【武汉工程大学邮电与信息工程学院本科毕业论文】太阳能供电的 LoRa 环境监测终端与低功耗策略研究

注仅展示部分文档内容和系统截图需要完整的视频、代码、文章和安装调试环境请私信up主。学生的技术与实现摘要本论文针对环境监测中传统有线监测系统部署成本高、灵活性差以及无线传感器网络能耗大的问题设计并实现了一套基于太阳能供电与LoRa通信的低功耗环境监测终端系统。系统由两个节点组成节点1以STM32F103C8T6为主控集成DHT11温湿度传感器、BMP180气压传感器及SGP30空气质量传感器CO₂、TVOC并通过LoRa模块实现与节点2的数据传输节点2同样采用STM32F103C8T6利用LoRa模块接收节点1数据同时配备ESP8266-01S Wi-Fi模块将数据上传至手机APP或远程服务器并在OLED显示屏上实时呈现传感器数值。此外节点2设有蜂鸣器与LED灯双重报警机制当任一环境参数超出设定阈值时触发声光报警从而实现本地监控与远程预警的联动。在低功耗策略方面系统依托太阳能供电模块为整体提供能量重点从硬件选型与软件控制两个层面优化能耗。主控芯片STM32F103C8T6在工作时动态调节时钟频率并充分利用其多种低功耗模式如睡眠、停机和待机模式。节点1在完成周期性传感器数据采集与LoRa发送后立即进入深度睡眠仅通过定时器唤醒进行下一次采集节点2同样采用间断接收与Wi-Fi按需上传的策略避免模块持续带电运行。同时LoRa通信采用扩频因子与发射功率动态调整机制根据通信质量最小化发送能耗。太阳能模块配合小型锂电池进行能量缓冲确保在连续阴雨天气下系统仍可维持数天稳定工作。APP展示功能作为系统的人机交互终端可实时显示节点1采集的温度、湿度、气压、CO₂浓度及TVOC数值并提供阈值配置与报警记录查询功能。实验结果表明该终端在阳光充足条件下可完全脱离外部电网长期运行整机平均工作电流降低至毫安级以下LoRa有效通信距离超过500米报警响应延迟小于2秒。系统兼具低功耗、高可靠性与可扩展性特别适用于农田、仓库、博物馆等无市电环境下的空气质量与气象参数长期监测为物联网感知层设备的绿色能源设计提供了可行方案。关键词STM32DHT11OLEDLORA第一章 绪论1.1 课题研究背景与意义环境监测是应对气候变化、保障公共健康和推动精准农业发展的基础性工作。随着物联网技术的快速发展对环境参数的精细化、实时化获取需求日益迫切。传统环境监测主要依赖政府气象站点布设的专业仪器虽然数据精度高但站点稀疏、分布不均难以反映城市微环境、农田小气候和居民社区的真实暴露水平。研究表明城市气温在微尺度100米和局地尺度100-3000米上存在显著差异传统监测网络的空间分辨率3000-100000米无法捕捉这种变化导致健康风险评估和农业决策缺乏精准的数据支撑[1]。因此构建高密度、低成本、易部署的环境监测网络成为物联网应用研究的重要方向。近年来低功耗广域网技术的成熟为大规模环境监测提供了技术可能。其中LoRa技术以其超长通信距离郊区可达7公里以上、低功耗运行和出色的穿透能力在153个国家获得广泛应用覆盖智能城市、智能能源和智能家居等多个领域[2]。与NB-IoT、Sigfox等替代技术相比LoRa采用免授权频段无需支付通信费用且支持自组网架构特别适合在缺乏蜂窝网络覆盖的偏远地区部署[3]。这些特性使LoRa成为构建环境监测网络的首选通信技术。1.2 国内外研究现状国外对太阳能LoRa监测终端研究起步早聚焦低功耗通信与能量管理。欧美团队主导LoRaWAN协议优化Class A模式与ADR动态功率调节成主流休眠电流控制在2μA内。硬件上采用超低功耗MCU与高效DC-DC配合太阳能-超级电容储能实现微瓦级平均功耗。应用方面欧美农业与环境监测中节点部署规模大、稳定性高但成本与复杂度较高。第2章 系统总体设计与模块选型2.1 系统方案设计硬件部分采用模块化设计便于调试、维护及后续扩展核心围绕“供电-控制-通信-采集”四大核心需求选型设计全程融入低功耗理念所有元器件均优先选用低功耗、高稳定、高性价比型号适配毕业设计制作条件。核心控制模块采用最小系统设计包含上电复位、手动复位及8MHz外部晶振电路确保运行稳定LoRa模块通过SPI接口与控制器连接对应SCK、MISO、MOSI、NSS、DIO0引脚实现数据收发及中断反馈两款传感器均通过I2C接口连接共享SDA、SCL总线通过地址引脚设置不同地址避免冲突电源管理模块配合ADC接口实时监测太阳能电压经10kΩ分压处理和电池电量异常时调整供电策略。2.2 模块的选型2.2.1 主控模块选型如图2.2所示本研究以STM32F103C8T6微控制器为主要控制单元该芯片采用Cortex-M3内核架构设计主频为72MHz具有单周期乘法和硬件除法运算能力大大提高了数据处理速度在对实时性要求比较高的系统中表现更好。2.2.2 OLED 模块选型图2.3展示了本研究所采用的0.96英寸OLED显示屏。该显示设备以有机发光二极管OLED技术作为核心显示介质其最显著的特征在于每个像素单元均配备了独立的驱动电路和自发光元件。这种“每个像素独立控制”的架构使得OLED显示屏在对比度方面表现优异当需要显示黑色时相应像素可以直接关闭从而实现理论上的“无限对比度”。正因如此在夜间或暗光环境下OLED屏幕能够更加清晰、真实地呈现图像内容显著提升用户的使用体验。2.2.3BMP180模块选型图2.4为本研究用到的传感器模块BMP180是博世公司推出的高精度数字气压与温度传感器模块基于MEMS微机电技术和压阻式传感原理广泛应用于嵌入式、物联网等场景兼具高精度与低功耗优势。2.2.4 WIFI模块选型图2.5为在本研究用到的WIFI通信装置ESP8266-01S承担着数据远程传输与指令接收的关键任务。模块通过串口与STM32F103C8T6主控芯片连接采用MQTT协议将采集到的环境光照数据、人体红外检测状态、LED工作模式及亮度参数等信息实时上传至云端MQTT服务器。2.2.5 DHT11模块选型图2.6为在本研究用到的温湿度模块该传感器使用单总线通信与微控制器进行连接接口简单节省硬件资源直接输出数字信号避免模拟信号采集的噪声干扰测量周期2s左右响应迅速满足智能风扇设环境监测需求。2.2.6 LORA通信模块选型如图2.7所示本研究以LORA为通信模块LoRaLong Range是一种基于线性调频扩频CSS技术的低功耗广域网无线通信标准由Semtech公司创建专为物联网设备设计。2.2.7蜂鸣器模块选型图2.8为本研究用到的蜂鸣器模块有源蜂鸣器模块是一种集成了驱动电路的电子发声器件核心优势是无需额外驱动电路通电即可发出固定频率的蜂鸣音广泛应用于报警提示、设备状态反馈、嵌入式系统警示及教学实验等场景。第3章 硬件系统设计3.1 主控模块设计本文采用STM32F103C8T6微控制器作为主要的控制单元它的硬件结构如图3.1所示。该芯片包含三个可以自配置时钟分频的16位定时器、两个高性能的12位A/D转换通道、3个UART接口、一个CAN总线、一个USB主机和设备接口、两个I²C接口和一个SPI接口。其引脚数为48主频达到72MHz具有较多的外设适合于各种嵌入式系统开发[10]。3.2 传感器模块3.2.1OLED显示模块本研究使用的OLED显示模块是按照图3.2所示电路结构来设计的它主要利用了有机发光二极管OLED材料自激光辐射的原理。新一代显示技术的一个重要分支具有很多突出的性能特点即超高的对比度、广色域、低能耗、快响应、大视角、柔性可弯曲。每一个像素单位都具有独立驱动、自主发光的能力不需要外界的光线来辅助从而提高了画面的对比度和颜色表现力并且能够快速响应各种情况在便携式产品上有着明显的优势同时柔性基材以及它对温度、湿度的良好的耐受性也为扩展应用场景以及开展技术创新开拓了广阔的天地。3.2.2WIFI模块如图3.3ESP8266-01S是一款嵌入式UART-WiFi透传模块其核心是一颗Tensilica L106 32位处理器集成TCP/IP协议栈和射频收发电路。模块通过串口UART与外部主控芯片如STM32通信实现串口数据与WiFi网络数据的双向透明传输。第4章 软件系统设计4.1 整体程序设计图4.1给出了用STM32F103C8T6微控制器搭建的嵌入式系统整体运行结构。本系统采用双节点协同架构节点1为环境数据采集终端节点2为数据汇聚与报警终端整体程序设计围绕低功耗太阳能供电与LoRa可靠传输展开。节点1上电后STM32F103C8T6首先初始化外设DHT11、BMP180、SGP30及LoRa模块随后进入深度睡眠模式仅保留RTC定时唤醒。每5分钟唤醒一次依次读取温湿度、气压、CO₂与TVOC值通过LoRa将数据打包发送至节点2发送完成后立即再次休眠平均工作电流控制在15mA以内。太阳能供电模块通过TP4056管理锂电池充放电搭配电压监测ADC当电池电压低于3.3V时延长休眠间隔至15分钟保障阴天连续运行。4.2OLED显示模块设计本系统使用OLED模块显示温度、人数、磁性物品及系统运行信息经由主控单元处理后将各类监测结果以直观的文本或图形形式呈现在屏幕上。其运行过程大致可以分为以下几个步骤首先调用OLED_Init()函数完成显示屏的初始化配置包括设置显示亮度和内存寻址模式接着调用OLED_Clear()函数清空屏幕缓存防止残留数据干扰显示效果第 5 章 系统实现与测试5.1测试目的本次测试的核心目的在于全面验证基于太阳能供电的LoRa环境监测终端及其低功耗策略的可行性与可靠性重点评估系统在真实户外场景下的数据采集精度、无线传输稳定性、多节点协同能力以及能耗管理效率。具体而言测试将分模块考察节点1中DHT11、BMP180、SGP30传感器对温湿度、气压及CO₂/TVOC参数的测量准确性并检验节点1与节点2之间LoRa通信的距离、丢包率及抗干扰性能同时针对节点2的ESP8266 Wi-Fi模块测试其将数据上传至手机APP及远程服务器的实时性与指令响应能力并验证OLED屏幕数据同步显示的准确性。5.2 项目整体测试本章主要是针对太阳能供电的LoRa环境监测终端与低功耗策略研究做系统的测试和评价。研究目的就是通过系统的测试来验证系统的功能是否准确、运行是否稳定、长期连续运行是否可靠以确定该系统是否达到了设计的目的满足实际使用的要求为系统的改进提供科学依据。调试烧录工具成品实物图APP控制页面参考文献[1] Zhang K, Chen Y, Wang S, et al. Enabling Reliable Environmental Sensing with LoRa, Energy Harvesting, and Domain Adaptation[C]//2024 IEEE 44th International Conference on Distributed Computing Systems (ICDCS). IEEE, 2024: 1-11.[2] Ali A, Hameed B H, Kurnaz S. A Lora-Based Energy-Harvesting Sensing System for Living Environment[C]//2025 IEEE 24th International Conference on Renewable Energy Research and Application (ICRERA). IEEE, 2025: 1-6.[3] Augustin A, Yi J, Clausen T, et al. A Study of LoRa: Long Range Low Power Networks for the Internet of Things[J]. Sensors, 2016, 16(9): 1466.[4] Wu F, Wu T, Yuce M R. A Comprehensive Survey on Smart Agriculture: Status quo and Future[J]. IEEE Access, 2021, 9: 122246-122280.[5] Shanmuga Sundaram J P, Du W, Zhao W. IoT Based Smart Agriculture Monitoring System[J]. International Journal of Recent Technology and Engineering, 2019, 8(3): 86-90.[6] Sharma D, Ojha A, Bhondekar A P. A Survey on Renewable Energy Sources Powered Wireless Sensor Networks for Environmental Monitoring[J]. IEEE Sensors Journal, 2020, 20(15): 8222-8239.注仅展示部分文档内容和系统截图需要完整的视频、代码、文章和安装调试环境请私信up主。