3、传感器数据采集：模拟量与数字量传感器、ADC采样原理、I2C/SPI总线协议、数据滤波算法（中值/均值）

大家好，我是老张。今天咱们聊聊传感器数据采集。

做物联网运维这些年，我见过太多设备因为数据采集不准而出问题。说白了，传感器就是物联网的「眼睛」和「耳朵」。眼睛花了，耳朵背了，后面再好的算法也是白搭。

3.1 模拟量传感器 vs 数字量传感器

先分清楚两类传感器。这个基础概念搞混了，后面全乱套。

模拟量传感器，输出的是连续变化的电压或电流信号。比如温度传感器LM35，温度每升高1℃，输出电压增加10mV。我早期做温室大棚项目时，用的就是这种。优点是便宜、响应快，缺点嘛——信号容易受干扰。

数字量传感器，内部集成了ADC和通信接口，直接输出数字信号。比如DS18B20温度传感器，一根线就能传数据。我后来做冷链监控，全换成了数字传感器。为什么？抗干扰能力强，布线也简单。

对比项	模拟量传感器	数字量传感器
输出信号	电压/电流（连续）	数字编码（离散）
抗干扰能力	较弱	较强
成本	低	略高
典型代表	LM35、光敏电阻	DS18B20、BMP280

3.2 ADC采样原理

模拟量传感器输出的电压，MCU不认识。MCU只认0和1。这时候就需要ADC——模数转换器。

ADC的核心参数有两个：分辨率和采样率。

• 分辨率：比如10位ADC，能把0-5V分成1024份。每份约4.88mV。12位就是4096份，精度更高。
• 采样率：每秒采多少次。采集温度，每秒10次就够了。采集音频，至少每秒44100次。

我记得有一次做振动监测，用了10位ADC，结果数据波动大得没法看。换成12位后，问题立马解决。嗯，这里要注意：分辨率不是越高越好，还要考虑成本和速度。

3.3 I2C/SPI总线协议

数字量传感器怎么和MCU通信？主流方案就两个：I2C和SPI。

I2C协议，两根线：SCL（时钟）和SDA（数据）。支持多设备挂在一根总线上，每个设备有唯一地址。我做过一个项目，一条I2C总线上挂了8个传感器，省了不少IO口。

但I2C有个坑——距离长了容易出问题。我曾经在一条2米长的I2C总线上挂传感器，数据经常丢包。后来加了电平转换芯片才搞定。

SPI协议，四根线：SCK、MOSI、MISO、CS。速度比I2C快得多，但占用的IO口也多。每个设备需要独立的片选线（CS）。

对比项	I2C	SPI
线数	2根	4根
速度	标准100kHz-400kHz	可达数十MHz
多设备支持	地址寻址，方便	片选控制，占用IO
适用场景	低速、多设备	高速、少设备

3.4 数据滤波算法（中值/均值）

传感器数据采集回来，直接能用吗？别急。原始数据里全是噪声。你想想看，一个温度传感器，1秒内跳变3-5℃——这正常吗？肯定不正常。

这时候就需要滤波。我常用的两种：

均值滤波：连续采N次，取平均值。简单粗暴，适合平稳信号。比如采集室温，采10次取平均，效果不错。

中值滤波：连续采N次，排序后取中间值。这个对付突发干扰特别有效。比如有人碰了一下传感器，产生了一个异常高值。均值滤波会被带偏，中值滤波直接忽略它。

我做过一个水位监测项目，传感器偶尔被水浪冲击产生尖峰。用均值滤波，水位值忽高忽低。换成中值滤波后，数据稳如老狗。

// 均值滤波示例
#define FILTER_N 10
int filter_buffer[FILTER_N];
int filter_index = 0;

int mean_filter(int new_value) {
    int sum = 0;
    filter_buffer[filter_index] = new_value;
    filter_index = (filter_index + 1) % FILTER_N;
    
    for (int i = 0; i < FILTER_N; i++) {
        sum += filter_buffer[i];
    }
    return sum / FILTER_N;
}

// 中值滤波示例
int median_filter(int new_value) {
    int temp[FILTER_N];
    // 更新缓冲区
    for (int i = 0; i < FILTER_N - 1; i++) {
        filter_buffer[i] = filter_buffer[i + 1];
    }
    filter_buffer[FILTER_N - 1] = new_value;
    
    // 复制并排序
    memcpy(temp, filter_buffer, sizeof(temp));
    // 冒泡排序（简单示意）
    for (int i = 0; i < FILTER_N - 1; i++) {
        for (int j = 0; j < FILTER_N - i - 1; j++) {
            if (temp[j] > temp[j + 1]) {
                int t = temp[j];
                temp[j] = temp[j + 1];
                temp[j + 1] = t;
            }
        }
    }
    return temp[FILTER_N / 2];
}

好了，传感器数据采集这块就聊到这儿。下一章咱们讲数据传输协议，MQTT和CoAP，到时候见。

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