基于NB-IOT的泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計

第1章緒論1.1研究目的及意義泥石流災(zāi)害會對我們國家的經(jīng)濟(jì)造成非常大的損失，也有可能會導(dǎo)致人員的傷亡，那么準(zhǔn)確的預(yù)防泥石流災(zāi)害的發(fā)生就有可能會減少一定的損失，所以說泥石流災(zāi)害的預(yù)防現(xiàn)在已經(jīng)被社會各界重視，現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的越來越快，那么我們就可以借助于傳感器來對降水量進(jìn)行實時的監(jiān)控，這樣就能夠判斷是否會發(fā)生泥石流，然后做出相應(yīng)的預(yù)防措施。我們國家對于泥石流的研究水平還是非常高的，已經(jīng)對不同危害的特點建立起來了，相關(guān)的配套技術(shù)，不過泥石流的形成條件以及它的運(yùn)動規(guī)律都是非常復(fù)雜的，而且我們國家對于泥石流研究的歷史也不是特別的長，因此，還需要我們對泥石流災(zāi)害進(jìn)行更加深入的研究，這樣才能夠達(dá)到國家減災(zāi)的具體要求?，F(xiàn)在我們國家對于泥石流防治工作存在著一些比較棘手的問題，這些問題主要就是泥石流預(yù)測預(yù)報精度比較低，可以提升的空間還是非常大的，而且泥石流預(yù)防工作人員計算的結(jié)果和實際差異比較大，因此需要工作人員不斷的進(jìn)行經(jīng)驗的總結(jié)，提升自我技能，還有一個問題，就是最近一段時間，我們國家才對泥石流災(zāi)害風(fēng)險分析引起足夠的重視，因此需要繼續(xù)加強(qiáng)對于泥石流災(zāi)害風(fēng)險的分析，建立起具體的防范方案。所以本課題研究的內(nèi)容為基于NB-IOT的泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計。以此來降低事故發(fā)生的頻率。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀這么多年來國內(nèi)外很多學(xué)者對此領(lǐng)域進(jìn)行研究。在國內(nèi)，在2011年，夏巍等人的《基于意外建模的山洪泥石流災(zāi)害監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)》研究中針對山洪泥石流災(zāi)害的具體特點，我們會運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來對泥石流災(zāi)害的信息進(jìn)行實時監(jiān)測，并且傳送監(jiān)測的信息，這樣才能夠解決掉傳輸困難的問題。因為山洪泥石流災(zāi)害形成機(jī)理是非常復(fù)雜的，所以說我們現(xiàn)在的山洪泥石流預(yù)警還缺少一定的系統(tǒng)支持，那么為了解決這個問題，我們就可以運(yùn)用建模的辦法，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動來做出山洪泥石流預(yù)警[1]。在2017年周華在《基于機(jī)器視覺的降雨量液位測量系統(tǒng)研究》中闡述液位檢測在生產(chǎn)中有著廣泛的需求[2],傳統(tǒng)的液位測量方式對于空間有著非常高的要求，而且它的智能化程度也不是特別的高[3]?；跈C(jī)器視覺原理，我們提出了降雨量液位測量系統(tǒng)，然后借助于CCD相機(jī)就可以收集到降雨量的液位圖像，然后借助于計算機(jī)的圖像處理，就能夠了解到具體的水量情況。通過多次實驗，我們能夠發(fā)現(xiàn)降雨量液位測量系統(tǒng)安裝標(biāo)定非常的方便，并且他可以在一段時間內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定的工作。在2021年張廣萍發(fā)表的《NB-IOT技術(shù)在我國水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用分析》提到NB-IOT即窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),具有范圍廣、功耗低、連接多、成本低的特點。通過搭建水環(huán)境自動監(jiān)測平臺、智能無線傳感平臺和遠(yuǎn)程綜合測控平臺,能夠?qū)崿F(xiàn)水環(huán)境指標(biāo)參數(shù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)測成果展示等功能,在智能水表、智能管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中已有成功應(yīng)用案例,值得進(jìn)一步推廣、研究。在國外，2020年SufyanMuhammad的團(tuán)隊在《MicrocontrollerBasedWaterMeasurementLevelPrototypeUsingFuzzyLogicMethod》研究旨在通過實現(xiàn)模糊邏輯,設(shè)計一種基于單片機(jī)的濁度水檢測儀原型。它可以發(fā)送實時報告,以后將在馬拉巴漢市PDAM使用。濁度測量階段包括啟動、I/O初始化、讀取對象濁度傳感器、模糊邏輯、讀取濁度水平、停止。本研究的結(jié)果是,研制的樣機(jī)能夠讀取水的濁度水平,并能發(fā)出實時報告。建議進(jìn)一步研制濁度傳感器,采用其他不僅能讀出濁度水平,而且還能讀出pH值的元件,并可與其他方法配合研制,以便能讀出更尖銳的數(shù)據(jù)精度。2021年P(guān)ozzebonAlessandro在《LoPATraN:LowPowerAssetTrackingbyMeansofNarrowBandIoT(NB-IOT)Technology.》一文中提出了窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IOT)通信標(biāo)準(zhǔn)以及其在保證普適性和廣覆蓋的同時限制功耗的能力,在物聯(lián)網(wǎng)的大背景下得到了迅猛的發(fā)展。因此,在相當(dāng)多的應(yīng)用中,它是一項寶貴的技術(shù)。除了傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集目的(LPWAN)外,NB-IOT還可以在特定的空間中挖掘出低延遲、低功耗、高數(shù)據(jù)速率和無處不在的覆蓋范圍。NB-IOT的長期跟蹤和傳輸數(shù)據(jù)無疑是屬于這樣的領(lǐng)域,尤其是NB-IOT可以成為替代傳統(tǒng)的全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem,GPS)系統(tǒng)或支持其發(fā)展的一個有價值的選擇。為此,本文提出了一種基于GPS和NB-IOT兩種賦能技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸與跟蹤的系統(tǒng)原型。雖然位置傳輸總是通過NB-物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的,但它可以通過使用GPS(像標(biāo)準(zhǔn)跟蹤器一樣)或NB-物聯(lián)網(wǎng)(從而建立一種無GPS的方法)來獲取。因此,安排了兩種定位技術(shù)：前者精確但功率大,后者粗略但功率小。這樣的工作原理,在盡可能多的行程中,通過兩次道路試驗,成功地在現(xiàn)場進(jìn)行了試驗。測試結(jié)果與兩個工作原理的預(yù)期一致,因為更細(xì)的工作原理提供了更準(zhǔn)確的跟蹤。此外,還進(jìn)行了消耗分析,以評估原型的壽命。最后,進(jìn)行了跟蹤誤差評估的試驗,因為跟蹤誤差強(qiáng)烈的依賴于NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)信號塔的地理部署。1.3章節(jié)安排及內(nèi)容第1章緒論，主要講解研究目的、研究意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及章節(jié)安排。第2章系統(tǒng)總體設(shè)計，講解了設(shè)計方案、功能需求以及單片機(jī)型號的選擇。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計，介紹了系統(tǒng)的各個部分的硬件設(shè)計以及原理圖。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計，介紹了系統(tǒng)的總體流程和各模塊的軟件設(shè)計及流程。第5章系統(tǒng)測試，講解了系統(tǒng)完成后的實物功能演示以及測試。第2章系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2.1設(shè)計方案本課題研究的內(nèi)容為基于NB-IOT的泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計。該套系統(tǒng)大體由雨水模塊、振動模塊、水流量模塊、STM32單片機(jī)、NB-IOT模塊、語音模塊等硬件組成；采用STM32單片機(jī)技術(shù)將水流量模塊、雨水模塊、振動模塊采集到的參數(shù)進(jìn)行處理并通過NB-IOT通信的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)設(shè)置閾值并將從下位機(jī)接收的數(shù)據(jù)顯示，如果降水量異常或降水速度異?；蛏襟w振動頻率異?；蚝铀髁慨惓；蚝铀划惓?，語音預(yù)警，發(fā)送上位機(jī)警告信號。圖2-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖2.2單片機(jī)型號選擇方案一：AT89C51和AT89C52是基于MCS8051架構(gòu)的微控制器系列。AT89C51與AT89C52具有相似的架構(gòu)和特點，因此他們的優(yōu)缺點也是相似的。AT89C52是基于8051系列的微控制器，這個系列在市場上已經(jīng)存在很長時間，并且有著成熟的技術(shù)基礎(chǔ)。這意味著AT89C52的設(shè)計和開發(fā)工具已經(jīng)經(jīng)過驗證和改進(jìn)，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。AT89C52的制造成本相對較低，這使得它成為一種經(jīng)濟(jì)實惠的選擇。對于一些資源有限的項目或者對成本敏感的應(yīng)用場景，AT89C52是一個吸引人的選擇。由于AT89C52是基于8051系列的微控制器，它有廣泛的支持和社區(qū)資源。這包括開發(fā)工具、軟件庫、示例代碼以及各種文檔和教程。這些資源可以幫助開發(fā)人員更容易地開始使用AT89C52并解決問題。AT89C52在資源消耗方面表現(xiàn)出色。它需要較少的存儲器和處理器資源來運(yùn)行程序，這對于一些資源有限的應(yīng)用場景非常有益。AT89C52可能具有稍微更大的存儲容量。這意味著AT89C52能夠存儲更多的程序代碼和數(shù)據(jù)，適用于一些需要較大存儲空間的應(yīng)用。但是，AT89C52也存在一些明顯的缺點，AT89C52屬于8位單片機(jī)，處理速度較慢，在某些高性能應(yīng)用中可能無法滿足需求。存儲器容量較小，無法存儲大型程序和數(shù)據(jù)，需要外部存儲器的支持。缺少一些高級功能，如分立數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）等，需要外部器件的支持。需要外部晶振來提供時鐘信號，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。方案二：STM32微控制器具有更強(qiáng)大的處理器性能和計算能力。它們通常配備了更快的處理器核心、更大的內(nèi)存和高效的外設(shè)，可以處理更復(fù)雜的任務(wù)和數(shù)據(jù)處理需求。豐富的外設(shè)接口和功能模塊：STM32微控制器提供了廣泛的外設(shè)接口和功能模塊，如通信接口（UART、SPI、I2C等）、模擬輸入/輸出、定時器/計數(shù)器、PWM控制等。這些功能模塊可以滿足各種應(yīng)用的需求，并提供更大的靈活性和擴(kuò)展性。STM32具有更大的存儲容量，相比之下，STM32微控制器通常具有更大的存儲容量，包括閃存和RAM。這使得它們能夠容納更大規(guī)模的程序代碼和數(shù)據(jù)。STM32還具有先進(jìn)的開發(fā)工具和生態(tài)系統(tǒng)，STM32擁有現(xiàn)代化的開發(fā)工具和生態(tài)系統(tǒng)，包括集成開發(fā)環(huán)境（IDE）、調(diào)試器、仿真器、文檔和技術(shù)支持等。這些工具和資源可以加速開發(fā)過程并提供更好的開發(fā)體驗。然而，與AT89C52和AT89C51相比，STM32比AT89C52內(nèi)置閃存更大，具有大量的I/O管腳和外設(shè)，支持更高級的功能，可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制和數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。綜上所述，本設(shè)計選擇STM32單片機(jī)，它相較AT89C51和AT89C52具有更高的性能和更廣泛的應(yīng)用需求。它能夠處理復(fù)雜任務(wù)、支持大規(guī)模程序和數(shù)據(jù)處理，并提供先進(jìn)的開發(fā)工具和生態(tài)系統(tǒng)。圖2-2單片機(jī)引腳圖2.3通信模塊型號選擇在選擇通信模塊型號時，需要綜合考慮應(yīng)用需求、通信距離、功耗、成本和可靠性等因素。常見的2.4通信模塊型號包括NRF24L01、CC2530、ESP8266、SIM800和HC-05等。每個型號都有其獨(dú)特的特點和適用場景，因此根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行評估和選擇。方案一：ZigBee是一種低功耗、自組網(wǎng)能力強(qiáng)且具備高可靠性的無線通信技術(shù)。它適用于需要低功耗和自動路由能力的應(yīng)用場景，具備節(jié)點休眠模式來延長電池壽命。此外，ZigBee具備強(qiáng)大的干擾抵抗能力，能夠在復(fù)雜的無線環(huán)境下提供穩(wěn)定的通信連接。但是ZigBee也存在一些缺點，傳輸速率低，它的數(shù)據(jù)傳輸速率只有20~250kb/s,它的傳輸距離較近只有10~100m之間點對點通信，大范圍覆蓋需要在router設(shè)備中轉(zhuǎn)實現(xiàn)。方案二：WiFi是一種廣泛應(yīng)用且具備高速數(shù)據(jù)傳輸能力的無線通信技術(shù)。它適用于需要高帶寬和遠(yuǎn)程連接的應(yīng)用場景，具備易于配置和使用的特點。WiFi擁有成熟的設(shè)備和軟件生態(tài)系統(tǒng)，可以方便地連接到現(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡(luò)。有這些優(yōu)點的同時，也存在一些缺點，大多數(shù)開放的WiFi網(wǎng)絡(luò)連接起來都不安全，公共WiFi網(wǎng)絡(luò)最容易受到黑客攻擊。WiFi設(shè)備運(yùn)行的常用頻率是2.4GHz，由于和WiFi源之間存在其他電磁裝置或墻壁，從而也就會受到干擾，那么這種信號問題就有可能會讓連接出現(xiàn)問題，也有可能讓信號強(qiáng)度減弱，進(jìn)而就會讓速度降低下來，那么如果出現(xiàn)了這種情況，還要傳輸比較大的文件是非常危險的，在這種情況之下，數(shù)據(jù)也有可能會被破壞掉。方案三：NB-IOT（NarrowbandInternetofThings）是一種針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計的低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)。它具備以下優(yōu)點：低功耗、廣域覆蓋、較低的通信模塊成本和長距離通信能力。NB-IOT適用于低功耗要求較高且需要長距離通信覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，例如智能城市、智能農(nóng)業(yè)和智能交通等領(lǐng)域。因為其低功耗、廣域覆蓋和長距離通信能力，以及較低的通信模塊成本。對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，低功耗是至關(guān)重要的，能夠延長設(shè)備的電池壽命或?qū)崿F(xiàn)長期供電。同時，NB-IOT的廣域覆蓋能力使得設(shè)備可以在較大范圍內(nèi)進(jìn)行通信，適用于遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。此外，NB-IOT通信模塊的成本相對較低，降低了整體系統(tǒng)的開發(fā)和部署成本。圖2-3NB-IOT通信模塊實物圖第3章系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計3.1系統(tǒng)總體設(shè)計本課題研究的內(nèi)容為基于NB-IOT的泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計。該套系統(tǒng)大體由雨水模塊、振動模塊、水流量模塊、STM32單片機(jī)、NB-IOT模塊、語音模塊等硬件組成；采用STM32單片機(jī)技術(shù)將水流量模塊、雨水模塊、振動模塊采集到的參數(shù)進(jìn)行處理并通過NB-IOT通信的方式傳到上位機(jī)，上位機(jī)設(shè)置閾值并將從下位機(jī)接收的數(shù)據(jù)顯示，如果降水量異?；蚪邓俣犬惓；蛏襟w振動頻率異常或河水水流量異?；蚝铀划惓?，語音預(yù)警，發(fā)送上位機(jī)警告信號。圖3-1系統(tǒng)總體原理圖3.2系統(tǒng)的主要功能模塊設(shè)計3.2.1水位檢測模塊設(shè)計WaterSensor水位傳感器是由深圳的一家公司研制出來的傳感器，他非常的小巧輕便，而且操作起來也非常的簡單，性價比還是比較高的，這個傳感器的工作原理就是通過平行導(dǎo)線來測量水量，如果要和國外的那些傳感器進(jìn)行比較的話，他最大的優(yōu)點就是體積小，并且功能也比較強(qiáng)，設(shè)計非常的巧妙，而且他也有下面這些特點：首先第一個特點就是水量到模擬量的轉(zhuǎn)換，第二個特點就是它的可塑性是非常強(qiáng)的，第三個特點就是消耗的功率非常的低，具有比較高的靈敏度，最后一個特點就是它能夠和微處理器進(jìn)行直接相連，能夠適用于各種控制器。圖3-2水位檢測模塊原理圖3.2.2振動傳感器模塊設(shè)計振動傳感器也稱測振器或測振儀。他最大的作用就是接受被測對象的機(jī)械振動量，然后把這種機(jī)械振動量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，把它轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行輸出，如果要從能量的角度來看的話，振動傳感器能夠把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽鋵嵥谋举|(zhì)上就是一個換能器。測振傳感器的重要性表現(xiàn)在它接收和轉(zhuǎn)換機(jī)械量的過程中，所能達(dá)到的可靠程度，這將決定著后續(xù)分析結(jié)果的正確性，因為對于一個錯誤信號的分析，實際上是毫無意義的，甚至是有害的?，F(xiàn)場振動測試運(yùn)用的傳感器是分為四種的，每一種傳感器的頻響特性都是固定的，他們的這些特性就決定了他的工作范圍，如果說我們選擇的傳感器超過了一定的限度，那么所得到的數(shù)據(jù)就會產(chǎn)生很大的誤差。圖3-3振動傳感器模塊原理圖3.2.3語音模塊設(shè)計BY8001-16P是高品質(zhì)的插卡MP3模塊，他是由深圳市百為電子科技有限公司研發(fā)出來的，采用BY8001-QSOP24MP3主控芯片，支持MP3、WAV格式雙解碼。在整個模塊內(nèi)部存在著TF卡座，這樣就能夠進(jìn)行語音內(nèi)容的轉(zhuǎn)換；他也可以外部連接U盤或者是USB數(shù)據(jù)線，這樣也能夠?qū)崿F(xiàn)TF內(nèi)容的更換。整個模塊內(nèi)部還有3W功放，這樣我們就可以直接驅(qū)動這個喇叭使用起來也是非常方便的，與此同時它還支持MP3和WAV高品質(zhì)音頻格式的文件，聽起來聲音也是非常美妙的。24位DAC輸出，動態(tài)范圍支持90dB，信噪比支持85dB。支持15段語音一對一觸發(fā)播放，3IO口硬件選擇8種觸發(fā)方式，應(yīng)用更廣泛。支持UART異步串口控制：支持播放、暫停、上下曲、音量加減、選曲播放、廣告插播等。內(nèi)置音量、曲目、EQ掉電記憶功能。配置TF(MicroSD)卡座，可插卡更換語音內(nèi)容，最大支持32G內(nèi)存卡。支持讀取U盤，最大支持32G；也可通過USB數(shù)據(jù)線直接更換TF里面內(nèi)容。自帶3W的功放，直接外接喇叭即可完成播放；客戶也可外接單、雙通道功放。標(biāo)準(zhǔn)2.54mm間距DIP16排針封裝，小巧美觀。本模塊有五個觸發(fā)IO口，最多支持15段按鍵一對一觸發(fā)播放?？赏ㄟ^3個IO口經(jīng)過3.3K電阻接地或不接來進(jìn)行8種控制模式選擇，適合多種應(yīng)用場合。BY8001內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)UART異步串口接口，屬于3.3VTTL電平接口。可通過MAX3232芯片轉(zhuǎn)換成RS232電平。通訊數(shù)據(jù)格式是：起始位：1位；數(shù)據(jù)位：8位；奇偶位：無；停止位：1位。使用電腦串口調(diào)試助手，需要正確設(shè)置串口的參數(shù)。圖3-4語音模塊原理圖3.2.4NB-IOT模塊設(shè)計NB-IOT（NarrowBandInternetofThings）是一種低功耗寬域網(wǎng)技術(shù)，適用于在廣泛區(qū)域內(nèi)需要大量設(shè)備通信的場景。其特點包括深度覆蓋、低功耗、多連接以及低成本。NB-IOT模塊設(shè)計的目標(biāo)是使設(shè)備能夠使用NB-IOT技術(shù)進(jìn)行通信。NB-IOT模塊需要有一個無線射頻接口，以與基站進(jìn)行通信。這可能需要一個射頻前端，一個射頻收發(fā)器，以及一個基帶處理單元。NB-IOT模塊需要有一定的處理能力，以處理來自傳感器或其他設(shè)備的數(shù)據(jù)，以及進(jìn)行必要的協(xié)議棧處理。這通常需要一個微控制器或者處理器。NB-IOT模塊需要有一定的接口，以連接到其他設(shè)備或傳感器。這可能包括數(shù)字接口（如SPI、I2C、UART等）、模擬接口、GPIO等。根據(jù)應(yīng)用需求，NB-IOT模塊可能需要有特定的封裝和尺寸設(shè)計。例如，對于便攜設(shè)備或者嵌入式設(shè)備，可能需要更小的尺寸和更輕的重量。在設(shè)計完成后，NB-IOT模塊需要進(jìn)行各種測試，包括通信性能測試、功耗測試、環(huán)境適應(yīng)性測試等，以確保其滿足設(shè)計要求和應(yīng)用需求。圖3-5NB-IOT模塊原理圖3.2.5水流量模塊設(shè)計泥石流災(zāi)害報警系統(tǒng)中的水流量模塊是一個關(guān)鍵組件，它被設(shè)計來監(jiān)測和記錄流水的速度和體積。這些數(shù)據(jù)是預(yù)警系統(tǒng)的重要輸入，可以幫助系統(tǒng)檢測到潛在的泥石流事件。水流量模塊通常由以下幾部分組成：YF-S201水流量傳感器：傳感器是測量流量的關(guān)鍵設(shè)備，通常安裝在河流或溪流中。流量傳感器有多種類型，例如超聲波流量計。數(shù)據(jù)處理單元：數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)接收來自傳感器的原始數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為可用的信息。它需要將傳感器讀數(shù)轉(zhuǎn)化為流速或流量。通信接口：通信接口允許數(shù)據(jù)處理單元將信息傳輸?shù)街醒肟刂茊卧蛑苯由蟼鞯皆贫?。這可能通過有線連接，或者更常見的無線連接（如NB-IOT）實現(xiàn)。電源：水流量模塊需要穩(wěn)定的電源才能正常運(yùn)行。這可能來自于電網(wǎng)，或者在偏遠(yuǎn)地區(qū)，可能需要采用太陽能電池板或其他可再生能源。在泥石流災(zāi)害報警系統(tǒng)中，水流量模塊需要持續(xù)監(jiān)測流水狀況。在雨季或者有大量降水的情況下，流水體積的急劇增加可能預(yù)示著潛在的泥石流事件。此時，系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)定的閾值發(fā)出報警，以便及時進(jìn)行疏散和應(yīng)急響應(yīng)。圖3-6水流量模塊原理圖

第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1軟件主流程圖采用STM32單片機(jī)技術(shù)將水流量模塊、雨水模塊、振動模塊采集到的參數(shù)進(jìn)行處理并通過NB-IOT通信的方式上到上位機(jī)，上位機(jī)設(shè)置閾值并將從下位機(jī)接收的數(shù)據(jù)顯示，如果異常，語音預(yù)警，發(fā)送上位機(jī)警告信號。采用C語言作為編程開發(fā)語言，應(yīng)用模塊化的程序結(jié)構(gòu)編寫系統(tǒng)主程序，將各個模塊組合在一起，能夠整體的功能，我們運(yùn)用這個單片機(jī)來當(dāng)做是主控芯片，他主要負(fù)責(zé)的就是整個系統(tǒng)的運(yùn)行，而且也能夠讓各個模塊之間的通信保持非常的通暢，能夠讓整個系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來。圖4-1整體流程圖4.2山體振動監(jiān)測模塊的軟件設(shè)計當(dāng)全部系統(tǒng)軟件通電時可以實時監(jiān)測山體振動信號，當(dāng)振動超過預(yù)設(shè)值后，會引發(fā)蜂鳴器語音報警，以此來預(yù)警提示山體振動頻率超出預(yù)設(shè)值，可能會引發(fā)泥石流，提示人們進(jìn)行防范。圖4-2山體振動監(jiān)測模塊的軟件設(shè)計流程圖4.3水位監(jiān)測模塊軟件的設(shè)計當(dāng)全部系統(tǒng)通電時，開始實時監(jiān)測水位變化，當(dāng)水位變化超過預(yù)設(shè)值時，會引發(fā)蜂鳴器語音報警,以此來預(yù)警提示水位超出預(yù)設(shè)值，可能會引發(fā)泥石流，提示人們進(jìn)行防范。水位監(jiān)測模塊軟件的設(shè)計主要涉及數(shù)據(jù)采集、處理和展示等功能的實現(xiàn)。配置水位監(jiān)測模塊的傳感器接口，使其能夠連接和采集水位數(shù)據(jù)。設(shè)計采集算法，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性。定義數(shù)據(jù)采集周期，定時采集水位數(shù)據(jù)。在水位監(jiān)測模塊軟件的設(shè)計過程中，需要考慮數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實時性和可靠性。整體而言，水位監(jiān)測模塊軟件的設(shè)計旨在實現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的采集、處理和展示功能，以滿足水位監(jiān)測系統(tǒng)的需求。圖4-3水位變化監(jiān)測模塊軟件設(shè)計流程圖4.4流量監(jiān)測模塊軟件的設(shè)計當(dāng)全部系統(tǒng)軟件通電時，開始實時監(jiān)測流量變化，當(dāng)流量變化超過預(yù)設(shè)值時，會引發(fā)蜂鳴器語音報警，以此來預(yù)警提示水流量超出預(yù)設(shè)值，可能會引發(fā)泥石流，提示人們進(jìn)行防范。流量監(jiān)測模塊軟件的設(shè)計主要涉及數(shù)據(jù)采集、處理和展示等功能的實現(xiàn)。配置流量監(jiān)測模塊的傳感器接口，使其能夠連接和采集流量數(shù)據(jù)。定義數(shù)據(jù)采集周期，定時采集流量數(shù)據(jù)。設(shè)計用戶界面，用于展示流量監(jiān)測數(shù)據(jù)和相關(guān)信息。流量監(jiān)測模塊軟件的設(shè)計旨在實現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的采集、處理和展示功能，以滿足流量監(jiān)測系統(tǒng)的需求。圖4-4流量變化監(jiān)測模塊軟件設(shè)計流程圖4.5NB-IOT模塊軟件的設(shè)計采用STM32單片機(jī)技術(shù)將水流量模塊、雨水模塊、振動模塊采集到的參數(shù)進(jìn)行處理并通過NB-IOT通信的方式上到上位機(jī)，上位機(jī)設(shè)置閾值并將從下位機(jī)接收的數(shù)據(jù)顯示。NB-IOT模塊軟件的設(shè)計主要涉及與上位機(jī)通信、數(shù)據(jù)采集與處理以及預(yù)警功能的實現(xiàn)。建立與上位機(jī)的NB-IOT連接，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，定義數(shù)據(jù)格式和通信方式。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和接收功能，包括數(shù)據(jù)打包、解包和傳輸過程的處理。配置NB-IOT模塊的傳感器接口，使其能夠連接和采集各個傳感器的數(shù)據(jù)。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，判斷是否觸發(fā)預(yù)警。觸發(fā)預(yù)警時，通過NB-IOT模塊發(fā)送警報信息至上位機(jī)，并觸發(fā)其他相應(yīng)的預(yù)警措施，如蜂鳴器示警、屏幕顯示等。圖4-5NB-IOT通信模塊軟件設(shè)計流程圖

第5章系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)實物圖利用STM32單片機(jī)技術(shù)，對水流量模塊、雨水模塊和振動模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過NB-IOT通信將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。上位機(jī)設(shè)置了預(yù)警的閾值，并將從下位機(jī)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和分析。因此，該設(shè)計是一種基于NB-IOT的泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，意在降低泥石流事故的發(fā)生頻率，保護(hù)人民的生命財產(chǎn)安全。圖5-1系統(tǒng)完整實物圖5.2監(jiān)測模式測試（1）通信監(jiān)測：將系統(tǒng)通電后，登錄上位機(jī)ONENET平臺，檢查NB-IOT模塊是否能將上位機(jī)和下位機(jī)建立起網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，檢測能否互相通信。正常通信時，設(shè)備為在線狀態(tài)。圖5-2上位機(jī)監(jiān)測下位機(jī)信號圖（2）上位機(jī)能夠準(zhǔn)確檢測到下位機(jī)傳來的信號并顯示數(shù)據(jù)的變化，如圖5-3所示。同時可以顯示完整的系統(tǒng)模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)如圖5-4所示。圖5-3上位機(jī)接受下位機(jī)數(shù)據(jù)變化圖圖5-4系統(tǒng)上位機(jī)接收完整數(shù)據(jù)圖（3）水位監(jiān)測：系統(tǒng)通電后，將雨水模塊放入水杯中，模擬下雨環(huán)境，雨水模塊將采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過STM32單片機(jī)處理和存儲數(shù)據(jù)，通過NB-IOT模塊，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)，如圖5-6和5-7所示。圖5-5模擬降雨環(huán)境圖圖5-6降水量表針顯示實物圖圖5-7水位表針顯示實物圖（4）振動監(jiān)測：系統(tǒng)通電后，用小棒敲擊振動傳感器，模擬山體振動，振動傳感器把接受的信號經(jīng)過STM32單片機(jī)處理和存儲，通過NB-IOT通信模塊，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。圖5-8模擬山體振動圖（5）上位機(jī)顯示傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。表盤指針發(fā)生變化。系統(tǒng)成功采集和處理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)顯示。如圖5-9所示。圖5-9振動頻率表針顯示實物圖（6）水流監(jiān)測：系統(tǒng)通電后，用吹氣的方式，模擬水流帶動水流傳感器中的水流轉(zhuǎn)子組件轉(zhuǎn)動，從而水流傳感器工作，水流傳感器把接受的信號經(jīng)過STM32單片機(jī)處理和存儲，通過NB-IOT通信模塊，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。圖5-10模擬水流圖（7）上位機(jī)顯示傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。表盤指針發(fā)生變化。系統(tǒng)成功采集和處理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)顯示。如圖所示。圖5-11系統(tǒng)流量表針顯示實物圖圖5-12降水速度表針顯示實物圖（8）閾值設(shè)置監(jiān)測：在上位機(jī)中設(shè)置不同的預(yù)警閾值。將降水量閾值設(shè)為1000，水位閾值設(shè)為2000，振動頻率閾值設(shè)為300，流量閾值設(shè)為300，降水速度設(shè)為1000，向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)成功發(fā)送，并且下位機(jī)接受到上位機(jī)發(fā)送的設(shè)置閾值，進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)，將數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。如圖所示。圖5-13系統(tǒng)閾值設(shè)置顯示實物圖圖5-14上位機(jī)接受反饋數(shù)據(jù)圖綜上所述，基于NB-IOT的泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計在測試中表現(xiàn)良好，所有功能均正常運(yùn)行。系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確采集各個模塊的數(shù)據(jù)，并通過NB-IOT通信將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。上位機(jī)能夠成功設(shè)置閾值并根據(jù)數(shù)據(jù)判斷是否觸發(fā)預(yù)警。系統(tǒng)具備及時預(yù)警的能力，能夠有效地預(yù)警泥石流災(zāi)害，測試結(jié)果證明該設(shè)計的可靠性和實用性，能夠有效預(yù)測泥石流事故的發(fā)生，提高應(yīng)急響應(yīng)能力。

第6章總結(jié)與展望6.1總結(jié)泥石流災(zāi)害對人類社會造成了嚴(yán)重的威脅，因此有效的預(yù)警系統(tǒng)對于減少損失具有重要意義。傳統(tǒng)的泥石流預(yù)警方法存在一些局限性，如覆蓋范圍狹窄、實時性差等?；贜B-IOT的泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)通過利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)廣域覆蓋和實時監(jiān)測，具有廣闊的應(yīng)用前景?；贜B-IOT的泥石流災(zāi)害的預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計，詳細(xì)的介紹了如何應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對泥石流災(zāi)害進(jìn)行提前的預(yù)防。系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點、NB-IOT通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理與分析模塊、預(yù)警決策與發(fā)布模塊等組成部分。傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，如降雨量、土壤濕度、地表位移等，通過NB-IOT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行實時分析，最終通過預(yù)警決策與發(fā)布模塊向相關(guān)部門和公眾發(fā)布預(yù)警信息。6.2展望相關(guān)工作綜述對現(xiàn)有基于NB-IOT的泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的研究成果進(jìn)行綜述。分析了不同系統(tǒng)的架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，包括傳感器節(jié)點的選擇與部署、NB-IOT通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、數(shù)據(jù)采集與處理、預(yù)警信息的發(fā)布等方面。同時，評估了這些系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的性能和可行性。實驗與評估對基于NB-IOT的泥石流監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了實驗與評估。通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和分析，驗證了系統(tǒng)的性能和可靠性。評估了系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的監(jiān)測準(zhǔn)確性和預(yù)警響應(yīng)時間，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比分析，證明了基于NB-IOT的泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢和有效性。針對當(dāng)前基于NB-IOT的泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計也還存在一些挑戰(zhàn)和問題，怎么樣使預(yù)警系統(tǒng)擺托供電的限制，真正做到在偏遠(yuǎn)山區(qū)，和泥石流易發(fā)生的危險地區(qū)，及時向人們傳遞信號，還有待提升。未來，這正是我們需要關(guān)注和解決的地方，我們要重點突破這些問題，使泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)發(fā)揮出更加強(qiáng)大的作用，來減少泥石流災(zāi)害對人們造成的損害，進(jìn)而也能夠為國家減少很大一部分的經(jīng)濟(jì)損失。為此，未來，我們要重點突破當(dāng)今未解決的問題，向著更加快捷準(zhǔn)確，不受各種因素影響的方向邁進(jìn)。

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附錄電路圖源代碼#include"stm32f10x.h"#include"led.h"#include"usart1.h"#include"usart2.h"#include"Delay.h"#include"stdio.h"#include"nbiot.h"#include"ds18b20.h"#include"dht11.h"#include"i2c.h"#include"BH1750.h"#include"beep.h"#include"adc.h"#include"adc_dma.h"uint8_tdata_string_t[32];#defineAPI_KEY"pXjGthoZFyEkfZ1hAx1HVU3Bieo="#defineDEV_ID"1051369052"uint32_tHTTP_PostPkt(char*pkt,char*key,char*devid,char*dsid1,char*val1,char*dsid2,char*val2,char*dsid3,char*val3,char*dsid4,char*val4);uint32_tHTTP_GetPkt(char*pk