第5章：传感器技术与数据采集

传感器是物联网的“感知层”核心，它们负责将物理世界的模拟信号转换为计算机可处理的数字信号。

5.1 传感器基础原理

5.1.1 传感器分类

• 按被测物理量分：
  • 热学：温度、热流。
  • 光学：光强、红外、紫外、图像。
  • 力学：压力、加速度、振动。
  • 化学：气体浓度（CO2, TVOC）、PH 值。
  • 位置：GPS、距离（超声波）。
• 按输出信号分：
  • **模拟传感器 (Analog)**：输出连续变化的电压或电流信号（需经 ADC 转换）。
  • **数字传感器 (Digital)**：直接输出数字信号（0/1 或协议数据）。

5.1.2 常用通信接口

数字传感器通常通过标准总线与 MCU 通信：

1. GPIO (通用输入输出)
   • 数字量：0 或 1（如人体红外传感器 PIR）。
   • 模拟量：ADC 读取电压（如光敏电阻）。
2. UART (串口)
   • 特点：异步通信，两根线 (TX, RX)，点对点。
   • 应用：GPS 模块、蓝牙模块、PM2.5 传感器。
3. I2C (Inter-Integrated Circuit)
   • 特点：同步通信，两根线 (SDA, SCL)，支持多从机（通过地址区分）。
   • 应用：温湿度传感器 (AHT20), OLED 屏幕, 陀螺仪 (MPU6050)。
4. SPI (Serial Peripheral Interface)
   • 特点：同步通信，四根线 (MISO, MOSI, SCK, CS)，速度极快。
   • 应用：SD 卡, 高速 TFT 屏幕, LoRa 模块。

5.2 常用传感器实战

5.2.1 温湿度传感器

• DHT11/DHT22：
  • 接口：单总线（One-Wire）。
  • 特点：廉价，精度一般（DHT22 优于 DHT11），响应慢。
• BME280：
  • 接口：I2C/SPI。
  • 特点：博世出品，高精度，集成温度、湿度、气压。

5.2.2 光照传感器

• 光敏电阻：
  • 原理：光强改变电阻值 -> 分压电路 -> ADC 读取。
  • 特点：简单粗暴，非线性。
• BH1750：
  • 接口：I2C。
  • 特点：直接输出 Lux（勒克斯）数值，接近人眼光谱特性。

5.2.3 运动传感器 (IMU)

• MPU6050：
  • 功能：3轴加速度 + 3轴陀螺仪 (6DoF)。
  • 应用：计步器、平衡车、无人机姿态控制。

5.2.4 距离传感器

• HC-SR04 超声波：
  • 原理：发射超声波 -> 接收回波 -> 计算时间差。
  • 精度：cm 级。
• VL53L0X 激光测距：
  • 原理：ToF (Time of Flight) 飞行时间。
  • 精度：mm 级，抗干扰强。

5.3 数据采集与处理

采集到的原始数据往往不能直接使用，需要经过处理。

5.3.1 采样定理

奈奎斯特采样定理：采样频率必须大于信号最高频率的 2 倍，才能无失真恢复信号。

5.3.2 滤波算法

去除噪声干扰：

• 算术平均滤波：连续采 N 次取平均值（适合平稳信号）。
• 中位值滤波：连续采 N 次，去掉最大最小，取中间值（消除脉冲干扰）。
• **卡尔曼滤波 (Kalman Filter)**：高级算法，用于融合预测值和观测值（如 IMU 姿态解算）。

5.3.3 传感器校准

• 零点校准：去除固定偏差。
• 线性校准：y = kx + b。

掌握了数据采集，接下来我们需要一个“大脑”来处理这些数据。下一章我们将学习嵌入式系统基础。