第2章：系统架构设计

好，咱们接着聊。上一章我们把农业空气站的需求理清楚了，这一章就要动真格的了——系统架构设计。说白了，就是画图纸、定规矩、选路子。

我做了这么多年嵌入式，最深的体会就是：架构设计决定了项目能走多远。你想想看，如果一开始架构就歪了，后面改起来那叫一个痛苦。我曾经有个项目，就因为通信协议选错了，后期不得不加一个协议转换网关，多花了两个月时间。

2.1 整体硬件框图

先看硬件。农业空气站的核心硬件模块，我习惯分成这么几块：

• 传感器模组：温度、湿度、PM2.5、CO₂、风速风向、光照强度
• 主控单元：MCU（我推荐STM32L4系列，低功耗性能稳）
• 通信模块：4G Cat.1 / NB-IoT / LoRa（根据场景选）
• 电源管理：太阳能+锂电池+MPPT充电管理
• 存储单元：外挂Flash + SD卡（本地数据备份）
• 接口扩展：RS485、I²C、SPI、UART

嗯，这里要注意：传感器和主控之间，我建议加一级隔离。为什么？农业现场环境复杂，雷击、浪涌、地环路干扰，搞不好就把MCU烧了。我吃过这个亏，后来所有设计都加了光耦隔离。

2.2 软件分层架构

软件这块，我坚持分层设计。你想想看，不分层的话，代码就像一团乱麻，改一个地方可能牵动全身。

我的分层习惯是这样的：

层级	职责	举例
应用层	业务逻辑、数据上报策略、告警判断	温度超限触发告警
协议层	MQTT/CoAP协议栈、数据封装/解析	JSON格式打包
驱动层	传感器驱动、外设驱动	SHT30温湿度驱动
硬件抽象层	MCU外设封装、中断管理	GPIO、UART、I²C
RTOS层	任务调度、资源管理	FreeRTOS任务划分

我个人习惯用FreeRTOS做任务调度。为什么？因为农业空气站需要同时处理传感器采集、数据上传、本地存储、低功耗管理等多个任务，裸机跑起来太累。

2.3 数据流走向

数据流，说白了就是数据从哪来、到哪去、中间经过谁。我画了个简化的流程：

传感器 → MCU(ADC/DMA) → 数据处理(滤波/校准) → 本地存储(SD卡)
    ↓
协议封装(MQTT/CoAP)
    ↓
通信模块(4G/LoRa)
    ↓
云平台(数据解析/存储/展示)
    ↓
用户终端(手机/PC)

这里有个关键点：数据一定要本地存一份。为什么？网络不稳定是常态。我曾经在新疆的农场部署设备，4G信号时有时无，如果没有本地存储，数据就全丢了。

数据采集频率我建议这样设：

• 常规采集：每5分钟一次
• 告警触发：立即采集并上报
• 低功耗模式：每30分钟一次

2.4 通信协议选型

通信协议选型，这是个大话题。我直接说结论：农业空气站首选MQTT。为什么？

协议	优点	缺点	适用场景
MQTT	轻量、双向通信、QoS保证、持久连接	依赖Broker、协议开销略大	实时监测、远程控制
HTTP	简单、通用、防火墙友好	请求/响应模式、实时性差、功耗高	配置下发、固件升级
CoAP	极轻量、UDP传输、适合资源受限设备	可靠性不如MQTT、生态不成熟	NB-IoT、低功耗传感器

我个人建议这样组合：

• 主通信：MQTT over TCP，QoS设为1（至少一次），保证数据不丢
• 辅助通信：HTTP，用于OTA固件升级和配置下发
• 极端场景：CoAP，如果设备资源极度受限（比如8位MCU）

嗯，这里还要提一句：数据格式。我推荐用JSON，虽然比二进制大一点，但可读性好、调试方便。如果带宽实在紧张，可以压缩后再传。

2.5 架构设计总结

好了，这一章的内容就这些。总结一下核心要点：

• 硬件框图要模块化，传感器和主控之间加隔离
• 软件分层要清晰，RTOS是标配
• 数据流要本地备份，别全依赖网络
• 通信协议选MQTT，辅以HTTP和CoAP

下一章，我们开始动手画原理图。到时候我会把每个模块的选型思路、电路设计细节都讲清楚。咱们下章见。