零知派ESP32--ADXL335_MPU6050 双传感器地震监测系统

LingzhiPi

366人浏览 · 2026-06-22 19:46:15

LingzhiPi · 2026-06-22 19:46:15 发布

项目概述

本项目基于零知派ESP32 开发板，结合 ADXL335（模拟加速度计）和 MPU6050（数字加速度计/陀螺仪）两个传感器，构建了一套双通道地震波监测系统。系统通过 STA/LTA 算法实时检测 P 波（纵波）和 S 波（横波），在 TFT 屏幕上本地显示波形，并通过 MQTT 协议将数据推送至 Web 端仪表盘，实现远程报警与可视化监控。

项目亮点

双传感器冗余设计：ADXL335 负责 S 波检测（高量程），MPU6050 负责 P 波检测（高灵敏度），优势互补
STA/LTA 实时触发算法：短时窗平均值/长时窗平均值比值判断地震事件，带持续计数防误报机制
高通滤波器：0.5Hz 一阶 RC 高通滤波，消除直流偏置和低频漂移
本地 + 远程双端显示：TFT 实时波形 + Web 端 MQTT 仪表盘，支持浏览器通知
一键归零校准：两个独立按钮分别校准两路传感器的零点偏移
MQTT 断线自动检测：通过 LWT 遗嘱消息 + 数据超时双重机制，实时检测设备断电/离线，Web 端弹出检修提示

项目难点及解决方案

难点	解决方案
模拟传感器噪声大	16 次过采样取平均 + 一阶低通滤波（α=0.20）
阈值触发误报率高	连续超阈值计数（P_PERSIST=10, S_PERSIST=8）+ 消抖迟滞窗口
双通道显示数据抖动	波形实时更新，数字显示 1 秒刷新一次
MQTT 网络不稳定	LWT 遗嘱消息 + 自动重连 + 连接状态指示
断电/离线无法及时感知	ESP32 发布 online/offline 状态 + Web 端 5 秒数据超时检测 + 全屏断电检修弹窗

Q1: MPU6050 初始化失败（串口输出 MPU no / MPU id err）

一、硬件系统部分

1.1 硬件清单

组件	数量	说明
零知派ESP32 开发板	1	主控芯片（240MHz, 4MB Flash）
零知派ESP32扩展板	1	方便接线用
ADXL335 模块（GY-61）	1	三轴模拟加速度计（±3g）
MPU6050 模块	1	三轴数字加速度计（±2g）
TFT 显示屏（ST7789）	1	使用 TFT_eSPI 库驱动
LED灯珠模块	1	报警指示灯
杜邦线/面包板	若干	接线用

1.2 接线方案

ADXL335（GY-61）→ ESP32

ADXL335	ESP32扩展板
VCC	3.3V
GND	GND
X_OUT	GPIO 32 (ADC)
Y_OUT	GPIO 35 (ADC)
Z_OUT	GPIO 34 (ADC)

MPU6050 → ESP32

MPU6050	ESP32扩展板
VCC	3.3V
GND	GND
SCL	GPIO 17
SDA	GPIO 16
AD0	GND（I2C 地址 0x68）

LED灯珠模块 → ESP32

LED灯珠模块	ESP32扩展板
IN	GPIO 26
VCC	3.3V
GND	GND

1.3 硬件连接图

1.4 实物连接图

二、软件架构设计

2.1 系统初始化

串口初始化：Serial.begin(115200)
ADC 配置：12 位分辨率、11dB 衰减（量程约 3.6V）
TFT 初始化：tft.init()，方向 3（横屏）
MPU6050 初始化：I2C 通信、唤醒、读 WHO_AM_I（应返回 0x68）、设置量程 ±2g
WiFi 连接：WiFi.begin(SSID, PASS)，自动重连
MQTT 配置：broker.emqx.io:1883，主题 seismic/data,seismic/status。
GPIO 配置：按键 INPUT_PULLUP，LED OUTPUT LOW
创建精灵缓冲区：spr.createSprite(width, height) 用于双缓冲绘图

2.2 主循环逻辑

loop()
├── 按键处理（50ms 消抖）
│   ├── S1 按下 → 校准 ADXL335 零偏 + 清空 STA/LTA 缓冲区
│   └── S2 按下 → 校准 MPU6050 零偏 + 清空 STA/LTA 缓冲区
├── 数据采样（25ms 周期）
│   ├── smp335() → ADXL335 三轴读取、低通滤波、高通滤波、STA/LTA 更新
│   ├── smpMPU() → MPU6050 读取、合矢量、高通滤波、STA/LTA 更新
│   └── chkEv()  → 基于 STA/LTA 比值和持续计数判断 P/S 波事件
├── 显示刷新（1s 周期）
│   ├── drawHdr() → 状态栏（三轴数值、采样率、MQTT 状态、RMS、SL）
│   └── drawDsp() → 波形图（S-WAVE + P-WAVE，双缓冲区 Sprite）
├── MQTT 维护
│   ├── conMQ() → 自动重连
│   └── pubData() → 每 1 秒发布 JSON 数据
└── LED 更新：报警时高电平，正常时低电平

2.3 MQTT 主题设计

主题	方向	QoS	Retain	说明
`seismic/data`	ESP32 → Web	0	否	加速度数据与报警状态（每秒发布）
`seismic/status`	ESP32 ⇄ Web	1	是	设备在线/离线状态（LWT 遗嘱消息）

三、代码拆分讲解

3.1 引脚定义与常量

PIN_X/Y/Z — ADXL335 三轴 ADC 引脚
BTN_S1/S2 — 两个校准按键
PIN_LED — 报警指示灯
MPU_ADDR/SDA/SCL — MPU6050 I2C 地址和引脚
VREF/ADC_RES/ZERO_G/SENS — ADXL335 电压转加速度参数
SAMPLE_MS = 25 — 采样周期 25ms（即 40Hz）
P_TH/S_TH — P 波和 S 波的 STA/LTA 触发阈值
P_PERSIST/S_PERSIST — 连续超阈值次数，防止瞬时噪声误触发
STA_W = 40 / LTA_W = 600 — 短时窗 40 点（1s）、长时窗 600 点（15s）

3.2 STA/LTA 算法

static void slUpdate(float* sta, int& si, int& sc, float& ss,
                     float* lta, int& li, int& lc, float& ll,
                     float& rr, float v)

核心思想：

STA（Short Term Average）：最近 40 个样本的平均值，反映瞬时振幅
LTA（Long Term Average）：最近 600 个样本的平均值，反映背景噪声水平
比值 R = STA / LTA：R 越大表示当前振动越强烈
使用环形缓冲区实现 O(1) 时间复杂度的滑动窗口更新

3.3 高通滤波器

struct HP {
    float pI, pO, a;
    HP(float fc, float fs) {
        float rc = 1.0/(2*PI*fc), dt = 1.0/fs;
        a = rc/(rc+dt);
    }
    float up(float in) {
        pO = a*(pO+in-pI); pI = in; return pO;
    }
};

一阶 RC 高通滤波器，截止频率 0.5Hz（fc=0.5），用于消除直流分量和温度漂移。

3.4 ADXL335 采样

static void smp335() {
    // 16 次过采样取平均降低噪声
    for (int i = 0; i < 16; i++) {
        sx += analogRead(PIN_X);
        // ...
    }
    // 电压 → 加速度转换：(V/VREF - 零偏) / 灵敏度
    float ax = ((sx/16.0/ADC_RES)*VREF - ZERO_G) / SENS;
    // 一阶低通滤波（α = 0.20）
    fx = ALPHA_335*ax + (1-ALPHA_335)*fx;
    // 去零偏 → 高通滤波 → 推入缓冲区 → STA/LTA 更新
}

3.5 MPU6050 读取

// 读取加速度寄存器 0x3B（6 字节，X/Y/Z 各 2 字节）
Wire.write(0x3B);
Wire.requestFrom(MPU_ADDR, 6);
// 合并高低字节 → int16 → 除以 16384（±2g 量程分辨率）
x = rx / 16384.0f - tAX;
// 合矢量：sqrt(x² + y² + z²)

3.6 事件检测与防误报

// P 波检测
if (pR > P_TH) {                     // STA/LTA > 4.5
    if (!pWA && ++pCnt >= P_PERSIST) { // 连续 10 次才确认
        pWA = true; pCnt = 0;
        // 发送 MQTT 报警
        pubAl("p_wave", pR, magM);
    }
} else {
    pCnt = 0;                         // 未超阈值立即清零计数器
    if (pR < P_DB) pWA = false;       // 迟滞窗口：须降到 3.0 以下才解除
}

防误报机制：

持续计数：必须连续 P_PERSIST（10 次）超阈值才确认
迟滞窗口：触发后须降至 P_DB（3.0）以下才解除报警
报警冷却：ALERT_CD = 10s 内不重复发送相同类型报警

3.7 MQTT 连接与状态发布

static void conMQ() {
    // ...
    if (mq.connect(CID, "seismic/status", 1, true, "offline")) {
        // ▲ LWT 遗嘱消息：ESP32 意外断电时，broker 自动发布 "offline"
        Serial.println("ok");
        mq.publish("seismic/status", "online", true);
        // ▲ retain=true：新连接的 Web 端立即收到最新状态
    }
}

LWT 断电检测原理：

MQTT 连接时通过 mq.connect(CID, topic, qos, retain, message) 设置遗嘱消息
ESP32 正常运行时会持续发送 seismic/data 数据
当 ESP32 意外断电/断网时，MQTT Broker 在心跳超时后自动向 seismic/status 发布预设的 "offline" 消息
Web 端订阅 seismic/status，收到 "offline" 后立即显示全屏断电检修弹窗

3.8 MQTT 数据发布

// 普通数据（每秒）
{
  "335": {"x": 0.12, "y": -0.05, "z": 0.98, "rms": 0.0023, "sl": 1.2},
  "6050": {"mag": 0.0034, "sl": 1.1},
  "al": {"p": 0, "s": 0},
  "t": 12345
}

// 报警数据
{
  "tp": "p_wave", "sl": 6.5, "mg": 0.0456, "t": 12345
}

3.9 Web 端仪表盘

断电/离线检测采用双重保障：

机制	触发条件	响应时间	说明
① LWT 遗嘱消息	MQTT Broker 检测到 ESP32 断开连接	~15-30s（心跳超时）	主动推送离线状态
② 数据超时检测	Web 端 5 秒未收到 `seismic/data`	5s	被动检测，双重保险

Web 端响应流程：

收到 "offline" 或 5 秒无数据
  → 顶部离线横幅（红色）
  → 页面变灰（grayscale 滤镜）
  → 右下角 Toast 通知
  → 全屏断电检修弹窗（橙色主题）
      ├── 显示设备最后在线时间
      ├── "设备已断电/离线 — 请前往检修设备电源及通讯连接"
      └── 用户可关闭，30 秒后若仍未恢复则自动重新弹出

Web 端相关核心代码：

// MQTT 状态订阅
client.subscribe('seismic/status');

client.on('message', (topic, payload) => {
  if (topic === 'seismic/status') {
    if (str === 'online') {
      deviceOnline = true;
      // 隐藏断电弹窗，记录最后在线时间
    } else {
      deviceOnline = false;
      showPoweroff();           // 显示断电检修弹窗
    }
  }
});

// 5 秒数据超时检测（双重保障）
setInterval(() => {
  if (lastDataTime > 0 && now - lastDataTime > 5000 && deviceOnline) {
    deviceOnline = false;
    showPoweroff();             // 显示断电检修弹窗
  }
}, 2000);

断电检修弹窗界面：

元素	说明
⚡🔌 图标 + "⛔ 设备断电" 标签	直观断电标识
"设备已断电 / 离线" 标题	橙红色醒目文字
"请前往检修设备电源及通讯连接"	明确的操作指引
"上次在线: HH:MM:SS"	帮助判断断电时间
"我知道了，稍后检修" 按钮	用户确认后 30s 自动重新弹出