第1章：系统总体架构设计

做天窗漏水检测这个项目，说实话，我一开始也走了不少弯路。记得第一次做样机时，传感器选型没考虑周全，一下雨就误报，搞得自己很狼狈。所以这一章，我想把系统架构设计的思路掰开揉碎了讲清楚。

1.1 硬件架构：传感器 + 主控 + 执行器

硬件架构说白了就三个部分：感知、决策、执行。我习惯用「三明治」结构来理解它。

1.1.1 传感器层

传感器是系统的「眼睛」。我建议至少部署两种传感器：

• 漏水检测传感器：比如电容式或电阻式水位传感器。我个人偏爱电容式，因为它不怕腐蚀，寿命长。我在项目中遇到过电阻式传感器用半年就氧化失效的情况，后来全换成了电容式。
• 雨量传感器：用来判断是否下雨。可以选红外光学式，或者简单的导电式。嗯，这里要注意：导电式容易误触发，最好加个软件滤波。

1.1.2 主控层

主控芯片我推荐用ESP32或STM32。为什么？

• ESP32：自带Wi-Fi和蓝牙，适合做物联网方案。功耗控制也不错，待机时能到10μA左右。
• STM32：实时性更好，适合对响应速度要求高的场景。我有个项目要求漏水后0.5秒内关窗，用的就是STM32。

你想想看，如果只是做本地控制，STM32就够了。但如果想远程报警、手机控制，那ESP32更省事。

1.1.3 执行器层

执行器就是「动手」的部分。常见方案有：

• 步进电机：控制精度高，适合电动天窗。我习惯用28BYJ-48，便宜又够用。
• 舵机：适合小型天窗或翻盖式结构。注意扭矩要留余量，我吃过亏，选了个小舵机，结果天窗卡住关不上。
• 继电器：如果天窗是原厂电机驱动，用继电器控制电源通断就行。简单粗暴，但要注意防浪涌。

组件	推荐型号	关键参数	我的评价
漏水传感器	电容式水位传感器	检测范围0-10mm	耐腐蚀，寿命长
主控芯片	ESP32-WROOM-32	双核240MHz，Wi-Fi+BLE	物联网首选
执行器	28BYJ-48步进电机	5V，扭矩0.3kg·cm	性价比高

1.2 软件架构：数据采集层 + 逻辑层 + 控制层

软件架构我习惯分三层。这样好维护，也好扩展。你想想看，如果所有代码都写在一个文件里，后期改个逻辑都得翻半天。

1.2.1 数据采集层

这一层负责跟传感器打交道。核心任务：

• 定时读取传感器数据（我一般设100ms采样一次）
• 做简单的滤波处理（比如中值滤波，去掉毛刺）
• 把原始数据转换成物理值（比如电压转水位高度）

// 数据采集层示例代码
void collect_sensor_data() {
    int raw_value = analogRead(WATER_SENSOR_PIN);
    // 中值滤波，去掉异常值
    if (abs(raw_value - last_value) < 50) {
        filtered_value = raw_value;
    }
    // 转换成水位高度（mm）
    water_level = map(filtered_value, 0, 4095, 0, 10);
    last_value = raw_value;
}

1.2.2 逻辑层

逻辑层是系统的「大脑」。它负责判断：

• 当前是否漏水（水位超过阈值且持续1秒以上）
• 是否正在下雨（雨量传感器输出高电平）
• 是否需要关窗（漏水 + 下雨，或者单独漏水超过3秒）

我习惯用状态机来实现。状态机的好处是逻辑清晰，不容易出bug。

// 逻辑层状态机示例
enum SystemState {
    IDLE,       // 正常状态
    LEAK_DETECTED, // 检测到漏水
    RAINING,    // 正在下雨
    CLOSING     // 正在关窗
};

SystemState current_state = IDLE;

void logic_loop() {
    switch(current_state) {
        case IDLE:
            if (water_level > THRESHOLD) {
                current_state = LEAK_DETECTED;
            }
            break;
        case LEAK_DETECTED:
            if (is_raining || leak_duration > 3000) {
                current_state = CLOSING;
            }
            break;
        // ... 其他状态处理
    }
}

1.2.3 控制层

控制层负责执行具体动作。比如：

• 驱动步进电机正转（关窗）或反转（开窗）
• 控制继电器通断
• 发送报警通知到手机

这一层要特别注意安全。我建议加个限位开关，防止电机堵转烧坏。

1.3 通信协议选择

通信协议这块，我根据实际场景推荐三种方案：

1.3.1 传感器与主控之间：I2C 或 模拟量

传感器离主控一般很近（几十厘米以内），用I2C最方便。两根线就能搞定。如果传感器是模拟输出，直接用ADC读取也行。

• I2C：适合数字传感器，比如BME280温湿度传感器。速率100kHz就够了。
• 模拟量：适合水位传感器、雨量传感器。注意加个上拉电阻，信号更稳定。

1.3.2 主控与执行器之间：PWM 或 步进电机驱动协议

控制电机时，我习惯用PWM控制舵机，用步进电机驱动库控制步进电机。

• PWM：频率50Hz，占空比5%-10%控制舵机角度。
• 步进电机驱动：用ULN2003驱动板，通过GPIO控制步进顺序。

1.3.3 主控与云端之间：MQTT 或 HTTP

如果需要远程监控，我强烈推荐MQTT。它比HTTP轻量，而且支持实时推送。

协议	适用场景	优点	缺点
MQTT	实时监控、远程控制	低带宽、双向通信	需要Broker服务器
HTTP	数据上报、日志记录	简单、通用	实时性差、开销大

好了，系统总体架构就讲到这里。下一章我会详细讲传感器选型和电路设计。记住一句话：架构设计时多花点心思，后面调试能省一半时间。