2. 系统总体架构设计：节点硬件组成与软件分层

好，咱们进入正题。第二章讲的是系统总体架构，说白了就是——这个能耗监测节点到底长什么样？里面有哪些东西？它们怎么协同工作？

我习惯在设计任何嵌入式系统之前，先画一张大图。这张图里要有硬件模块、软件层次，还有数据怎么流。今天咱们就把这张图给画出来。

2.1 节点硬件组成

一个低功耗无线能耗监测节点，硬件上就四个核心部分：传感器、MCU、无线模块、电源。嗯，听起来简单，但每个部分的选择都藏着坑。

2.1.1 传感器选型

能耗监测，测什么？主要是电流和电压。我常用的方案有两种：

• 电流互感器（CT）+ 运放：适合交流电，成本低，但需要外部调理电路。我在一个项目中用过这个方案，结果运放的偏置电压没处理好，导致小电流下误差很大。后来加了软件校准才搞定。
• 专用计量芯片（如HLW8032、ADE7953）：内部集成了ADC、功率计算、甚至串口输出。说白了就是一颗芯片搞定所有。我个人偏爱HLW8032，因为它功耗低，而且直接输出有功功率，MCU不用做复杂计算。

2.1.2 MCU的选择

MCU是整个节点的大脑。低功耗设计下，MCU的选择直接决定了待机电流。

我常用的MCU有：

• STM32L0系列：待机电流低至0.3μA，适合电池供电。我在一个水表项目里用过，一节CR2032撑了两年。
• ESP32-C3：带WiFi和蓝牙，适合需要本地通信的场景。但注意，它的深度睡眠电流在5μA左右，比STM32L0高一个数量级。
• EFM32系列：Silicon Labs的，待机电流可以做到0.1μA以下。不过价格稍贵。

2.1.3 无线模块

无线模块负责把数据发出去。低功耗场景下，主流选择就两个：

模块类型	典型功耗（发射）	通信距离	适用场景
LoRa（如SX1278）	20mA @ 20dBm	2-5km（视距）	广覆盖、低速率
BLE（如nRF52840）	5mA @ 0dBm	10-100m	近距离、手机直连
WiFi（如ESP8266）	80mA @ 15dBm	50-100m	家庭内部、高带宽

我个人习惯用LoRa做远距离监测。你想想看，一个工厂里几百个节点，如果用WiFi，路由器得装多少？而且WiFi的功耗太高，电池撑不住。

2.1.4 电源设计

电源是低功耗设计的灵魂。我见过太多项目，硬件选型都对了，结果电源效率低，整体功耗翻倍。

常见的电源方案：

• 电池 + LDO：简单、纹波小，但效率低。适合电流很小的场景（<10mA）。
• 电池 + DC-DC：效率高（90%以上），但纹波大。适合需要大电流发射的场景。
• 超级电容 + 电池：用于峰值电流很大的场景（比如LoRa发射时瞬间电流120mA）。

2.2 软件分层架构

硬件搭好了，软件怎么组织？我习惯用分层架构。说白了，就是把代码分成几层，每层只管自己的事。

我的分层方式是这样的：

1. 硬件抽象层（HAL）：直接操作寄存器或外设。比如读ADC、写SPI。
2. 驱动层：封装具体芯片的驱动。比如HLW8032的读写函数、SX1278的配置函数。
3. 中间件层：协议栈、数据缓存、任务调度。比如LoRaWAN协议栈、环形缓冲区。
4. 应用层：业务逻辑。比如什么时候采样、什么时候发送、怎么处理异常。

举个例子，一个典型的采样任务代码结构：

// 应用层：采样任务
void app_sampling_task(void)
{
    uint32_t energy_data;
    
    // 调用驱动层函数
    energy_data = hlw8032_read_energy();
    
    // 调用中间件层函数，存入缓存
    buffer_push(energy_data);
    
    // 判断是否需要发送
    if (buffer_is_full()) {
        lora_send(buffer_get_all());
        buffer_clear();
    }
}

你可能会问：为什么要分这么细？我在一个项目里吃过亏——所有代码都写在一起，后来想换一个无线模块，结果改了三天才改完。分层之后，换模块只需要改驱动层，应用层完全不动。

2.3 数据流设计

数据怎么从传感器流到云端？我画了一个典型的数据流图：

1. 传感器采集：MCU定时唤醒，读取计量芯片的寄存器，得到电压、电流、功率数据。
2. 本地处理：MCU做简单的滤波、校准、累加。比如去掉异常值，乘以校准系数。
3. 数据缓存：把处理后的数据存入Flash或RAM缓冲区。我习惯用环形缓冲区，防止数据覆盖。
4. 无线发送：当缓冲区满了，或者定时时间到，MCU唤醒无线模块，把数据打包发送。
5. 云端接收：服务器收到数据后，存入数据库，并返回确认帧。

嗯，这就是系统总体架构的核心内容。硬件选型、软件分层、数据流向，三者缺一不可。下一章咱们会深入讲MCU的低功耗模式，到时候你会看到，硬件和软件怎么配合才能把功耗压到极致。