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一、学生在开题前的准备工作
（分条目简要列出学生自接受毕业综合训练任务以来已开展的前期工作，包括但不限于课题要求的实习/实验准备情况、开展情况，调研或社会调查情况，相关知识/技能的学习情况，中外文献查询情况等）
课题要求的实习/实验准备情况：
自接受毕业综合训练任务以来，我首先深入学习了ESP32单片机的相关技术资料，包括其硬件架构、编程接口及开发环境等，为后续的硬件设计和软件开发打下了坚实基础。
完成对矩阵键盘模块、无线收发模块（如Wi-Fi或蓝牙模块）、1602液晶显示器、发光二极管和蜂鸣器等关键硬件组件的选型与性能测试，确保它们能够满足项目需求。
设计并搭建了一个简单的硬件测试平台，用于验证各模块之间的连接与通信是否正常，以及单片机能否正确控制这些模块。
开展情况：
根据设计方案，我已经初步完成了硬件电路的设计与绘制，包括单片机最小系统电路、矩阵键盘接口电路、无线收发电路、显示电路及报警电路等。
编写了初步的软件代码框架，实现了单片机对各硬件模块的初始化与控制，以及数据的采集、处理与显示功能。
进行了初步的软硬件联调，验证了系统的基本功能，如液位值的实时显示、按键输入处理及报警功能等。
调研或社会调查情况：
通过查阅相关资料和文献，了解了当前远程监控系统的发展趋势和技术特点，特别是基于ESP32单片机的应用案例，为项目的设计提供了有益的参考。
与导师和实验室同学进行了多次讨论，就项目的可行性、技术难点及解决方案等进行了深入交流，进一步完善了设计方案。
相关知识/技能的学习情况：
学习了C语言编程及ESP32单片机的编程方法，掌握了如何使用Arduino IDE或ESP-IDF等工具进行程序编写与调试。
深入学习了嵌入式系统设计与开发的相关知识，包括硬件电路设计、软件编程、系统调试等。
学习了远程通信技术，如Wi-Fi、蓝牙等无线通信技术的基本原理与应用，为后续实现远程监控功能提供了技术支持。
中外文献查询情况：
通过图书馆、学术数据库及网络搜索引擎等途径，查阅了大量关于ESP32单片机、远程监控系统、液位监测等相关领域的中外文献。
对这些文献进行了系统的梳理与分析，总结了当前远程监控系统的技术特点与发展趋势，以及基于ESP32单片机的设计与实现方法。
根据文献调研结果，结合项目需求，制定了详细的设计方案与技术路线。
参考文献：
[1] 毛博文,李永可,王磊,等.基于ESP32的大田水肥一体化控制系统设计[J].现代电子技术, 2024, 47(14):103-107.DOI:10.16652/j.issn.1004-373x.2024.14.016.
[2] 丁宏林,周立忠,周桐,等.基于ESP32的电力测量设备多协议接口转换装置设计[J].电子设计工程, 2023, 31(19):137-141.
[3] 刘弘禹,李彦宽,方晓东,等.基于ESP32-S的小型智能气体识别系统设计[J].计算机测量与控制, 2023, 31(11):260-265.
[4] 邵浦,徐豪,王朗.基于ESP32的智能儿童安全座椅设计[J].电子设计工程, 2023, 31(1):73-77.
[5] 李博,施一飞,杨锣.基于ESP32-E的室内空气VOC含量监测系统设计[J].电子技术, 2023(4):61-63.
[6] 刘昶江,林媛媛,刘梦杰.基于ESP32芯片的智能物联电源设计[J].电子设计工程, 2024, 32(11):141-145.
[7] 韦士飞.基于ESP32无线温湿度监控系统设计[J].电子测试, 2023, 37(1):42-47.
[8] 谭伟伟.基于ESP32S3的智能家居控制面板系统设计[J].电子产品世界, 2023, 30(8):79-81.
[9] 张举.基于ESP32-CAM的远程监控装置的设计[J].家庭影院技术, 2024, 328(2):23-26.DOI:10.3969/j.issn.1008-0945.2024.02.009.
[10] 张来洪,关海伟,鲁兴,等.基于ESP32的环境监测系统的设计与实现[J].物联网技术, 2024, 14(5):27-30.DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2024.05.008.
[11] 燕越,刘忠超,刘尚争,等.基于ESP32与STM32的无线智能监控小车设计[J].中国仪器仪表, 2023(11):42-47.
[12] 赵建佳,陈贵松,吴婷,等.基于ESP32的多终端智能防盗门设计[J].电子制作, 2024, 32(13):19-22.DOI:10.3969/j.issn.1006-5059.2024.13.005.
[13] 狄新宇,刁宇杰,朱泓宇,等.基于ESP32的智能物联网台灯设计[J].林业机械与木工设备, 2023, 51(1):6.
[14] 代爱妮,郭书瑞,王蕊.基于ESP32的智慧农业大棚实验系统设计[J].物联网技术, 2023, 13(4):91-94.
[15] 李国利,周创,牟福元.基于ESP32的温室大棚环境远程监控系统设计[J].中国农机化学报, 2022, 43(3):6.
[16] Hercog D , Lerher T , Trunti M ,et al.Design and Implementation of ESP32-Based IoT Devices[J].Sensors, 2023.DOI:10.3390/s23156739.
[17] Sadeeq M A M , Zeebaree S R .Design and implementation of an energy management system based on distributed IoT[J].Computers and Electrical Engineering, 2023, 109(Pt.A):108775-1-108775-25.
[18] Kusuma R A , Karyadi J N W , Rahayoe S .Design of a low-cost IoT-based data logger for monitoring the palm sugar drying system using ESP32 and Modbus/MQTT conversion[J].IOP Publishing Ltd, 2024.DOI:10.1088/1755-1315/1386/1/012025.
二、学生对课题的综合理解
（一）课题目的及意义（含国内外的研究现状分析）
随着物联网技术的飞速发展，远程监控系统在工业自动化、环境监测、智能家居等领域得到了广泛应用[1]。本课题旨在设计并实现一种基于ESP32单片机的远程迷你监控设备，该设备能够实时监控高塔液位变化，并在液位超过设定阈值时发出报警，从而实现对高塔液位的智能化管理[2-5]。本课题的研究不仅具有理论价值，更具有重要的实际意义。
1. 课题目的
本课题的主要目的是利用ESP32单片机的强大功能和低功耗特性，结合无线通信技术，设计并实现一种远程监控设备[6]。该设备能够实时采集高塔液位数据，通过LCD显示器实时显示液位值，并在液位超过设定值的上限或下限时，通过蜂鸣器和LED灯发出报警信号[7]。此外，该设备还应具备数据通信功能，能够将采集到的液位数据远程传输至监控中心，实现远程监控和管理[8]。
2. 课题意义
（1）提高监控效率：传统的高塔液位监控方式通常需要人工巡检，不仅耗时费力，而且监控效率较低。本课题设计的远程监控设备能够实现实时监控和自动报警，大大提高了监控效率[9]。
（2）降低运维成本：通过远程监控设备，可以实现对高塔液位的智能化管理，减少人工巡检的次数和频率，从而降低运维成本[10]。
（3）保障安全生产：高塔液位的变化对生产安全具有重要影响。本课题设计的远程监控设备能够在液位异常时及时发出报警信号，提醒操作人员采取相应措施，从而保障生产安全[11]。
3. 国内外研究现状分析
国内研究现状：
近年来，国内在远程监控技术方面取得了显著进展。许多企业和科研机构都致力于研发具有自主知识产权的远程监控设备，并在工业自动化、环境监测等领域得到了广泛应用[12-15]。然而，在高塔液位监控方面，仍存在一些问题，如监控设备体积较大、功耗较高、数据传输不稳定等[16]。因此，研发一种体积小、功耗低、数据传输稳定的远程监控设备具有重要意义。
国外研究现状：
国外在远程监控技术方面起步较早，技术相对成熟。许多国际知名企业和科研机构都推出了具有先进功能的远程监控设备，并在全球范围内得到了广泛应用[17]。这些设备通常具有体积小、功耗低、数据传输稳定等特点，能够满足各种复杂环境下的监控需求[18]。然而，由于国外技术封锁和专利保护等原因，国内在引进和应用这些先进技术方面受到一定限制。
评述总结：
综上所述，国内外在远程监控技术方面均取得了显著进展，但在高塔液位监控方面仍存在一些问题。本课题旨在利用ESP32单片机的强大功能和低功耗特性，结合无线通信技术，设计并实现一种体积小、功耗低、数据传输稳定的远程监控设备。该设备不仅能够实现实时监控和自动报警，还能够将采集到的液位数据远程传输至监控中心，实现远程监控和管理。因此，本课题的研究具有重要的理论价值和实践意义。
（二）课题研究的主要内容
本课题的主要研究内容是基于ESP32单片机的远程迷你监控设备的设计与实现，具体包括以下几个方面：
系统总体方案设计
根据远程监控系统的功能需求，设计系统的总体架构，明确系统的硬件组成和软件模块划分。
确定系统的控制核心为ESP32单片机，并研究其性能特点，为后续的硬件设计和软件编程打下基础。
硬件设计与实现
单片机最小系统设计：设计并搭建ESP32单片机的最小系统，包括电源电路、复位电路、时钟电路等，确保单片机能够正常工作。
矩阵键盘模块设计：设计矩阵键盘电路，实现用户输入功能，用于设置液位报警的上下限值等参数。
无线收发模块设计：选用nrf24l01无线模块，设计其电路与ESP32单片机的接口，实现数据的无线传输。
显示模块设计：选用1602液晶显示器，设计其电路与ESP32单片机的接口，用于实时显示液位值和报警信息。
报警模块设计：设计发光二极管和蜂鸣器的报警电路，当液位超过设定值时，触发报警电路，实现声光报警。
软件设计与实现
模块化软件设计：根据系统功能需求，将软件划分为主程序、无线发射模块子程序、无线接收子程序、按键检测子程序、液晶显示子程序、报警模块子程序等模块。
主程序设计：编写主程序流程，实现各模块之间的协调与调度。
无线通信程序设计：编写nrf24l01无线模块的发送和接收程序，实现数据的无线传输与接收。
按键检测程序设计：编写按键检测程序，实现矩阵键盘的按键扫描与识别。
液晶显示程序设计：编写液晶显示程序，实现液位值和报警信息的实时显示。
报警程序设计：编写报警程序，当液位超过设定值时，触发报警电路，实现声光报警。
系统调试与优化
对系统进行软硬件联调，确保各模块能够正常工作，实现预期功能。
对系统的稳定性和可靠性进行测试与优化，提高系统的性能。
根据测试结果，对系统进行必要的调整和改进，确保系统能够满足实际应用需求。
技术难点与创新点分析
（三）拟解决的主要问题和最终目标
拟解决的主要问题：
数据传输稳定性与实时性问题：由于远程监控设备需要实时传输数据，如何确保数据传输的稳定性和实时性是一个关键问题。需优化通信协议，减少数据丢失和延迟。
设备功耗管理：远程监控设备通常需要长时间运行，因此功耗管理至关重要。需设计有效的低功耗策略，延长设备使用寿命。
图像采集与处理效率：对于包含图像采集功能的监控设备，如何提高图像采集的清晰度和处理效率，同时保证数据传输的流畅性，是另一个需要解决的问题。
用户友好型界面设计：设计直观易用的用户界面，使用户能够方便地查看监控数据、配置设备参数和接收报警信息。
最终目标：
本课题的最终目标是设计并实现一款基于ESP32单片机的远程迷你监控设备，该设备应具备以下特点：
高稳定性与实时性：确保数据传输的稳定性和实时性，满足远程监控的基本需求。
低功耗：通过有效的功耗管理策略，延长设备的使用时间。
高效图像采集与处理：提供清晰的图像采集和高效的数据处理能力，支持实时监控和录像功能。
用户友好型界面：提供直观易用的用户界面，方便用户查看和管理监控设备。
可扩展性与兼容性：设备应具备良好的可扩展性和兼容性，能够与其他智能家居设备或系统进行集成，为用户提供更全面的智能家居体验。
（四）拟采用的研究方法或技术方案
针对本课题的研究内容和拟解决的主要问题，拟采用以下研究方法或技术方案：
硬件平台设计与选型
ESP32单片机：选用ESP32作为核心控制器，利用其强大的Wi-Fi和蓝牙功能，实现数据的无线传输。ESP32的低功耗特性和丰富的外设接口也为本课题的设计提供了便利。
传感器模块：根据监控需求，选择合适的传感器模块，如温度传感器、湿度传感器、摄像头等，用于采集环境数据。
电源管理：设计高效的电源管理方案，确保设备在长时间运行下的稳定性和低功耗。
软件设计与开发
嵌入式软件开发：基于ESP-IDF（Espressif IoT Development Framework）开发环境，编写ESP32的嵌入式程序，实现数据采集、处理和传输功能。
通信协议设计：设计一种高效、可靠的通信协议，用于设备与服务器之间的数据传输。考虑使用MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议，因其具有轻量级、易于实现和扩展性好的特点。
服务器端开发：搭建一个服务器端平台，用于接收、存储和分析来自设备的数据。服务器端可以采用Node.js、Python等语言开发，利用WebSocket等技术实现实时数据推送。
移动应用开发：开发一款移动应用，用于用户远程查看监控数据和设备状态。移动应用可以基于Android或iOS平台开发，利用相应的开发工具和框架实现。
系统测试与优化
功能测试：对系统进行全面的功能测试，确保各项功能正常、稳定。
性能测试：对系统的数据传输速度、稳定性、功耗等性能指标进行测试，并根据测试结果进行优化。
用户体验测试：邀请用户进行试用，收集反馈意见，对系统进行进一步的改进和优化。
安全性设计
在数据传输过程中采用加密技术，确保数据的安全性。
对设备进行身份验证和授权管理，防止未经授权的访问和操作。
通过以上研究方法或技术方案的实施，本课题旨在实现一个基于ESP32的远程迷你监控设备，具备数据采集、处理和传输功能，能够满足用户对远程监控的需求。
（五）课题预期结论或过程中的特色、创新点
分析课题研究过程中的技术难点，如无线通信的稳定性、数据处理的高效性等，并提出解决方案。
总结课题研究的创新点，如系统的智能化程度、远程监控的实时性等，为后续的科研工作提供参考。
通过以上研究内容的实施，本课题旨在设计并实现一种基于ESP32单片机的远程迷你监控设备，实现对高塔液位的实时监控和智能化报警功能。
（六）论文撰写提纲
1概述
1.1 课题研究背景与意义
1.2 课题设计内容
2方案设计选择
2.1单片机选择
2.1无线装置选择
2.2显示模块选择
2.4总体方案
3硬件电路设计
3.1最小系统模块
3.2矩阵键盘电路设计
3.3无线收发电路设计
3.3.1 nrf24l01概述
3.3.2引脚功能及描述
3.3.3工作模式
3.3.4工作原理
3.3.5配置字
3.4 LCD显示模块
4软件系统设计
4.1总流程图设计
4.2矩阵键盘电路软件设计
4.3无线发射模块软件设计
4.4无线接收模块软件设计
4.5 LCD1602显示器软件设计
4.6蜂鸣器报警电路
5系统的调试及实验结果
5.1 调试步骤
5.2实验结果
结 论
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