3. 传感器数据采集：倾斜传感器原理与选型、震动传感器原理与选型、ADC采样配置、传感器数据滤波算法
好，咱们进入第三章。这一章是硬骨头，也是整个货架报警系统里最核心的感知层。说白了，传感器选错了，后面算法写得再漂亮也是白搭。我见过太多项目，最后排查问题发现是传感器型号没选对，白白浪费几周时间。
3.1 倾斜传感器：原理与选型
倾斜传感器，顾名思义，就是检测物体有没有歪。货架一旦倾斜超过某个角度，说明可能快倒了，必须报警。
原理上分两种：
- 机械式（水银开关/滚珠开关）： 里面有个小珠子或者水银球，倾斜到一定角度就接通电路。便宜、简单，但精度低，有抖动误报问题。我早期做安防项目用过，后来发现货架被叉车碰一下就会误报，果断弃了。
- MEMS加速度计式： 利用微机电系统测量重力加速度在三个轴上的分量，通过反正切算出倾斜角。精度高、可调阈值、无机械触点。我现在做货架报警，首选这种。
选型要点：
- 量程： 货架倾斜一般不会超过45度，选±90度量程足够。别选±180度的，分辨率会下降。
- 输出接口： 模拟电压输出（需要ADC）或数字I2C/SPI输出。我个人习惯用数字接口，省去ADC校准的麻烦。
- 功耗： 如果是电池供电，选待机电流小于10μA的型号。
我的经验： 曾经在一个冷链仓库项目里，普通倾斜传感器低温下漂移严重。后来换了工业级(-40℃~85℃)的MEMS传感器才搞定。环境温度对传感器影响很大，选型时一定要看工作温度范围。
3.2 震动传感器：原理与选型
震动传感器用来检测货架有没有被撞击或者持续晃动。比如叉车撞了一下，或者地震来了，都需要触发报警。
常见类型：
- 压电式： 压电陶瓷受到震动产生电荷，输出一个电压脉冲。灵敏度高，但只能检测动态震动，静态倾斜检测不了。适合检测撞击事件。
- MEMS加速度计（震动模式）： 和倾斜传感器可以是同一个芯片，只是算法不同。通过检测加速度的突变来判断震动。我建议直接用三轴加速度计，一芯两用，既测倾斜又测震动。
选型关键参数：
| 参数 | 说明 | 我的建议值 |
|---|---|---|
| 灵敏度 | 单位g对应的电压或数字量 | ≥300mV/g（模拟）或 16384 LSB/g（数字） |
| 带宽 | 能检测到的震动频率范围 | 0.5Hz ~ 100Hz（货架震动频率较低） |
| 阈值可调 | 是否支持软件设置触发阈值 | 必须支持，否则不同货架需要不同硬件 |
避坑指南： 我曾经选了一款高灵敏度的压电传感器，结果货架旁边有人走路都能触发报警。后来加了数字滤波和阈值迟滞才解决。记住：传感器灵敏度不是越高越好，要和实际应用场景匹配。
3.3 ADC采样配置
如果你选的是模拟输出的传感器，那就绕不开ADC。嗯，这里我多说几句，ADC配置不好，数据全是噪声。
关键配置项：
- 参考电压： 一般用单片机内部参考（如2.5V或3.3V），或者外部精密参考。我建议用外部参考，内部参考温漂大，精度差。
- 分辨率： 10位还是12位？对于倾斜检测，10位（1024级）够用，但想检测0.1度级别的变化，建议12位以上。
- 采样率： 震动信号需要较高的采样率（100Hz以上），倾斜信号10Hz就够了。别一股脑全用最高采样率，功耗会飙升。
// 以STM32为例，配置ADC采样倾斜传感器
// 单次转换模式，12位分辨率，采样时间55.5个周期
void ADC_Config(void) {
ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
// 使能时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE);
// 配置PA0为模拟输入
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// ADC配置
ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // 单通道
ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; // 单次转换
ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1;
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStruct);
// 配置采样时间（55.5个周期，适合高阻抗传感器）
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
// 使能ADC
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
// 校准
ADC_ResetCalibration(ADC1);
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
ADC_StartCalibration(ADC1);
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
}
小技巧： 采样时间别设太短。传感器输出阻抗高时，采样时间短了电容充不满，读数会偏小。我一般设55.5个周期起步，如果传感器输出阻抗大于10kΩ，建议用239.5个周期。
3.4 传感器数据滤波算法
原始ADC数据直接拿来用？别闹。货架在仓库里，叉车经过、人员走动、甚至风吹都会带来噪声。不滤波的话，系统会疯掉。
我常用的两种滤波：
3.4.1 中值滤波
原理很简单：连续采N个值，排序后取中间那个。对脉冲噪声（比如突然的撞击）效果极好。
// 中值滤波实现（窗口大小5）
#define MEDIAN_WINDOW_SIZE 5
uint16_t MedianFilter(uint16_t new_sample) {
static uint16_t buffer[MEDIAN_WINDOW_SIZE];
static uint8_t index = 0;
uint16_t temp[MEDIAN_WINDOW_SIZE];
uint16_t i, j, tmp;
// 更新环形缓冲区
buffer[index] = new_sample;
index = (index + 1) % MEDIAN_WINDOW_SIZE;
// 拷贝到临时数组并排序（冒泡排序，简单够用）
for(i = 0; i < MEDIAN_WINDOW_SIZE; i++) {
temp[i] = buffer[i];
}
for(i = 0; i < MEDIAN_WINDOW_SIZE - 1; i++) {
for(j = 0; j < MEDIAN_WINDOW_SIZE - 1 - i; j++) {
if(temp[j] > temp[j+1]) {
tmp = temp[j];
temp[j] = temp[j+1];
temp[j+1] = tmp;
}
}
}
// 返回中间值
return temp[MEDIAN_WINDOW_SIZE / 2];
}
适用场景： 震动检测。当货架被撞击时，会产生一个尖锐的脉冲信号，中值滤波能完美滤掉这个脉冲，只保留正常的震动趋势。但注意，窗口越大，延迟越大，实时性会下降。
3.4.2 滑动平均滤波
把最近N个采样值加起来求平均。对周期性噪声（比如电机振动）抑制效果好，但对脉冲噪声反应迟钝。
// 滑动平均滤波实现（窗口大小8）
#define AVG_WINDOW_SIZE 8
uint16_t MovingAverageFilter(uint16_t new_sample) {
static uint16_t buffer[AVG_WINDOW_SIZE];
static uint8_t index = 0;
static uint16_t sum = 0;
static uint8_t count = 0;
// 减去最旧的值，加上最新的值
sum -= buffer[index];
sum += new_sample;
buffer[index] = new_sample;
index = (index + 1) % AVG_WINDOW_SIZE;
if(count < AVG_WINDOW_SIZE) {
count++;
}
return sum / count;
}
我的用法： 倾斜数据用滑动平均，因为倾斜变化是缓慢的，平均一下能滤掉高频抖动。震动数据用中值滤波，因为要保留突变信息。你想想看，如果倾斜也用中值滤波，货架慢慢歪了，中间值可能还是原来的值，报警就延迟了。
3.4.3 组合使用
实际项目中，我经常把两种滤波串起来用。先中值滤波去掉脉冲噪声，再滑动平均平滑数据。效果比单一滤波好很多。
// 组合滤波：先中值，再滑动平均
uint16_t CombinedFilter(uint16_t raw_adc) {
uint16_t median_result = MedianFilter(raw_adc);
uint16_t avg_result = MovingAverageFilter(median_result);
return avg_result;
}
注意： 滤波会引入延迟。中值滤波窗口5延迟约2~3个采样周期，滑动平均窗口8延迟约4个采样周期。如果采样率是100Hz，总延迟约60ms，对货架报警来说完全可接受。但如果你做高速碰撞检测，就要权衡了。
好了，这一章的内容就这些。传感器选型、ADC配置、滤波算法，这三样搞定了，数据采集这块就稳了。下一章咱们聊聊怎么把这些数据变成报警逻辑，以及怎么和上位机通信。到时候见。