单片机嵌入系统项目实战：物联网传感器采集与传输的秘籍

# 1. 单片机嵌入式系统简介

单片机嵌入式系统是一种将计算机系统集成到单个芯片上的电子系统。它通常由一个微控制器、存储器和输入/输出接口组成。单片机嵌入式系统广泛应用于各种电子设备中，例如智能手机、汽车电子和工业控制。

嵌入式系统具有体积小、功耗低、成本低和可靠性高等优点。它们通常用于需要实时响应和低功耗的应用中。嵌入式系统的设计和开发需要考虑硬件、软件和系统集成等多方面的因素。

# 2. 物联网传感器基础

物联网（IoT）传感器是物联网系统中至关重要的组件，它们负责感知和收集物理世界的各种信息，为后续的数据处理和决策提供基础。本章节将深入探讨物联网传感器基础，包括传感器类型、原理、选型和应用。

### 2.1 传感器的类型和原理

传感器根据其感知对象的不同，可以分为多种类型，常见的物联网传感器包括：

#### 2.1.1 温度传感器

温度传感器用于测量温度，其原理是利用材料的电阻、电容或电压等物理特性随温度变化而变化。常用的温度传感器类型包括：

- **热敏电阻（NTC）：**随着温度升高，电阻减小。
- **正温度系数（PTC）：**随着温度升高，电阻增大。
- **二极管：**正向压降随温度变化。
- **热电偶：**不同金属连接处产生温差时，会产生电压。

#### 2.1.2 湿度传感器

湿度传感器用于测量空气中的湿度，其原理是利用材料的电阻、电容或重量等物理特性随湿度变化而变化。常用的湿度传感器类型包括：

- **电容式：**两片电极之间的电容随湿度变化。
- **电阻式：**材料的电阻随湿度变化。
- **重量式：**湿度吸收材料的重量随湿度变化。

#### 2.1.3 光照传感器

光照传感器用于测量光照强度，其原理是利用材料的光电效应或光电阻效应。常用的光照传感器类型包括：

- **光电二极管：**光照时产生电流。
- **光敏电阻（LDR）：**光照时电阻减小。
- **光电晶体管：**光照时放大电流。

### 2.2 传感器的选型和应用

在物联网系统中，传感器的选型至关重要。选择合适的传感器需要考虑以下原则：

#### 2.2.1 传感器选型的原则

- **测量范围：**传感器应能够覆盖所需的测量范围。
- **精度和分辨率：**传感器应具有足够的精度和分辨率，以满足应用要求。
- **响应时间：**传感器应具有足够的响应时间，以满足应用需求。
- **环境耐受性：**传感器应能够承受应用环境中的温度、湿度、振动等因素。
- **功耗：**对于电池供电的物联网设备，传感器功耗应尽可能低。

#### 2.2.2 传感器在不同领域的应用

传感器在物联网中有着广泛的应用，包括：

- **环境监测：**监测温度、湿度、空气质量等环境参数。
- **工业自动化：**监测机器状态、生产线效率等工业参数。
- **医疗保健：**监测生命体征、血糖水平等健康参数。
- **智能家居：**监测门窗状态、光照强度等家居参数。
- **可穿戴设备：**监测心率、步数等个人健康参数。

# 3.1 数据采集技术

数据采集是物联网系统中至关重要的一环，负责将物理世界的信号转化为数字信号，以便后续处理和分析。数据采集技术主要分为模拟信号采集和数字信号采集两种。

#### 3.1.1 模拟信号采集

模拟信号是连续变化的信号，如温度、湿度、光照等。模拟信号采集需要使用模数转换器（ADC）将模拟信号转化为数字信号。ADC的转换精度和采样率是影响数据采集质量的关键因素。

**代码块：模拟信号采集**

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 模拟正弦波信号
fs = 1000  # 采样率
t = np.linspace(0, 1, fs)
signal = np.sin(2 * np.pi * 100 * t)

# 使用 ADC 采集信号
adc_bits = 12  # ADC 分辨率
adc_max_voltage = 5  # ADC 最大输