片机，通常需要提供稳定的3.3V电压。STM32单片机最小系统具有多项优势，主要包括：由于只包含了单片机运行所必需的最少电路，因此成本较低；STM32单片机本身具有低功耗的特点，适合用于对电源要求较高的场合； STM32单片机具有较高的处理能力，可以满足各种高性能要求的应用场景。
图 31 STM32单片机最小系统原理图
1、高达72MHz工作频率、在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz
2、2.0~3.6伏供电和I/0引脚
3、上电/断电复位、可编程电压检测器
4、4~16MHz晶体振荡器
5、内嵌带校准的40KHZ RC振荡器生产CPU时钟的PLL1 0、
6、2个12位模数转换器、1us转换时间
7、DMA
8、37个快速1/0端口、所有I/0口可以映像到16个外部中断、几乎端口均可容忍5V信号
9、3个通用定时器、1个定时器
3.2 WiFi模块
该WiFi模块的核心是一个名为ESP01S1的芯片。ESP01S1是一款常用的WiFi模块芯片，广泛应用于各种嵌入式设备和单片机系统中，用于提供WiFi无线通信功能。 “PA10”、“TXD”、“GND”、“EN”、“RST”、“IO0”引脚是ESP01S1芯片与外部电路进行连接的接口。其中，“PA10”可能是一个特定的功能引脚，用于实现某种特定的信号传输或控制功能；“TXD”代表发送数据引脚，用于向外部设备发送数据；“GND”是接地引脚，用于提供电路的公共参考电位；“EN”是使能引脚，用于控制芯片的开关状态；“RST”是复位引脚，用于将芯片重置到初始状态；“IO0”则是一个多功能引脚，根据不同的配置可以实现不同的功能。此外，图中还展示了两个电源端口，“+3.3V”和“3V3”，它们都是为ESP01S1芯片提供工作电压的电源输入端口。不过，通常在一个电路中，“+3.3V”和“3V3”表示的是相同的电压值，即3.3伏特。还有一个“RXD”端口，它代表接收数据引脚，用于从外部设备接收数据。在WiFi通信过程中，发送和接收数据是至关重要的功能。可以嵌入到单片机或其他嵌入式设备中，为其提供WiFi无线通信能力。WiFi模块是一种能够嵌入到单片机系统中的功能模块，它利用WiFi技术实现无线通信功能，使得单片机可以与其他WiFi设备进行数据传输和通信。这种WiFi模块在物联网、智能家居、智能设备等领域有着广泛的应用前景。
图 32 WiFi模块原理图
3.3 OLED显示屏幕
OLED是一种显示技术，其原理是基于有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象。OLED显示屏的工作原理主要涉及到电场驱动下的载流子注入和复合发光过程。具体来说，OLED显示屏使用ITO透明电极和金属电极分别作为器件的阳极和阴极。在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层。这些电子和空穴在传输层中迁移到发光层，并在发光层中相遇形成激子。激子使发光分子激发，后者经过辐射弛豫而发出可见光。OLED显示屏是全固态器件，具有抗震荡、耐低温的特性，能够在各种恶劣环境下稳定工作。OLED显示屏的每个像素点都能自主发光，无需背光源，因此能够实现更高的亮度和对比度。由于OLED显示屏的像素点能够自主发光，因此其亮度和对比度远高于传统的LCD显示屏。OLED显示屏的有机塑料层更薄、更轻，且富于柔韧性，使得整个显示屏更加轻薄便携。OLED显示屏在显示黑色或深色时，像素点几乎不发光，因此能够显著降低功耗。OLED显示屏的响应时间非常短，仅为微秒级别，能够实现更加流畅的动态画面。OLED显示屏的视野范围很广，一般可达170度左右，使得观看者能够从不同角度获得清晰的画面。
本设计的OLED显示屏的型号为“OLED-0.96-4P”，有两个GND引脚，它们代表地线，用于为电路提供共同的参考电位。5V引脚表示外部电源的正极，它向OLED显示屏提供所需的电力。PB8和PB9引脚用于传输控制信号或数据到OLED显示屏。SC的引脚代表时钟信号，用于同步数据的传输。SDA0.96引脚用于传输显示数据的串行数据线，通过这条数据线，集成电路（IC）可以向OLED显示屏发送指令和数据，以控制其显示内容。
图 33 OLED显示原理图
3.4 流速传感器
该流速传感器采用的是基于涡轮原理的流量测量芯片，广泛应用于水流监测和流量控制系统。流速传感器通过测量流体流动时涡轮的转速来确定流速，进而计算水流量。传感器通常由两个主要部件组成：“传感器本体”用于捕捉水流的物理变化，和“信号处理电路”用于转换涡轮转速为相应的电信号。传感器通过输出脉冲信号与系统进行通信，脉冲的频率与水流的速度成正比，系统根据这一信号计算出流速数据。
该流速传感器具有高精度、快速响应和较强的抗干扰能力，适用于河道、管道等水流监测环境。通过将流速传感器集成到物联网系统中，可以实现对河道水流速的实时监测，辅助水位和流量的控制与调节。传感器能够提供准确的流速数据，支持系统在水位过高或流量过大时启动自动化泄洪控制，或根据实时数据调整操作阈值，提高防汛监测系统的智能化水平。凭借其稳定性和可靠性，流速传感器在防汛、水资源管理等领域具有广泛的应用前景。
图 34 流速传感器原理图
水深传感器通常采用压力传感器技术，广泛应用于河道、水库、湖泊等水域的水深监测系统。该传感器通过测量水体下方的水压来确定水深。其工作原理基于大气压力与水体压力之间的差异，随着水深的增加，水体的压力也随之增大。传感器内置的压力传感器通过检测这一变化，将水压转换为电信号，再通过处理模块计算出对应的水深值。
水深传感器通常由“电源引脚”（用于为传感器提供稳定的电源）、“输出信号引脚”（输出水深数据）、“接地引脚”（提供参考地电位）等组成。传感器的输出信号可以是模拟电压信号或数字信号，系统通过读取这些信号并进行解析计算，实时获取水深数据。
该水深传感器具有高精度、稳定性强、响应速度快的特点，适用于长时间的水深监测，并能够在不同的环境条件下稳定工作。通过集成到防汛监测系统中，水深传感器能够实时监控水位变化，辅助判断洪水发生的风险，确保系统能够在水位过高时自动启动泄洪或预警机制。水深传感器为智能化防汛系统提供了可靠的实时数据，具有广泛的应用前景，尤其在水资源管理、生态环境保护和水灾预警等领域具有重要意义。
图 35 水深传感器原理图
3.6 WiFi模块
ESP01S是一款基于ESP8266的低功耗、小巧的WiFi模块，广泛应用于物联网和智能设备中。其特点包括支持802.11b/g/n协议、高速WiFi通信、内置Tensilica L106处理器、512KB闪存和64KB SRAM，适合进行简单的数据处理和无线传输。在基于STM32单片机的基于物联网技术的河道防汛监测系统中，ESP01S模块可以实现数据远程监控、无线数据传输和远程控制。系统通过超声波传感器定期采集液位数据，并通过STM32处理后将数据发送至云平台或用户设备。ESP01S通过UART与STM32进行通信，使用AT命令配置WiFi连接并进行数据交互。硬件连接包括TX、RX、GND和V***引脚的连接，STM32通过串口发送AT命令控制模块。
图 36WiFi模块原理图
第4章 系统软件设计
4.1 系统软件总体设计
在基于STM32单片机的物联网驱动的河道防汛监测系统中，系统软件设计涉及初始化、数据采集、控制逻辑和远程通信等关键模块。首先，在系统启动和初始化阶段，完成STM32单片机的引脚配置，确保各个传感器（如水位传感器、流速传感器）和执行器（如闸门控制舵机、电磁阀）等外设能够正常工作。此外，系统还会启用定时器进行任务调度，如周期性采集水位、流量和其他环境数据。
进入数据采集阶段后，系统通过水位传感器和流速传感器实时监测河道的水位和流量变化。系统根据传感器返回的信号（如超声波反射时间或流速变化），精确计算水位和流量数据。在数据处理和控制阶段，系统会比较实时采集的数据与设定的安全阈值，如果水位过高或流速过快，系统会自动触发控制逻辑，启动自动泄洪或关闭闸门等防汛操作。
系统还配备了OLED显示屏，用于实时显示水位、流量和系统状态信息，帮助操作人员直观了解河道情况。当水位或流速超过设定的安全值时，系统会触发报警机制，包括点亮LED报警灯和启动蜂鸣器进行提醒。
为实现更高的智能化和远程管理能力，系统集成了 ESP01S1 WiFi模块。ESP01S1模块是一款低功耗、支持Wi-Fi连接的小型模块，能够将采集到的实时数据通过无线网络传输至云端平台或智能手机APP。这样，用户不仅能够实时查看河道的水位和流速变化，还能根据实际情况通过APP进行远程控制，例如打开闸门、启动水泵或调整泄洪阀门等，增强了系统的灵活性和远程操作能力。
当系统收到来自APP或云端的远程指令时，WiFi模块会将指令传递给STM32单片机，执行相应的控制操作。同时，系统在执行操作时会确保所有设备协同工作，确保防汛措施的及时实施。
如图4-1所示。
图 41 系统总体设计流程图
在基于物联网技术的河道防汛监测系统中，手机与设备的无线通信通过WiFi模块（ESP01S）实现。用户首先需要在手机上打开WiFi功能，并找到对应的WiFi网络进行连接。当手机成功连接到WiFi后，用户打开手机APP，APP界面会自动显示连接信息，包括设备的IP地址和端口号。点击连接按钮后，APP会显示连接成功的状态，确认设备已与手机成功建立通信。
此时，系统会开始通过WiFi网络实时传输数据。手机APP会接收并显示从STM32单片机获取的数据，如温度、液位等重要数据信息。以下为手机WiFi连接流程图，展示了从连接WiFi到获取实时数据的整个流程。该过程确保了数据传输的稳定性和可靠性，提升了用户体验。手机WiFi连接流程图如下图所示
图 42 手机WiFi连接流程图
4.3 传感器采集
在基于物联网的河道防汛监测系统中，传感器数据采集是系统功能的重要组成部分，涉及水位、流速、温湿度等多个参数的实时监测。系统通过定时器或按键触发采集任务，定期获取传感器数据，以确保能够及时反映河道的水位、流量及环境变化。进入数据采集阶段后，系统利用多种传感器来获取不同类型的数据。
水位传感器（如超声波液位传感器）周期性地测量水体的液位高度。超声波传感器通过发射超声波信号并接收反射波，根据传播时间的差值计算水位高度。通过这一数据，系统可以实时评估水位变化，判断是否存在洪水风险。
流速传感器监测河道的流速变化。流速数据帮助预测水流动向、流量变化，并为防汛决策提供依据。流速过快时，系统会自动触发警报并执行相应控制措施，如调整闸门或启动泵水设备。
环境参数如温度和湿度对水位和流速测量有一定影响，因此系统还集成了温湿度传感器，实时采集环境数据。这些传感器能够确保系统响应环境变化，减少外界因素对水位和流速数据的干扰，保持数据的准确性。
当传感器成功采集到相关数据后，系统进入数据处理阶段。通过对实时数据的计算和分析，系统根据设定的阈值判断当前河道是否处于安全状态。水位或流速超过安全阈值时，系统会启动自动防控措施，如启动泄洪操作或关闭闸门等。OLED显示屏实时展示水位、流量和环境数据，方便用户监控河道状况。在水位超过设定阈值时，系统会通过点亮LED灯或启动蜂鸣器发出警报，如图4-3所示。如图4-3所示。
图 43 传感器采集流程图
第5章 系统测试
5.1 实物焊接测试
单片机实物焊接测试在硬件开发和原型制作阶段具有多重好处， 通过实际焊接和测试单片机及其外围电路，可以直观地验证电路设计的正确性。这包括检查电路连接、元件配置和逻辑关系是否如预期工作。在实物焊接过程中，可能会发现设计上的错误或遗漏。通过测试，可以及时发现并修正这些错误，避免在后续生产阶段造成更大的损失。焊接前，确保所有需要的元件都已备齐，并且质量完好。包括单片机、晶振、复位电路元件、起振电容等。检查PCB板是否完好无损，铜皮是否完整，没有断裂或短路的情况。准备好焊接所需的工具，如电烙铁、焊锡丝、镊子、万用表等。如果焊接完成后，单片机没有正常工作，使用万用表检查电路连接是否正确，是否有短路或断路的情况。检查元件是否焊接正确，是否有虚焊或漏焊的情况。根据检查结果进行调试和修正，直到单片机能够正常工作。在测试时要确保测试环境的安全和稳定，避免干扰和误判。单片机实物焊接测试在硬件开发和原型制作阶段具有多方面的好处。它不仅有助于验证设计的正确性，还可以提升开发者技能、优化设计和性能、降低成本、增强可靠性以及促进团队合作。因此，在硬件开发过程中，实物焊接测试是一个不可或缺的环节。
基于物联网技术的河道防汛监测系统实物图如图5-1所示。
图 51 基于物联网技术的河道防汛监测系统实物图
5.2 超声波检测功能测试
在基于物联网的河道防汛监测系统中，水深传感器用于实时监测河道的水位变化。系统通过水深传感器与STM32单片机连接，传感器通过检测水面到传感器的距离来计算水深。当系统启动后，水深传感器周期性地采集水深数据，并通过定时器控制采样频率。采集到的数据随后会被处理并实时更新，通过OLED显示屏显示当前水深信息。
当水深超过设定的安全阈值时，系统会自动触发LED警示灯，提醒用户水位异常。系统还支持数据存储与远程传输功能，可以通过物联网模块将水深数据传输至云端，供远程监控使用。
功能测试结果表明，水深传感器在不同水位条件下能够稳定工作，准确测量水深数据，并及时响应水深的变化。当水位异常时，系统能够迅速触发报警机制，为防汛预警提供实时可靠的数据支持。测试如图5-2所示。
图 52 超声波检测测试图
5.3 OLED显示功能测试
OLED显示模块用于实时显示基于物联网技术的河道防汛监测系统的液位数据及环境监测信息。系统通过单片机与OLED屏幕连接，将采集到的温度、湿度和液位数据通过图形化界面展示给用户。显示内容包括当前水位、温度、湿度等实时数据。测试过程中，系统定期更新数据，并在OLED显示屏上实时呈现，确保数据显示的准确性和稳定性。
图 53 OLED显示测试图
结 论
本毕业设计成功实现了基于STM32单片机和物联网技术的河道防汛监测系统。该系统结合STM32F103C8T6单片机与水深传感器，能够实时监测河道水位变化，确保水位数据的精准采集与环境的智能控制。通过水深传感器测量水位，并结合温湿度传感器采集环境数据，系统保证了在不同环境条件下水位测量的稳定性与准确性。
在功能实现方面，系统通过OLED显示屏实时展示水位数据，并具备水位变化警示功能。当水位超出设定阈值时，系统会自动启动LED灯进行视觉警示。此外，系统集成了WiFi模块（ESP01S），能够将水位数据和环境监控信息实时传输至智能手机APP，便于用户远程查看与管理。用户可以通过APP获取实时水位数据，在水位异常时及时进行处理。这一设计有效提升了河道水位管理的安全性和智能化水平。
通过水深传感器的实时监测与环境数据的控制，系统不仅满足了精准水位测量的需求，还增强了环境监控的功能。该系统方案具有较强的实用性，能够广泛应用于河道防汛、洪水预警、农业灌溉等需要精确水位监控的场所。未来，系统可以在此基础上进一步扩展，增加更多传感器和智能控制功能，提升其自动化与智能化水平，为河道防汛与水位管理提供更高效、智能的解决方案。
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