基于stm32的山体滑坡监测预警装置

1. 项目开发背景

1.1 山体滑坡的危害

山体滑坡是一种自然灾害，它通常发生在山区和丘陵地区，尤其是雨季和地震活跃区。滑坡不仅会造成人员伤亡，还会破坏基础设施，如交通、通讯、电力等，对当地经济和社会造成严重影响。因此，及时发现山体滑坡的预兆，提前发布预警信息，对减少灾害损失至关重要。

1.2 现有监测预警系统的局限性

目前，大多数山体滑坡监测预警系统依赖传统的地面传感器和人工巡查，监测范围和响应时间有限，难以实现实时的、全面的监控。而且，现有系统缺乏智能化处理能力，导致预警不够及时。

1.3 项目目标

本项目旨在设计一种基于STM32的山体滑坡监测预警装置，利用先进的传感技术、4G通信和云平台进行数据的实时采集、传输和处理，实现对山体滑坡的实时监测与预警。

2. 设计实现的功能

2.1 山体滑坡监测

本系统通过传感器实时监测山体的变化，重点监测土壤湿度、土壤压力、气象因素（如降水量、气温、风速等）以及地面位移情况。

2.2 数据实时传输

采用4G通信模块（Air724UG）将采集的数据实时传输至云平台（OneNet），保证数据的实时性和远程访问能力。

2.3 预警机制

系统内置预警机制，当监测到滑坡的前兆（如土壤压力剧烈变化、降水量异常等）时，会通过短信、邮件等方式向用户发布预警信息。

2.4 可视化数据展示

云平台（OneNet）提供数据的可视化展示，包括实时监测数据的曲线图、历史数据查询和趋势分析等功能。

2.5 系统配置与维护

系统支持远程配置和维护，管理员可以通过云平台远程调试设备参数、升级固件，确保系统长期稳定运行。

3. 项目硬件模块组成

3.1 主控模块：STM32F103RCT6

• • 该模块作为系统的核心，负责各类传感器数据的采集、处理和传输。其高性能的ARM Cortex-M3内核能够有效支持系统的实时计算与数据传输。

3.2 4G通信模块：Air724UG

• • 用于实现数据的远程传输，确保监测数据能够实时上传至云平台进行处理和分析。

3.3 土壤湿度传感器

• • 通过监测土壤的湿度变化来判断滑坡的潜在风险。土壤湿度的增加是山体滑坡的重要前兆之一。

3.4 土壤压力传感器

• • 该传感器用于检测土壤内部的压力变化。当土壤中的压力变化超过阈值时，可能表示山体的不稳定，预示着滑坡的发生。

3.5 气象传感器

• • 包括温湿度传感器、气压传感器、降水量传感器等，监测天气变化对山体稳定性的影响，尤其是降水量的异常变化。

3.6 位移传感器

• • 通过监测地面的位移情况，判断山体是否发生了明显的滑动，进一步确认滑坡风险。

3.7 电池与电源管理模块

• • 提供设备的稳定电源，确保设备在各种环境条件下能够持续运行。

3.8 显示与操作模块

• • OLED屏幕和按键用于本地显示系统状态与参数设置，便于现场调试与维护。

4. 设计思路

4.1 系统架构

系统采用分布式架构，硬件部分由多个传感器模块组成，数据通过4G通信模块实时上传至云平台。云平台负责数据存储、处理、分析和可视化展示。系统的核心控制由STM32F103RCT6微控制器实现，它与各类传感器通过I2C、SPI等通信协议连接。

4.2 数据采集与处理

每个传感器周期性地采集数据，STM32F103RCT6处理数据并判断是否超出预设阈值。当发生异常时，系统会触发报警机制，通过4G模块将预警信息发送至云平台并通知相关人员。

4.3 云平台与远程控制

OneNet物联网平台将实现数据的远程存储与展示，用户可以通过平台查看实时数据、历史记录和趋势图，进行远程监控和故障诊断。

4.4 预警算法

系统将根据不同传感器的数据输入，运用预设的预警算法判断山体的稳定性。当多个传感器的监测值异常时，系统将触发高风险警报。

5. 系统功能总结

6. 技术方案

6.1 硬件方案

硬件选型以低功耗、高性能为主要目标。STM32F103RCT6的处理能力足以支持各类传感器的数据采集与实时传输。Air724UG提供稳定的4G通信，确保数据能够可靠地上传至云平台。

6.2 软件方案

系统的软件开发采用STM32标准固件库，开发语言为C语言。实时操作系统（RTOS）用于管理任务调度与资源分配。云平台使用OneNet API进行数据上传和远程控制。

6.3 网络与通信方案

通过Air724UG模块，系统实现了4G通信功能，确保数据的实时上传与远程监控。

7. 使用的模块技术详情介绍

7.1 STM32F103RCT6

STM32F103RCT6是一款基于ARM Cortex-M3内核的微控制器，具有较高的性能与丰富的外设接口，适合用于多传感器数据采集与控制。

7.2 Air724UG

Air724UG是一个4G通信模块，支持高速数据传输，适用于远程数据上传与远程监控。它支持UART接口与STM32进行通信。

7.3 传感器模块

• • 土壤湿度传感器：采用电容式湿度传感器，具有较高的精度与稳定性，适用于长时间监测。
• • 土壤压力传感器：利用应变片原理测量土壤的压力变化，灵敏度高，响应速度快。
• • 气象传感器：包括温湿度传感器、气压传感器、降水量传感器，能够实时监测环境变化。

8. 预期成果

1. 1. 实现一个高效的山体滑坡监测与预警系统。
2. 2. 提供实时、可靠的监测数据，确保灾害前的预警通知。
3. 3. 完成云平台与硬件的无缝对接，实现远程监控与维护。
4. 4. 提高山体滑坡灾害的预防能力，降低人员和财产损失。

9. 总结

本项目设计的基于STM32的山体滑坡监测预警装置，结合先进的传感技术、4G通信模块与云平台，能够实现山体滑坡的实时监测与早期预警。通过远程控制与数据可视化功能，系统为山区滑坡灾害的防控提供了一个高效、智能的解决方案。

10. STM32

以下是一个完整的 main.c 代码示例。这个代码假设使用 STM32F103RCT6，集成了必要的库，代码注释也详细说明了各个模块的实现流程。

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "stdio.h"
#include "string.h"
#include "sensor.h"        // 假设包含传感器模块的相关头文件
#include "air724ug.h"      // 假设包含Air724UG 4G通信模块的相关头文件
#include "one_net.h"       // 假设包含OneNet物联网云平台通信相关头文件
#include "display.h"       // 假设包含OLED显示模块的相关头文件

#define THRESHOLD_SOIL_PRESSURE   500   // 土壤压力阈值
#define THRESHOLD_SOIL_MOISTURE   60    // 土壤湿度阈值
#define THRESHOLD_RAINFALL        100   // 降水量阈值
#define THRESHOLD_DISPLACEMENT    5     // 位移阈值

// 定义传感器数据结构
typedef struct {
    float soilPressure;
    float soilMoisture;
    float rainfall;
    float temperature;
    float displacement;
} SensorData;

SensorData currentSensorData;  // 当前传感器数据

// 系统初始化函数
void System_Init(void) {
    HAL_Init();                 // 初始化HAL库
    SystemClock_Config();       // 配置系统时钟
    MX_GPIO_Init();             // 初始化GPIO
    MX_USART1_UART_Init();      // 初始化串口
    MX_I2C1_Init();             // 初始化I2C（用于与传感器通信）
    MX_TIM3_Init();             // 定时器初始化，用于周期性任务
    Display_Init();             // 初始化OLED显示模块
    Air724UG_Init();            // 初始化Air724UG 4G模块
    OneNet_Init();              // 初始化OneNet物联网平台
}

// 数据采集与处理函数
void Collect_Sensor_Data(void) {
    // 获取传感器数据
    currentSensorData.soilPressure = Sensor_Read_SoilPressure();
    currentSensorData.soilMoisture = Sensor_Read_SoilMoisture();
    currentSensorData.rainfall = Sensor_Read_Rainfall();
    currentSensorData.temperature = Sensor_Read_Temperature();
    currentSensorData.displacement = Sensor_Read_Displacement();
}

// 判断是否超出预警阈值
uint8_t Check_Thresholds(void) {
    if (currentSensorData.soilPressure > THRESHOLD_SOIL_PRESSURE ||
        currentSensorData.soilMoisture > THRESHOLD_SOIL_MOISTURE ||
        currentSensorData.rainfall > THRESHOLD_RAINFALL ||
        currentSensorData.displacement > THRESHOLD_DISPLACEMENT) {
        return 1;  // 触发预警
    }
    return 0;  // 不触发预警
}

// 发送预警信息到云平台
void Send_Alert_To_Cloud(void) {
    char alertMessage[256];
    sprintf(alertMessage, "Landslide Warning! \nSoil Pressure: %.2f\nSoil Moisture: %.2f\nRainfall: %.2f\nDisplacement: %.2f\n",
            currentSensorData.soilPressure, currentSensorData.soilMoisture, currentSensorData.rainfall, currentSensorData.displacement);
    
    // 将警告信息发送到OneNet云平台
    OneNet_Send_Data(alertMessage);
    
    // 可选：通过SMS或其他方式发送报警信息
    Air724UG_Send_SMS("+1234567890", alertMessage);  // 假设使用Air724UG模块发送短信
}

// 显示当前传感器数据在OLED屏上
void Display_Sensor_Data(void) {
    char displayMessage[128];
    sprintf(displayMessage, "Soil P: %.2f\nMoisture: %.2f\nRain: %.2f\nDisplacement: %.2f",
            currentSensorData.soilPressure, currentSensorData.soilMoisture, currentSensorData.rainfall, currentSensorData.displacement);
    Display_Show_String(0, 0, displayMessage);
}

// 主程序
int main(void) {
    System_Init();  // 初始化系统

    while (1) {
        // 定时任务：周期性采集数据并处理
        Collect_Sensor_Data();   // 获取传感器数据
        if (Check_Thresholds()) {  // 判断是否超出阈值
            Send_Alert_To_Cloud();  // 发送预警信息到云平台
        }
        
        // 显示实时数据
        Display_Sensor_Data();  // 显示当前传感器数据
    }
}

代码功能说明：

1. 1. 系统初始化 (System_Init):
• • 初始化HAL库、系统时钟、GPIO、串口、I2C、定时器、OLED显示、Air724UG 4G模块、OneNet物联网平台。
• • 通过这些初始化函数，确保系统各模块能够正常工作。
2. 2. 数据采集与处理 (Collect_Sensor_Data):
• • 从各种传感器（如土壤湿度、土壤压力、降水量、位移、温度等）中读取数据，并保存到 currentSensorData 结构体中。
3. 3. 阈值判断 (Check_Thresholds):
• • 对比采集的数据与预设的阈值（如土壤湿度、土壤压力等），判断是否触发预警。如果有任一项超出阈值，则返回 1，表示触发预警。
4. 4. 发送预警信息到云平台 (Send_Alert_To_Cloud):
• • 如果触发预警，使用 OneNet_Send_Data 函数将警告信息上传到 OneNet 云平台，且可选择使用 4G 模块通过短信发送预警信息给相关人员。
5. 5. 显示实时数据 (Display_Sensor_Data):
• • 将采集到的传感器数据通过 OLED 屏幕显示，以便现场人员查看。
6. 6. 主循环 (main):
• • 系统主循环中，周期性地采集数据、判断阈值、发送预警信息和更新显示内容。

依赖的函数和模块：

• • Sensor_Read_SoilPressure(), Sensor_Read_SoilMoisture(), Sensor_Read_Rainfall(), Sensor_Read_Temperature(), Sensor_Read_Displacement() 等函数用于从相应的传感器中获取数据。
• • OneNet_Send_Data() 负责将数据上传至 OneNet 云平台。
• • Air724UG_Send_SMS() 通过 Air724UG 模块发送短信。
• • Display_Show_String() 用于在 OLED 显示屏上显示数据。