3. GPIO与传感器数据采集

资产追踪设备的核心价值在于“感知”——它必须持续知道资产当前是静止还是移动、是否被搬动、所处环境的温湿度是否越界。在 nRF52/nRF53 系列 SoC 上，这些感知能力由 GPIO、I2C（TWI）和 SPI 三类外设协同完成：GPIO 负责按键、干簧管、LED 等离散信号与中断唤醒；I2C 连接温湿度传感器和部分低功耗加速度计；SPI 则以更高吞吐连接需要频繁读取 FIFO 的加速度计。本节围绕“接口选型—总线连接—中断与轮询采集—数据判读”这条主线展开，最终让设备能稳定输出资产状态数据。

一、先明确三类接口的分工

nRF 的 GPIO 是通用可编程引脚，每个引脚可配置为输入、输出、上拉/下拉、开漏，并可挂接 GPIOTE 任务与事件，实现“边沿触发中断”和“低功耗唤醒”。资产追踪中典型的 GPIO 用途包括：干簧管/霍尔开关检测外壳开合、按键触发配网、LED 指示状态、以及作为传感器中断引脚（INT1/INT2）的输入。

I2C（Nordic 称为 TWI）是两线总线，SCL/SDA 需外接上拉电阻（典型 4.7 kΩ，400 kHz 时可用 2.2～4.7 kΩ）。它适合连接 SHT3x/SHT4x 温湿度传感器、LIS2DH12/LIS3DH 等低速加速度计、以及 BME280 等环境传感器。优点是引脚少、可挂多设备；缺点是速率有限，不适合高频读取大 FIFO。

SPI 是四线总线（SCK、MOSI、MISO、CS），速率可达 8 MHz 甚至更高，适合 LIS3DH、LSM6DS3、ADXL362 等需要突发读取 FIFO 的加速度计。代价是每个从设备需要独立 CS 引脚，布线略多。

二、总线连接与地址/片选规划

以 nRF52840 为例，一个可行的引脚分配如下（示例，实际以硬件设计为准）：

I2C 地址需避免冲突：SHT30 默认 0x44（ADDR 接低）或 0x45；LIS2DH12 为 0x18 或 0x19（SA0 决定）。规划时应把地址写进设备树或配置宏，便于统一管理。

三、中断与轮询：两种采集策略的取舍

轮询（polling）实现简单：主循环按固定周期读取传感器寄存器，判断阈值。缺点是 CPU 空转、功耗高，且周期太短浪费电、太长会漏事件。中断（interrupt）则由传感器在事件发生时拉低 INT 引脚，触发 nRF 的 GPIOTE 中断，CPU 被唤醒后再读取数据，功耗显著更低，适合电池供电的资产追踪器。

实际工程中常采用“混合策略”：加速度计配置运动/静止中断，静止时 CPU 深度睡眠；一旦运动中断到来，唤醒后切换到较高频率轮询采集一段时间的加速度与温湿度，确认资产状态变化后再回到低功耗中断模式。

四、中断采集的实现要点

以 LIS2DH12 的 INT1 运动中断为例，配置流程如下：先通过 I2C 写 CTRL_REG1 设置 ODR（如 10 Hz）与使能轴；写 INT1_CFG 使能 X/Y/Z 高事件（AOI=1 表示“或”逻辑）；写 INT1_THS 设置阈值（如 0x10，对应约 128 mg）；写 INT1_DURATION 设置持续时间（如 0x02，避免抖动误触发）；最后写 CTRL_REG3 把 INT1 路由到物理引脚。

在 nRF 侧，把该引脚配置为输入并挂接 GPIOTE IN 事件。使用 nRF5 SDK 时可用 nrf_drv_gpiote_in_init() 指定 NRF_GPIOTE_POLARITY_HITOLO（高到低）触发；使用 nRF Connect SDK 时则通过 GPIO_INT_EDGE_TO_ACTIVE 与 gpio_pin_interrupt_configure() 完成。中断回调中不要做耗时操作，只置一个标志或发送信号量，由主线程读取数据。

// nRF Connect SDK 示例：配置 INT1 下降沿中断
static struct gpio_callback accel_cb;

gpio_pin_configure(dev, INT1_PIN, GPIO_INPUT | GPIO_PULL_UP);
gpio_pin_interrupt_configure(dev, INT1_PIN, GPIO_INT_EDGE_TO_ACTIVE);
gpio_init_callback(&accel_cb, accel_int_handler, BIT(INT1_PIN));
gpio_add_callback(dev, &accel_cb);

void accel_int_handler(const struct device *dev,
                       struct gpio_callback *cb, uint32_t pins)
{
    k_sem_give(&accel_sem);   // 仅唤醒，不做 I2C 读
}

五、轮询采集温湿度的实现

SHT30 支持单次测量模式：发送命令 0x2C06（高重复性、时钟拉伸关闭），等待约 15 ms 后读取 6 字节数据，前 3 字节为温度、后 3 字节为湿度，末字节为 CRC。温度换算：T(°C) = -45 + 175 × (raw / 65535)；湿度换算：RH(%) = 100 × (raw / 65535)。

// 伪代码：SHT30 单次测量
uint8_t cmd[2] = {0x2C, 0x06};
i2c_write(SHT30_ADDR, cmd, 2);
k_sleep(K_MSEC(20));
uint8_t buf[6];
i2c_read(SHT30_ADDR, buf, 6);
uint16_t t_raw = (buf[0] << 8) | buf[1];
uint16_t h_raw = (buf[3] << 8) | buf[4];
float temp = -45.0f + 175.0f * t_raw / 65535.0f;
float hum  = 100.0f * h_raw / 65535.0f;

轮询周期建议与资产状态匹配：静止时 60 s 一次，运动时 5 s 一次。若使用 Zephyr，可把采集封装为工作队列任务，由定时器周期提交，避免阻塞主循环。

六、数据判读与状态映射

采集到的原始数据需要映射为资产状态。一个可用的判断规则示例：

• 加速度三轴合成幅值 |a| 与 1 g 偏差持续超过 0.15 g 且超过 2 s → 判定“运动”。
• 温度超过 45 °C 或低于 -10 °C → 标记“环境越界”，触发告警上报。
• 湿度超过 80% RH 持续 10 min → 标记“潮湿风险”。
• 干簧管由闭合变断开 → 判定“外壳被打开”，立即上报。

这些阈值应作为配置参数存放，便于按资产类型调整。判读逻辑放在应用层，与驱动层解耦，方便后续接入云端规则引擎。

七、低功耗与可靠性检查

资产追踪器多为电池供电，采集链路必须兼顾功耗。检查要点包括：静止时关闭 SPI 时钟、把未使用引脚配置为断开或输出低；I2C 上拉电阻不宜过小以免静态漏流；GPIOTE 中断使用 HITOLO 或 LOTOHI 而非 Toggle，减少误唤醒；采集完成后及时进入 System ON 睡眠。可靠性方面，建议为每次采集打时间戳，并在上报前做一次 CRC 或范围校验，避免异常值污染云端数据。

完成以上配置后，设备即可在低功耗前提下稳定读取加速度、温湿度和外壳状态，为后续的资产状态判定与云端上报提供可靠的数据基础。