第二章 系统总体架构设计：硬件架构选型与软件分层
各位同学，咱们直接进入正题。上一章聊了项目背景和需求，这一章要动真格的了——把整个货架系统的骨架搭起来。
我个人习惯，做任何嵌入式项目，第一步不是画原理图，而是先想清楚两件事：用什么芯片，软件怎么分层。这两件事定下来，后面就是填坑的体力活了。
2.1 硬件架构选型：MCU、传感器、无线模块
低功耗货架系统，说白了就是一堆传感器定时醒来，把数据发出去，然后继续睡大觉。所以硬件选型的核心就三个字：省、稳、小。
2.1.1 MCU选型——心脏要够强，还得会睡觉
MCU是整个系统的大脑。我选MCU有个原则：性能够用就行，功耗越低越好。
为什么？你想想看，货架系统大部分时间都在待机。如果MCU的待机电流是10μA，另一颗是1μA，一年下来电池寿命差好几倍。
我推荐几颗常用的低功耗MCU：
| 型号 | 内核 | 待机电流 | 唤醒时间 | 适合场景 |
|---|---|---|---|---|
| STM32L0系列 | Cortex-M0+ | 0.3μA | 3.5μs | 通用型，生态好 |
| EFM32 Gecko | Cortex-M3 | 0.2μA | 2μs | 超低功耗场景 |
| nRF52840 | Cortex-M4F | 1.3μA | 1.3μs | 自带BLE，省一颗芯片 |
我个人偏好STM32L0系列。原因很简单：资料多、坑少、便宜。我在项目中遇到过用某款小众MCU，结果低功耗模式唤醒后ADC采样值漂移，查了三天才发现是芯片内部参考电压没稳定。嗯，从那以后我再也不敢用太冷门的片子了。
2.1.2 传感器选型——够用就好，别堆料
货架系统需要感知什么？无非是：有没有货、温度湿度、门有没有关好。
我见过一些方案，一个货架上装了红外、超声波、激光、压力传感器……说实话，没必要。传感器越多，功耗越高，故障点也越多。
我的建议：
- 重量检测：用HX711+电阻应变片。便宜、成熟、功耗低。我习惯在HX711的电源脚加一个MOS管，不用时彻底断电。
- 温湿度：SHT30或DHT22。SHT30精度更高，但DHT22便宜。看预算选。
- 门磁检测：干簧管+磁铁。最简单的方案，零功耗待机。
这里有个坑：传感器不要一直供电。我曾经做过一个项目，传感器上电后需要100ms稳定时间，我直接让MCU一直供电，结果待机电流多了50μA。后来改成采样前100ms才供电，功耗直接降了一个数量级。
2.1.3 无线模块选型——距离、功耗、成本三选二
无线通信是货架系统的命脉。数据传不出去，前面所有工作都白费。
市面上主流的无线方案就几种：
- BLE（蓝牙低功耗）：适合近距离（10-30米）、低数据量。nRF52840或TI CC2540。我推荐nRF52840，自带MCU，一颗芯片搞定所有。
- LoRa：适合远距离（1-5公里）、超低功耗。SX1278或ASR6501。适合仓库、冷链等大场景。
- Zigbee：适合组网、多节点。CC2530。但说实话，Zigbee的协议栈有点重，小项目不推荐。
- Wi-Fi：ESP8266或ESP32。功耗高，但胜在直接连路由器。适合有电源的场景。
我个人习惯：小货架用BLE，大仓库用LoRa。为什么？BLE便宜、简单、手机就能调试。LoRa虽然贵一点，但一个网关能覆盖整个仓库，省了布线成本。
我记得有一次做冷链项目，客户要求货架间距50米，用BLE死活连不上。后来换成LoRa，一发入魂。嗯，选型这事，真不能拍脑袋。
2.2 软件分层架构设计
硬件选好了，接下来是软件。很多新手喜欢把所有代码写在一个main.c里，看着很爽，但后期维护起来……嗯，你懂的。
我建议采用三层架构：
┌─────────────────────────────┐
│ 应用层 (App Layer) │
│ 数据采集、上报策略、告警逻辑 │
├─────────────────────────────┤
│ 中间层 (Middleware) │
│ 协议栈、数据缓存、任务调度 │
├─────────────────────────────┤
│ 驱动层 (Driver Layer) │
│ MCU外设、传感器驱动、无线驱动 │
└─────────────────────────────┘2.2.1 驱动层——让硬件乖乖听话
驱动层是最底层的代码，直接操作寄存器或HAL库。这一层的原则是：只做一件事，做好一件事。
比如一个温度传感器驱动，就只负责：
- 初始化I2C接口
- 发送读取命令
- 解析返回数据
- 返回温度值（单位：℃）
不要在这里做滤波、不要做阈值判断、不要做日志打印。那些是上层的事。
我写驱动有个习惯：每个驱动都提供一个Init()和一个Deinit()。Init里开时钟、配GPIO；Deinit里关时钟、拉低功耗。这样上层可以灵活控制外设的开关。
2.2.2 中间层——承上启下的粘合剂
中间层是很多人容易忽略的部分。说白了，它负责：
- 数据缓存：传感器数据采集后，先存到环形缓冲区，等无线模块空闲了再发。
- 协议封装：把原始数据打包成JSON或自定义二进制协议。
- 任务调度：什么时候采样、什么时候发送、什么时候休眠。
我建议在中间层实现一个简单的状态机。比如：
typedef enum {
STATE_INIT,
STATE_SENSOR_READ,
STATE_DATA_PROCESS,
STATE_WIRELESS_SEND,
STATE_SLEEP
} SystemState_t;每个状态只做一件事，做完就跳到下一个状态。这样代码逻辑清晰，调试也方便。我在项目中遇到过状态机跳转混乱导致死机的问题，后来加了一个状态超时保护，再也没出过事。
2.2.3 应用层——业务逻辑的舞台
应用层是离用户最近的一层。它决定：
- 多久采集一次数据（5分钟？10分钟？）
- 数据怎么上报（实时？定时？阈值触发？）
- 什么情况下告警（温度超限？电量过低？）
这一层我建议用配置文件来驱动。比如：
// config.h
#define SAMPLE_INTERVAL_MS 60000 // 采样间隔：1分钟
#define SEND_INTERVAL_MS 300000 // 上报间隔：5分钟
#define TEMP_ALARM_HIGH 40.0f // 高温告警阈值
#define BATTERY_LOW_THRESHOLD 10 // 低电量阈值（%）为什么要用配置文件？因为客户的需求经常变。今天说5分钟上报一次，明天说改成10分钟。如果这些值硬编码在代码里，每次都要重新编译烧录。用配置文件，直接通过无线模块下发指令修改就行。
2.3 本章小结
好了，这一章的内容就这些。总结一下：
- 硬件选型：MCU选STM32L0系列，传感器按需选型，无线模块看距离选BLE或LoRa。
- 软件分层：驱动层管硬件、中间层管调度、应用层管业务。层与层之间通过接口通信，不要跨层调用。
下一章，咱们开始画原理图，把今天选的这些芯片连起来。到时候我会详细讲电源设计——这可是低功耗系统的命门。
各位，先消化一下。有问题随时交流。