第3章数据采集硬件

3. 数据采集硬件：单片机选型（ESP32/STM32）、接口电路设计（GPIO、中断）、防雷与防水设计

好，咱们进入硬件选型环节。说实话，很多初学者一上来就纠结“用ESP32还是STM32”，其实没那么玄乎。我个人的习惯是：先看需求，再定芯片。雨量检测这个场景，说白了就是传感器信号进来，单片机处理，然后上传数据。但这里头有几个坑，我踩过，得跟你聊聊。

3.1 单片机选型：ESP32 vs STM32

先说说这两款芯片。ESP32，带Wi-Fi和蓝牙，适合直接上云。STM32，性能稳定，外设丰富，适合做工业级控制。你想想看，如果项目要求数据直接传到服务器，那ESP32确实方便，省一个通信模块。但如果是野外长期运行，对功耗和稳定性要求极高，我建议用STM32。

我在项目中遇到过一件事：用ESP32做雨量计，结果连续下雨天，Wi-Fi重连频繁，数据丢包严重。后来换成STM32加LoRa模块，问题就解决了。嗯，这里要注意，不是ESP32不好，而是场景要选对。

选型建议：

ESP32：适合原型验证、快速迭代、需要Wi-Fi/BLE的场景。成本低，生态好。
STM32：适合工业级、低功耗、高可靠性场景。外设丰富，抗干扰能力强。

我个人习惯，如果项目最终要量产，我会选STM32。因为它的文档和库函数更成熟，出了问题好排查。ESP32的Arduino生态虽然方便，但底层细节有时候藏得深，调试起来费劲。

3.2 接口电路设计：GPIO与中断

雨量传感器，最常见的是翻斗式。每翻一次，就是一个脉冲信号。这个信号怎么接？说白了，就是接到单片机的GPIO上，然后配置成外部中断。

为什么用中断？你想，如果主程序一直在轮询GPIO电平，CPU就被占死了。用中断的话，翻斗一翻，CPU立刻响应，计数加1。这样既省电，又不会漏掉脉冲。

我曾经犯过一个低级错误：没加去抖电路。结果雨稍微大点，翻斗抖动，一个脉冲变成了好几个。嗯，后来我在GPIO输入端加了一个RC低通滤波，软件里再做个10ms的去抖延时，问题就解决了。

接口电路设计要点：

上拉/下拉电阻：翻斗传感器通常是干簧管或霍尔元件，输出为开漏。必须加上拉电阻，否则电平不确定。
去抖电容：在GPIO与GND之间并联一个0.1μF电容，滤除高频抖动。
中断触发方式：建议用下降沿触发。翻斗翻转时，信号从高到低，正好一个完整脉冲。

代码示例（ESP32 Arduino环境）：

const int rainPin = 4;  // GPIO4
volatile int rainCount = 0;

void IRAM_ATTR rainISR() {
  // 简单去抖：忽略10ms内的重复触发
  static unsigned long lastTime = 0;
  unsigned long now = millis();
  if (now - lastTime > 10) {
    rainCount++;
    lastTime = now;
  }
}

void setup() {
  pinMode(rainPin, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(rainPin), rainISR, FALLING);
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  Serial.printf("Rain count: %d\n", rainCount);
  delay(1000);
}

你看，代码很简单。但注意那个 IRAM_ATTR，这是ESP32的要求，中断服务函数必须放在IRAM里，否则会出问题。我刚开始不知道，程序老是重启，查了半天才找到原因。

3.3 防雷与防水设计

农业气象站，说白了就是放在野外的。雷雨天气，传感器和通信线路最容易遭雷击。防水更不用说了，雨量计本身就是测雨的，不防水怎么行？

先讲防雷。我见过一个惨痛的案例：一个气象站的雨量计，雷雨过后直接报废。拆开一看，PCB上的走线都烧断了。原因很简单，传感器线缆太长，感应到了雷击浪涌。

防雷设计要点：

TVS管：在传感器信号线与GND之间并联一个双向TVS管，钳位电压选5V或6V。能吸收瞬间浪涌。
气体放电管：在长线缆的入口处加一个气体放电管，对付大能量雷击。
光耦隔离：如果条件允许，用光耦把传感器信号和单片机隔离开。这样雷击浪涌最多烧坏光耦，单片机没事。

再讲防水。雨量计的外壳，防护等级至少IP65，最好IP67。接口处要用防水接头，线缆入口要打胶密封。我建议在PCB上涂一层三防漆，防潮防腐蚀。

嗯，这里有个细节：排水孔。雨量计内部如果进水，必须能排出去。否则水积在里面，传感器会误触发。我在设计时，会在外壳底部开几个小孔，用防水透气膜封住，既排水又防虫。

防水设计清单：

项目	要求	备注
外壳防护等级	IP65以上	推荐IP67
线缆接口	防水航空接头	M12或M8规格
PCB防护	三防漆喷涂	厚度0.1-0.2mm
排水设计	底部排水孔+透气膜	孔径3mm，间距10cm

最后说一句，防雷和防水，别想着省钱。野外设备一旦坏了，维修成本比硬件成本高得多。我见过有人用普通网线做传感器线缆，结果一场雨下来，线皮都烂了。嗯，还是老老实实用铠装电缆吧。

避坑指南：

我曾经用普通杜邦线接翻斗传感器，结果风吹日晒，线头氧化，信号时断时续。后来全换成镀金端子，再没出过问题。
防雷接地一定要做好。单独打一根接地桩，接地电阻小于4Ω。别跟电源地共用，否则雷击时电位会反串。