摘 要
随着城市化进程的加快，城市河道在防洪排涝和水环境管理中发挥着重要作用。然而在强降雨或极端天气条件下，河道水位和水流量可能迅速变化，若缺乏有效监测与预警手段，容易引发城市内涝或水灾。因此，建立一种实时、可靠的河道监控系统具有重要意义。
本文设计了一种基于 LoRa 通信的城市河道监控系统。系统以 STM32 单片机为核心控制器，在 KEIL 平台下采用 C 语言进行程序开发，并采用主机与从机结构。从机端负责采集水流量、水位距离和浑浊度等数据，并对可能发生的水灾风险进行预警；主机端接收并处理数据，通过 OLED 显示监测信息，并可设置水位和水流量阈值。当监测数据正常时系统定时播报信息，当超过阈值时进行语音报警，需工作人员按键确认后停止报警。同时，系统通过无线通信连接上位机 APP，实现数据实时显示，并将监测数据上传至云平台，同时通过摄像头采集河道图像，实现远程视频监控。该系统能够实现城市河道环境的实时监测与预警，提高河道管理的智能化水平。
关键词：LoRa通信；城市河道监控；STM32；水位监测；远程监控
Abstract
With the rapid development of urbanization, urban rivers play an important role in flood control and water environment management. However, under heavy rainfall or extreme weather conditions, river water levels and flow may change rapidly, which may lead to urban flooding if effective monitoring and early warning measures are lacking. Therefore, it is necessary to develop a reliable real-time river monitoring system.
This paper designs an urban river monitoring system based on LoRa communication. The system uses an STM32 microcontroller as the core controller and is programmed in C language on the KEIL platform. The system consists of a master node and a slave node communicating through LoRa. The slave node collects parameters such as water flow, water level distance, and turbidity to provide flood warning information. The master node receives and processes the data, displays monitoring information on an OLED screen, and allows threshold settings for water level and flow. When the data are normal, the system periodically broadcasts the information; when the values exceed the thresholds, a voice alarm is triggered and must be manually cleared. In addition, the system connects to a mobile APP for real-time data display and uploads monitoring data to a cloud platform. A camera module is also used to capture and transmit real-time images for remote monitoring.
Key words: LoRa communication; urban river monitoring; STM32; water level monitoring; remote monitoring.
目 录
1 绪论
6
1.1 背景与意义
6
1.2 研究现状
6
1.2.1 国外现状
6
1.2.2 国内现状
7
1.3 设计内容
7
2 系统总设计
9
2.1 系统设计需求
9
2.2 系统设计框架与方案
9
2.3 主要模块选型介绍
11
3 硬件系统设计
12
3.1 STM32单片机电路设计
12
3.2 YF-S201水流量传感器原理及引脚
13
3.3 浊度传感器TS-300原理及引脚
14
3.4 HC-SR04超声波测距
14
3.5 OLED显示器
15
3.6 JQ-6500语音播报模块原理及引脚
15
3.7 ESP8266无线通信模块原理及引脚
16
3.8 LORA-HC-12
16
3.9 ESP32-CAM摄像头
17
4 软件系统设计
18
4.1软件开发环境
18
4.1 程序设计
18
4.2 子程序设计
21
(7) LORA-HC-12无线通信模块子程序：
24
(8) ESP32-CAM摄像头子程序：
25
5 系统测试
26
5.1 焊接与调试
26
5.2 功能测试
26
(1) 系统功能测试表
26
(2) 测试过程
27
6 结论
28
参考文献
29
附录
30
1 绪论
1.1 背景与意义
随着城市化进程的不断推进，城市河道在防洪排涝、生态调节以及城市景观建设等方面发挥着越来越重要的作用。然而，在强降雨或极端天气条件下，城市河道水位和水流量可能迅速变化，如果缺乏有效的监测手段，容易引发城市内涝、水灾等安全问题。因此，对城市河道进行实时监测和预警，对于保障城市公共安全和提升防灾减灾能力具有重要意义。
传统的河道监测方式主要依赖人工巡检或简单的监测设备，不仅监测效率较低，而且难以实现对水位、水流量等关键参数的实时连续监测。一旦发生水位异常或水流量突增，相关部门往往无法及时获取信息，从而影响应急处理效率。随着嵌入式技术和无线通信技术的发展，基于传感器和无线网络的智能监测系统逐渐成为城市水利监测的重要发展方向。
本系统设计了一种基于LoRa无线通信技术的城市河道监控系统，以STM32单片机为核心控制器，通过水流量传感器、水位传感器以及浑浊度传感器对河道运行状态进行实时检测，并利用LoRa实现主机与从机之间的远距离无线通信。系统能够实时显示河道监测数据，并根据设定阈值进行预警提示，同时通过无线网络将数据传输至上位机APP及云平台，实现远程监控与数据管理。此外，系统结合摄像头进行视频图像采集，使管理人员能够直观了解河道现场情况。
该系统能够实现对城市河道水位、水流量和水质状况的实时监测与预警，有效提高河道管理的信息化和智能化水平，为城市防洪预警和水环境监测提供重要技术支持，因此具有较高的应用价值和现实意义。
1.2 研究现状
1.2.1 国外现状
国外在城市河道监测与水环境监控领域研究起步较早，相关技术已广泛应用于智慧水利和城市防洪管理系统中。随着物联网技术的发展，许多国家开始利用传感器网络、无线通信以及云计算技术构建智能化水环境监测系统。例如，通过在河道或水利设施中部署水位传感器、流量传感器以及水质检测设备，实现对河道运行状态的实时监测，并将数据通过无线通信网络传输至监控平台进行分析与处理。部分研究还将LoRa、NB-IoT等低功耗广域网络技术应用于水环境监测系统，以实现远距离、低功耗的数据传输，提高系统的稳定性和覆盖范围。此外，国外在河道监控系统中逐渐引入视频监控和数据分析技术，通过摄像头实时采集河道图像信息，并结合数据平台对水位变化趋势进行分析，从而实现对洪涝风险的提前预警。总体来看，国外城市河道监控系统研究逐渐向智能化、网络化和信息化方向发展，为城市防洪与水环境管理提供了重要技术支持。
1.2.2 国内现状
近年来，随着智慧城市和智慧水利建设的不断推进，国内学者在水环境监测与城市河道监控系统方面开展了大量研究，并在传感器数据采集、无线通信以及嵌入式系统应用等方面取得了一定成果。
孙立云等人[1]提出了一种基于NB-IoT通信技术的超声波水表设计方案。该系统利用超声波测量水流量，并通过NB-IoT网络实现数据的远程传输与管理，从而提高了水资源监测的实时性和准确性。该研究表明，低功耗广域通信技术在水环境监测领域具有良好的应用前景，为远程水数据采集提供了新的解决方案。
康素霜[2]在研究中提出了一种基于单片机的城市环境监测系统网格化设计方案，通过在城市不同区域部署多个监测节点，实现环境数据的分布式采集与集中管理。该系统能够实时获取环境数据，并通过网络平台进行统一分析，提高了城市环境监测的效率。随后，康素霜在另一项研究中进一步设计了基于单片机的智能平台环境监测系统[3]，通过传感器采集环境信息，并结合数据平台实现远程监控与管理，为城市环境监测系统的智能化发展提供了新的思路。
唐海晨[4]设计了一种基于STM32单片机的家居环境监测系统，通过多种传感器对环境参数进行采集，并利用嵌入式系统实现数据处理与控制。该研究表明，STM32单片机具有运算能力强、接口丰富等特点，适用于环境监测系统的开发，为水环境监测系统的设计提供了硬件平台参考。
徐江莉等人[5]提出了一种基于STM32单片机的水环境监测系统，通过水质传感器对水体参数进行实时检测，并利用无线通信技术实现数据远程传输与监控。该系统能够对水环境变化进行实时监测，为水资源管理和环境保护提供数据支持。
总体来看，国内在水环境监测系统方面的研究主要集中在嵌入式控制技术、无线通信技术以及传感器数据采集等方面，但在城市河道监控系统的多参数综合监测与远程预警方面仍有进一步提升空间。因此，设计一种基于LoRa通信的城市河道监控系统，实现水位、水流量及水质等参数的实时监测与远程预警，具有重要的研究意义和应用价值。
1.3 设计内容
本系统设计了一种基于 LoRa 通信的城市河道监控系统，以 STM32 单片机为核心控制器，在 KEIL 平台下采用 C 语言进行程序开发。系统由主机和从机两部分组成，并通过 LoRa 实现无线通信。从机端负责采集河道环境数据，包括水流量、水位距离和浑浊度，并根据监测数据对可能出现的水灾风险进行预警。主机端接收并处理从机数据，通过 OLED 屏幕实时显示水流量、水位距离和浑浊度信息，同时可设置水位和水流量阈值。当监测数据正常时，系统定时播报当前水流量和水位信息；当超过设定阈值时，系统语音报警提示，并需工作人员按键确认后才能停止报警。此外，主机还通过无线通信连接上位机 APP，实现监测数据的实时显示，并将数据上传至云平台，同时通过摄像头采集河道图像并在 APP 上实时显示，从而实现对城市河道运行状态的远程监控与预警。
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