视频演示地址：【基于ESP32-P4智能气象预警终端系统】
摘要
大家好，我是颜七岁。在"万物智联"的时代浪潮下，我参与了2025年DigiKey全球创客挑战赛，设计并实现了一套基于ESP32-P4的智能气象预警终端系统。该系统由气象信息采集板和显示终端两大部分组成，能够实时采集包括温湿度、气压、光照、紫外线、二氧化碳浓度、风速风向以及雷电预警在内的多种环境数据，并通过LoRa无线传输至显示终端进行可视化展示。系统采用模块化设计理念，从传感器选型、硬件电路设计、通信协议制定到软件编程，完整实现了从"方案构思"到"实物实现"的全流程开发，是物联网技术在环境监测领域的典型应用。
应用场景
本系统适用于多种需要实时气象监测与预警的场景，具有广泛的应用价值：
智慧农业：实时监测农田微气候，包括温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等关键参数，为精准灌溉、科学施肥、病虫害防治提供数据支持，同时雷电预警功能可提前通知农户采取防护措施，减少经济损失。
城市环境监测：部署于社区、校园、公园等公共场所，提供局部气象信息服务，实时显示空气质量、温湿度舒适度等信息，恶劣天气预警功能可提前通知居民做好防护准备，提升城市管理智能化水平。
本次采用Scheme- it在线设计工具实现系统框图：https://www.digikey.com/en/schemeit
硬件选型与电路设计
采集板主要采集气象信息。主控采用STM32F103芯片。显示面板使用M5STACK TAB5开发板制作。选用的关键元器件均来自DigiKey平台的支持，具体选型如下：
1. 采集板主控芯片
STM32F103:意法半导体推出的一款基于 ARM Cortex-M3 内核的高性能 32 位微控制器，在嵌入式学习入门或常规的嵌入式产品中也有大量的应用，好处就是资源丰富，教程多，上手快的特点。
2. 传感器模块
温湿度传感器：AHT20一款高精度、完全校准的I2C数字输出温湿度复合传感器。采用了新一代的ASIC专用芯片、改进的MEMS半导体电容式湿度传感元件和标准片上温度传感元件。具有性能可靠、即插即用、性价比极高的温湿度传感器，是当前嵌入式项目和消费电子产品中温湿度测量的热门选择。
气压传感器：BME280气压传感器，采用I2C接口通信，精度高、功耗低，非常适合气象监测应用。气压测量精度±1hPa，完全满足气象监测的精度要求。
光照传感器：BH1750是一款数字式环境光强度传感器，通过I2C接口输出16位数字信号，测量范围0-65535 lux，无需外部元件即可工作。它采用ROHM的光敏二极管技术，具有接近人眼的光谱响应特性，功耗极低（典型值0.12μA），支持高分辨率模式（1lx精度）和低功耗模式，广泛应用于智能手机、平板电脑、智能家居等设备的自动背光调节系统。
紫外线传感器：S12SD是一款模拟输出的UV-B波段紫外线传感器，测量波长范围280-315nm，输出电流与UV强度成正比。它采用GaN基光电二极管技术，具有高灵敏度和快速响应特性，工作电压2.7-5.5V，功耗仅0.1mA，适用于户外紫外线监测、防晒提醒、气象监测等应用场景，可直接与MCU的ADC接口连接使用。
二氧化碳传感器：SGP30采用金属氧化物半导体技术，可测量CO2浓度和TVOC（总挥发性有机化合物），采用I2C接口通信，响应速度快，功耗低。CO2测量范围400-60000 ppm，TVOC测量范围0-60000 ppb，能够有效监测空气质量。
风速风向传感器：选用485通信接口的风速风向传感器。该传感器采用RS485接口通信，支持Modbus协议，测量精度高，稳定性好。风速测量范围0-60m/s，风向测量范围0-360°，需12V供电，通过升压模块实现供电转换。
雷电预警传感器：选用AS3935模块。该模块可检测雷电活动，提供雷电距离和强度信息，采用I2C或SPI接口通信，能够提前预警雷电风险，保障户外设备安全。
屏幕显示模块：选用0.96寸OLED模块。该模块具有低功耗，显示亮度高，可视角度广等特点。采用IIC通讯实现屏幕数据显示。
3. 通信模块
LoRa模块：选用SX1278芯片的LoRa模块。该模块采用LoRa调制技术，传输距离远（可达数公里），功耗低，抗干扰能力强，非常适合气象监测这种需要远距离、低功耗传输的应用场景。
系统硬件框图：
4. 显示板硬件
Tab5 是一款面向开发者的高度可扩展便携式智能物联网终端开发设备，集成了双芯片架构和丰富的硬件资源。其主控采用基于 RISC‑V 架构的 ESP32‑P4 SoC，并配备 16MB Flash 与 32MB PSRAM。无线模块则选用 ESP32-C6-MINI-1U，支持 Wi-Fi 6，其天线系统可在内置 3D 天线与外部 MMCX 天线接口之间自由切换，灵活适应不同部署环境，确保数据吞吐与低时延控制。
5. 电源管理
供电单元：使用AMS1117-3.3实现外部5V电压转换成3.3V电源芯片，为后级的传感器和显示器供电。
升压模块：选用S09 DC-DC升压模块，将5V电压升压至12V，为风速风向传感器供电。
6. 硬件设计
采集板原理图设计：
采集板PCB设计图：
焊接后实物图：
软件编写
软件部分基于Arduino框架开发环境，采用模块化编程思想，提升代码可读性与可维护性。具体实现如下：
1. 开发环境搭建
采集板使用STM32常用的STM32Cubemx+Keil5完成
Arduino框架：基于Arduino框架开发，充分利用丰富的第三方库资源，提高开发效率。
2. 采集板固件设计
传感器驱动：为每个传感器编写独立的驱动函数，包括初始化、数据读取、数据转换等功能，实现模块化设计，便于维护和扩展。
数据采集：采用定时采集方式，每隔500ms采集一次各传感器数据。
//每0.5S获取传感器数据
if (CompareTime(&TimeSensor_Get))
{
SetTime(&TimeSensor_Get, 500); // 每500ms进来一次
AHT20_Get_Value(&Humiture);
bmp280_read_float(&bmp280_dev, &temperature, &pressure, &humidity);
Alt=data_conversion(pressure,temperature);
pressurehpa=pressure*2/100.0;
BH1750_ReadData(g_ucaDataBuff,2);/*获取照度数据*/
ftmp = (g_ucaDataBuff[0]<<8 | g_ucaDataBuff[1]) / 1.2f + 0.5f;/*转换照度数据*/
g_usLux = (uint16_t)ftmp;
ult_value = Get_ADC_Value();
UV_VALUE = Get_Ultraviolet_Intensity(ult_value);
//SGP30读取
if (sgp30_read(&CO2, &TVOC) == 0)
{
sgp30_data.CO2 = CO2;
sgp30_data.TVOC = TVOC;
// usartPrintf(huart1, "CO2: %d ppm, TVOC: %d ppb\r\n", CO2, TVOC);
}
else
{
// usartPrintf(huart1, "SGP30 read failed\r\n");
}
GET_Wind_Speed_Data();
GET_Wind_Direction_Data();
} LoRa发送：通过LoRa模块将封装好的数据帧发送出去，支持数据重传机制，确保数据传输的可靠性。
if (CompareTime(&TimeWiFi_Send))
{
SetTime(&TimeWiFi_Send, 500); // 每3000ms进来一次
static char jsonString[300]; // 假设 JSON 字符串不超过 512 字节
snprintf(jsonString, sizeof(jsonString),
"{\"T\":%.1f,\"H\":%.1f,\"P\":%.1f,\"L\":%u,"
"\"UV\":%d,\"TVOC\":%d,\"Ws\":%.1f,\"Wl\":%.1f,"
"\"Fx\":\"%s\",\"Wa\":%.1f,\"Ld\":%d}",
Humiture.Temp,
Humiture.RH,
pressurehpa,
g_usLux,
UV_VALUE,
TVOC,
windSpeed,
windLevel,
fengxiang,
Wind_Angle,
lightning_distance
);
usartPrintf(huart1, "%s\r\n", jsonString);
}3. 显示板固件设计
LoRa接收：通过LoRa模块接收采集板发送的数据帧。采用JSON数据解析，提取各传感器数据，并进行单位转换和数据处理。
void parseSerialJSON() {
while (mySerial.available()) {
char c = mySerial.read();
if (c == '\n') {
StaticJsonDocument<512> doc;
DeserializationError err = deserializeJson(doc, serialBuffer);
if (!err) {
// ===== 温湿度 & 气压 =====
if (doc.containsKey("T"))
sensorData.temperature = doc["T"].as<float>();
if (doc.containsKey("H"))
sensorData.humidity = doc["H"].as<float>();
if (doc.containsKey("P"))
sensorData.pressure = doc["P"].as<float>();
// ===== 光照 =====
if (doc.containsKey("L"))
sensorData.lightLux = doc["L"].as<uint32_t>();
// ===== UV =====
if (doc.containsKey("UV"))
sensorData.uv = doc["UV"].as<int>();
// ===== TVOC =====
if (doc.containsKey("TVOC"))
sensorData.tvoc = doc["TVOC"].as<int>();
// ===== 风速 & 风力 =====
if (doc.containsKey("Ws"))
sensorData.windSpeed = doc["Ws"].as<float>();
if (doc.containsKey("Wl"))
sensorData.windLevel = doc["Wl"].as<float>();
// ===== 风向字符串 =====
if (doc.containsKey("Fx")) {
const char* fx = doc["Fx"];
strncpy(sensorData.windDirStr, fx,
sizeof(sensorData.windDirStr) - 1);
sensorData.windDirStr[sizeof(sensorData.windDirStr) - 1] = '\0';
}
// ===== 风向角 =====
if (doc.containsKey("Wa"))
sensorData.windAngle = doc["Wa"].as<float>();
// ===== 雷电距离=====
if (doc.containsKey("Ld")) {
sensorData.lightningDistance = doc["Ld"].as<float>();
sensorData.lightning = (sensorData.lightningDistance > 0);
}
drawUI();
}
serialBuffer = "";
}
else {
if (serialBuffer.length() < 512)
serialBuffer += c;
else
serialBuffer = "";
}
}
}图形界面：基于LVGL库开发图形界面，包括主界面、数据详情界面、历史数据界面等。主界面实时显示各项气象参数，如温度、湿度、气压、光照、紫外线、CO2浓度、风速、风向等，以及雷电预警信息。
void drawUI() {
canvas.fillScreen(TFT_WHITE);
uint16_t greenColor = display.color565(120, 180, 70);
// ===== 顶部标题条 =====
canvas.fillRoundRect(0, 0, screenWidth, 60, 4, greenColor);
canvas.setTextDatum(TL_DATUM);
canvas.setTextSize(3);
canvas.setTextColor(TFT_WHITE);
canvas.drawString("Weather IOT Platform", 20, 20);
char buf[16];
int row = 0;
// ================= 第 1 行 =================
// 温度
snprintf(buf, sizeof(buf), "%.1f", sensorData.temperature);
drawCard(marginSide + 0 * (cardWidth + spacingX),
marginTop + row * (cardHeight + spacingY),
cardWidth, cardHeight, "TEMP", buf, "C");
// 湿度
snprintf(buf, sizeof(buf), "%.0f", sensorData.humidity);
drawCard(marginSide + 1 * (cardWidth + spacingX),
marginTop + row * (cardHeight + spacingY),
cardWidth, cardHeight, "HUMID", buf, "%");
// 气压
snprintf(buf, sizeof(buf), "%.0f", sensorData.pressure);
drawCard(marginSide + 2 * (cardWidth + spacingX),
marginTop + row * (cardHeight + spacingY),
cardWidth, cardHeight, "PRESS", buf, "hPa");
// 光照
snprintf(buf, sizeof(buf), "%u", sensorData.lightLux);
drawCard(marginSide + 3 * (cardWidth + spacingX),
marginTop + row * (cardHeight + spacingY),
cardWidth, cardHeight, "LIGHT", buf, "Lux");
// ================= 第 2 行 =================
row = 1;
// UV
snprintf(buf, sizeof(buf), "%d", sensorData.uv);
drawCard(marginSide + 0 * (cardWidth + spacingX),
marginTop + row * (cardHeight + spacingY),
cardWidth, cardHeight, "UV", buf, "UV");
// TVOC
snprintf(buf, sizeof(buf), "%d", sensorData.tvoc);
drawCard(marginSide + 1 * (cardWidth + spacingX),
marginTop + row * (cardHeight + spacingY),
cardWidth, cardHeight, "CO2", buf, "ppb");
// 雷电距离
snprintf(buf, sizeof(buf), "%.1f", sensorData.lightningDistance);
drawCard(marginSide + 2 * (cardWidth + spacingX),
marginTop + row * (cardHeight + spacingY),
cardWidth, cardHeight, "LIGHT DIST", buf, "km");
// 雷电状态
if (sensorData.lightning) {
strcpy(buf, "ALERT");
} else {
strcpy(buf, "NORMAL");
}
drawCard(marginSide + 3 * (cardWidth + spacingX),
marginTop + row * (cardHeight + spacingY),
cardWidth, cardHeight, "LIGHT STATE", buf, "");
// ================= 第 3 行 =================
row = 2;
// 风速
snprintf(buf, sizeof(buf), "%.1f", sensorData.windSpeed);
drawCard(marginSide + 0 * (cardWidth + spacingX),
marginTop + row * (cardHeight + spacingY),
cardWidth, cardHeight, "WIND SPD", buf, "m/s");
// 风等级
snprintf(buf, sizeof(buf), "%.1f", sensorData.windLevel);
drawCard(marginSide + 1 * (cardWidth + spacingX),
marginTop + row * (cardHeight + spacingY),
cardWidth, cardHeight, "WIND LV", buf, "");
// 风向
snprintf(buf, sizeof(buf), "%s", sensorData.windDirStr);
drawCard(marginSide + 2 * (cardWidth + spacingX),
marginTop + row * (cardHeight + spacingY),
cardWidth, cardHeight, "WIND DIR", buf, "");
// 风向角
snprintf(buf, sizeof(buf), "%.1f", sensorData.windAngle);
drawCard(marginSide + 3 * (cardWidth + spacingX),
marginTop + row * (cardHeight + spacingY),
cardWidth, cardHeight, "WIND ANG", buf, "o");
canvas.pushSprite(0, 0);
}至此以上完成了气象数据的采集，传输，显示三部分。之所以选择模块化设计，主要考虑到可以加快制作周期，快速验证功能。后续的升级版可全部换成板载器件，减少体积，另外升级版再加入锂电池管理与太阳能部分，可实现自主的数据采集与供电管理。
感谢您的耐心阅读。鉴于我的技术水平有限，若存在任何疏漏或错误，恳请您能够提出宝贵的意见。
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致谢
感谢DigiKey与电源网联合举办的"实创无界·电燃灵感"2025全球创客挑战赛，为我们提供了从元件选型到技术交流的全链路支持。DigiKey全球元件库的丰富资源和技术文档，为我的硬件选型和电路设计提供了重要参考；电源网论坛的技术交流平台，让我能够与行业专家和广大电子爱好者深入交流，解决开发过程中遇到的各种技术难题。期待未来继续与全球创客一起，用技术推动创新，用实践点燃灵感，共同探索电子设计的无限可能。祝电源网越办越好！
