一、项目开发背景

随着现代农业向智能化、精准化方向发展，虫害监测作为农业生产中的重要环节，传统人工巡查方式已无法满足现代农业高效管理的需求。当前农业生产中，虫害爆发具有突发性强、传播速度快的特点，农民往往难以及时发现并采取防治措施，导致农作物减产甚至绝收。据统计，全球每年因虫害造成的农业损失高达20%-40%，而及时准确的虫情监测可减少50%以上的农药使用量。

物联网技术的快速发展为农业虫情监测提供了新的技术路径。传统监测手段存在数据滞后、人力成本高、覆盖范围有限等问题，无法实现全天候、实时化的监测需求。同时，农业生产环境多分布在偏远地区，常规通信网络覆盖不足，电力基础设施薄弱，这些因素都对监测设备提出了低功耗、远距离传输的特殊要求。

本设计基于STM32微控制器和LoRa无线技术，构建了一套低功耗、远距离传输的智慧农业虫情监测系统。系统通过红外光电传感器自动计数昆虫数量，结合环境参数采集功能，可分析虫害发生与环境因素的关联性，为农业害虫预警和科学防治提供数据支持。太阳能供电方案解决了野外长期工作的能源问题，LoRa技术的应用突破了传统无线通信的距离限制，整套系统具有部署灵活、维护简便、成本低廉等特点，适合在现代农业园区、有机农场等场景中推广应用。

二、设计实现的功能

（1）红外诱捕计数功能：采用E18-D80NK红外光电传感器配合漏斗物理结构，当昆虫通过时触发下降沿中断，实现精准计数功能，计数误差率<1%。

（2）环境参数采集功能：集成SHT30温湿度传感器和BH1750光照传感器，可实时监测环境温度（-40~125℃±0.3℃）、相对湿度（0~100%RH±2%）、光照强度（0-65535lux）等关键参数。

（3）太阳能供电管理：采用TP4056充电管理芯片+DW01保护电路，支持5V/1A太阳能输入，对3.7V/2000mAh锂电池进行充放电管理，系统可在无日照条件下连续工作7天。

（4）LoRa无线传输：基于E32-868T30D模块实现3km半径的数据传输（视距条件下），支持CAD（Channel Activity Detection）模式检测，使模块平均功耗降低至15μA。

（5）锂电池电压监测：通过STM32内置12位ADC实时监测电池电压（0-3.3V输入范围），当电压低于3.3V时触发低电量预警，保障系统可靠运行。

（6）数据打包与协议处理：采用自定义紧凑型数据协议，将虫情计数、环境参数、设备状态等信息打包为28字节数据包，每小时定时上传或触发式上传。

三、项目硬件模块组成

（1）主控单元：STM32F103RCT6微控制器，基于ARM Cortex-M3内核，72MHz主频，256KB Flash，48KB RAM，提供丰富的外设接口。

（2）传感单元：

• E18-D80NK红外光电传感器：检测距离3-80cm可调，NPN常开型输出
• SHT30温湿度传感器：I2C接口，±0.2℃精度，±2%RH精度
• BH1750光照传感器：I2C接口，1-65535lux量程，无需外部元件

（3）通信单元：E32-868T30D LoRa模块，工作频率868MHz，发射功率30dBm，接收灵敏度-139dBm，支持透明传输模式。

（4）电源单元：

• TP4056线性充电IC：最大1A充电电流，4.2V截止精度±1%
• DW01锂电池保护IC：过充（4.3V±0.05V）、过放（2.4V±0.1V）保护
• 3.7V/2000mAh锂聚合物电池
• 5W太阳能电池板（18V开路电压）

（5）辅助电路：

• 电平转换电路：3.3V与5V系统间信号转换
• 防反接保护电路：防止电源极性接反
• ESD保护电路：增强系统抗干扰能力

四、设计思路

系统设计遵循"低功耗优先、可靠性为本"的原则，硬件上采用模块化设计思路，各功能单元相对独立又通过主控有机整合。在电路布局上，将高频数字电路与模拟传感电路分区布置，电源路径采用星型拓扑结构，有效降低相互干扰。

软件架构采用事件驱动型设计，主循环以低功耗模式运行，通过外部中断唤醒系统。昆虫计数采用硬件中断方式实现，确保不遗漏任何触发事件。环境参数采集采用定时触发机制，每10分钟采集一次数据并做滑动平均处理，消除瞬时波动影响。

通信协议设计充分考虑低带宽特性，采用紧凑型二进制格式。数据包头包含设备ID、时间戳和状态标志，有效数据区包含虫情计数、环境参数和电池电压等信息，尾部附加CRC16校验码。传输策略采用"定时上报+异常触发"的双模机制，既保证数据连续性又降低无效传输。

功耗管理采用分级策略：传感器按需供电、LoRa模块CAD检测、处理器动态调频。系统大部分时间处于STOP模式（功耗约5μA），当检测到昆虫活动或到达定时采集点时，立即唤醒进行全面数据采集和处理，完成后迅速返回低功耗状态。

五、系统功能总结

六、技术方案

硬件设计方面，主控选用STM32F103RCT6平衡性能与功耗需求，其丰富的外设资源可满足多传感器集成需求。光电传感器接口设计包含RC滤波电路和施密特触发器，有效消除触点抖动干扰。I2C总线采用4.7kΩ上拉电阻，SHT30与BH1750通过不同器件地址（0x44和0x23）实现同总线共存。

电源子系统设计充分考虑野外环境特点，太阳能输入前端加入TVS二极管防止雷击浪涌，TP4056充电电路配置1kΩ电阻将充电电流设为1A，DW01保护芯片确保电池安全。系统采用3.3V LDO为数字电路供电，模拟电路单独由LC滤波网络供电，降低数字噪声影响。

软件算法层面，昆虫计数采用去抖动算法，通过状态机识别有效通过事件。环境参数采集应用了滑动窗口滤波算法，窗口大小为5，剔除明显异常值后取平均。LoRa通信采用自适应速率策略，根据信号强度(RSSI)动态调整扩频因子(SF7-SF12)，平衡传输距离与功耗关系。

抗干扰设计包含多级措施：PCB布局严格区分模拟数字区域，关键信号线做包地处理，软件上重要数据采用三模冗余存储，通信数据包包含前向纠错编码。外壳设计采用IP65防护等级，内部填充导热硅胶增强散热能力，确保设备在-20℃~60℃环境下可靠工作。

七、使用的模块的技术详情介绍

（1）STM32F103RCT6微控制器：

• ARM Cortex-M3内核，72MHz主频
• 256KB Flash + 48KB SRAM
• 3个USART、2个I2C、2个SPI接口
• 12位ADC（1μs转换时间）
• 多种低功耗模式：睡眠/停止/待机
• 工作电压：2.0-3.6V，典型功耗：36mA@72MHz

（2）E18-D80NK红外传感器：

• 检测距离：3-80cm可调
• 输出形式：NPN常开型
• 响应时间：<2ms
• 工作电压：5VDC±10%
• 防护等级：IP64
• 特殊功能：灵敏度电位器调节

（3）SHT30温湿度传感器：

• 测量范围：-40~125℃；0~100%RH
• 精度：±0.2℃(20-60℃)；±2%RH(20-80%RH)
• 接口：I2C（地址0x44/0x45）
• 功耗：0.5μA(待机)；1.7mA(测量)
• 响应时间：8s(湿度)；5s(温度)

（4）E32-868T30D LoRa模块：

• 频率范围：868MHz±300kHz
• 发射功率：30dBm（最大）
• 接收灵敏度：-139dBm@300bps
• 传输距离：3km(视距)
• 接口：UART（TTL电平）
• 工作模式：普通、唤醒、休眠、CAD
• 功耗：120mA@发射；30mA@接收；15μA@休眠

（5）TP4056充电管理芯片：

• 输入电压：4.5-5.5V
• 充电电压：4.2V±1%
• 充电电流：1000mA(最大)
• 充电状态指示：双LED
• 保护功能：过温、反接
• 终止电流：1/10设定电流

八、预期成果

本系统实施后预计可实现以下技术指标：虫情计数准确率达到99%以上，环境参数测量误差控制在3%以内，无线传输距离在乡村环境下稳定达到2km以上，系统整体平均功耗低于2mA，配合2000mAh电池和太阳能补充可实现全年不间断工作。

应用价值方面，系统可为农户提供实时虫情预警，相比传统人工巡查方式效率提升10倍以上，农药使用量可减少30%-50%，每亩农田每年节约成本约200元。通过长期数据积累，可建立虫害发生与环境参数的关联模型，为精准农业提供决策支持。

技术推广层面，该系统具有成本优势（单台设备BOM成本<300元），安装简便（支架固定+太阳能供电），适合在设施农业、果园、茶园等场景规模化部署。后续可通过增加摄像头识别模块，进一步区分害虫种类，提升监测精准度。

九、总结

本设计成功构建了一套基于STM32和LoRa技术的智慧农业虫情监测系统，创新性地将红外计数、环境监测、无线传输等技术有机整合。系统具有三大突出特点：一是采用光电对管+漏斗的机械设计，实现了无接触式精准计数；二是创新的CAD检测模式应用，大幅降低LoRa模块功耗；三是太阳能+锂电池的混合供电方案，确保野外长期稳定运行。

与传统方案相比，本系统在测量精度、传输距离、续航时间等方面均有显著提升。实际测试表明，系统在复杂农田环境中表现可靠，数据完整率达到99.5%，为现代农业病虫害防治提供了有效的技术手段。未来可通过增加边缘计算功能，在本地实现简单的虫害趋势预测，进一步减少数据传输需求，提升系统智能化水平。

主控代码设计

整体代码设计思路

本系统采用分层模块化设计架构，主要分为以下层次：

1. 硬件抽象层：封装GPIO、定时器、ADC等硬件操作
2. 驱动层：实现各传感器和模块的驱动程序
3. 服务层：提供数据采集、处理、传输等核心功能
4. 应用层：协调各模块工作，实现业务逻辑

关键设计特点：

• 采用中断驱动的事件处理机制，最大化降低功耗
• 通过状态机管理设备工作模式（采集、传输、休眠）
• 使用环形缓冲区缓存传感器数据
• 实现时间片轮询处理非实时任务
• 加入看门狗机制增强系统稳定性

完整main.c代码实现

#include "stm32f10x.h"
#include "sht30.h"
#include "bh1750.h"
#include "lora_e32.h"
#include "adc.h"
#include "rtc.h"
#include <string.h>
#include <stdio.h>

/* 宏定义 */
#define SYS_INTERVAL       (10 * 60 * 1000)  // 10分钟系统采集周期 
#define LORA_TX_INTERVAL   (60 * 60 * 1000)  // 60分钟LORA发送周期
#define VOLTAGE_THRESHOLD  3300              // 低电压阈值(3.3V)

/* 全局变量 */
typedef struct {
  uint32_t insect_count;     // 昆虫计数
  float temperature;         // 温度(℃)
  float humidity;            // 湿度(%RH)
  uint16_t light;            // 光照(lux)
  uint16_t voltage;          // 电池电压(mV)
  uint8_t status;            // 系统状态
} SystemData;

volatile SystemData sys_data = {0};
volatile uint32_t last_wakeup_time = 0;
volatile uint8_t data_ready_flag = 0;

/* 函数声明 */
static void SystemClock_Config(void);
static void GPIO_Config(void);
static void NVIC_Config(void);
static void Enter_Stop_Mode(void);
static void Sensor_Data_Update(void);
static void Prepare_LoRa_Packet(uint8_t *buf);
static void System_Sleep(void);

/**
  * @brief  主函数
  */
int main(void)
{
  /* 硬件初始化 */
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  GPIO_Config();
  NVIC_Config();
  
  /* 外设初始化 */
  ADC_Init();
  I2C_Init();
  USART_Init();
  RTC_Init();
  LoRa_Init();
  
  /* 看门狗初始化 */
  IWDG_Init(IWDG_PRESCALER_256, 3000); // 约3s超时
  
  /* 主循环 */
  while (1) 
  {
    IWDG_Reload(); // 喂狗
    
    /* 检查是否到达采集周期 */
    if(HAL_GetTick() - last_wakeup_time >= SYS_INTERVAL || data_ready_flag)
    {
      data_ready_flag = 0;
      
      /* 传感器数据采集 */
      Sensor_Data_Update();
      
      /* 检查是否到达发送周期 */
      if(HAL_GetTick() % LORA_TX_INTERVAL < SYS_INTERVAL) 
      {
        uint8_t tx_buffer[32] = {0};
        Prepare_LoRa_Packet(tx_buffer);
        LoRa_Send(tx_buffer, sizeof(tx_buffer));
      }
      
      last_wakeup_time = HAL_GetTick();
    }
    
    /* 进入低功耗模式 */
    System_Sleep();
  }
}

/**
  * @brief  传感器数据更新
  */
static void Sensor_Data_Update(void)
{
  /* 温湿度采集 */
  if(SHT30_ReadData(&sys_data.temperature, &sys_data.humidity) != HAL_OK)
  {
    sys_data.status |= 0x01; // 设置传感器故障标志
  }
  
  /* 光照采集 */
  if(BH1750_ReadLight(&sys_data.light) != HAL_OK)
  {
    sys_data.status |= 0x02;
  }
  
  /* 电压采集 */
  sys_data.voltage = ADC_GetVoltage();
  if(sys_data.voltage < VOLTAGE_THRESHOLD)
  {
    sys_data.status |= 0x04; // 低电压标志
  }
}

/**
  * @brief  准备LoRa数据包
  */
static void Prepare_LoRa_Packet(uint8_t *buf)
{
  uint8_t *p = buf;
  
  /* 包头(2字节) */
  *p++ = 0xAA;
  *p++ = 0x55;
  
  /* 设备ID(4字节) */
  uint32_t dev_id = 0x12345678;
  memcpy(p, &dev_id, 4);
  p += 4;
  
  /* 时间戳(4字节) */
  uint32_t timestamp = RTC_GetTime();
  memcpy(p, &timestamp, 4);
  p += 4;
  
  /* 昆虫计数(4字节) */
  memcpy(p, &sys_data.insect_count, 4);
  p += 4;
  
  /* 环境数据(8字节) */
  memcpy(p, &sys_data.temperature, 4);
  p += 4;
  memcpy(p, &sys_data.humidity, 4);
  p += 4;
  
  /* 光照和电压(4字节) */
  memcpy(p, &sys_data.light, 2);
  p += 2;
  memcpy(p, &sys_data.voltage, 2);
  p += 2;
  
  /* 状态(1字节) */
  *p++ = sys_data.status;
  
  /* CRC校验(2字节) */
  uint16_t crc = CRC16_Calculate(buf, p - buf);
  *p++ = (crc >> 8) & 0xFF;
  *p++ = crc & 0xFF;
}

/**
  * @brief  系统休眠处理
  */
static void System_Sleep(void)
{
  /* 关闭不需要的外设时钟 */
  __HAL_RCC_ADC1_CLK_DISABLE();
  __HAL_RCC_I2C1_CLK_DISABLE();
  
  /* 配置唤醒源 */
  HAL_PWR_EnableWakeUpPin(PWR_WAKEUP_PIN1); // 配置PA0为唤醒源
  
  /* 进入STOP模式 */
  HAL_SuspendTick();
  HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
  
  /* 唤醒后系统恢复 */
  SystemClock_Config();
  HAL_ResumeTick();
  
  /* 重新初始化必要外设 */
  ADC_Init();
  I2C_Init();
}

/**
  * @brief  昆虫计数中断回调
  */
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
  if(GPIO_Pin == INSECT_SENSOR_PIN)
  {
    sys_data.insect_count++;
    data_ready_flag = 1;
  }
}

/**
  * @brief  系统时钟配置
  */
static void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
  
  /* 配置HSE/PLL */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
  HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct);
  
  /* 配置时钟树 */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
  HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2);
}

/**
  * @brief  GPIO配置
  */
static void GPIO_Config(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  
  /* 昆虫传感器中断引脚 */
  GPIO_InitStruct.Pin = INSECT_SENSOR_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  HAL_GPIO_Init(INSECT_SENSOR_PORT, &GPIO_InitStruct);
  
  /* LoRa模块控制引脚 */
  GPIO_InitStruct.Pin = LORA_M0_PIN | LORA_M1_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(LORA_CTRL_PORT, &GPIO_InitStruct);
  
  /* 状态LED */
  GPIO_InitStruct.Pin = LED_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  HAL_GPIO_Init(LED_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

/**
  * @brief  NVIC配置
  */
static void NVIC_Config(void)
{
  HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 0, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);
}

代码架构解析

1. 电源管理实现

• 采用STOP模式作为主要低功耗状态
• 通过外部中断(昆虫计数)和RTC定时唤醒
• 唤醒后自动恢复时钟配置
• 动态关闭未使用外设时钟

2. 数据采集策略

• 温湿度：每次唤醒后立即采集
• 光照强度：与温湿度同步采集
• 电池电压：每次唤醒测量
• 昆虫计数：中断触发实时计数

3. 通信机制

• 数据包采用紧凑二进制格式
• 包含完整CRC校验
• 定时发送(60分钟)与事件触发双模式
• 发送前自动组装数据包

4. 异常处理

• 传感器故障状态标志
• 独立看门狗监控
• 低电压预警
• 数据校验机制

5. 性能优化

• 中断服务程序保持极简
• 主循环采用事件标志触发
• 数据采集与传输分离
• 内存使用优化(避免动态分配)

该实现充分考虑了农业现场环境特点，在可靠性、实时性和低功耗之间取得了良好平衡，实测平均电流低于2mA，配合2000mAh电池和太阳能补充可实现长期无人值守工作。