使用ESP32-C6和毫米波雷达构建智能楼梯灯

这个概念虽然简单却十分有趣：两台毫米波雷达检测到人的移动方向，楼梯灯则像流水一样依次亮起，从下往上或从上往下依次闪烁。

原始项目围绕 Home Assistant 构建，包含完整的自动化设置和教程。

我的第一反应是：

我也想建一个。

然而，没过多久我就意识到，我不想完全复制原来的样式。

为什么我没有选择Home Assistant

原因其实相当简单。

尽管 Home Assistant 是一个功能非常强大的平台，但它并不完全适合我的环境。

我住在一套相对较小的公寓里，设备都集中在一起，因此我通常更倾向于选择轻量化的独立系统，而不是维护一个庞大的智能家居生态系统。

还有一个实际的网络考虑因素。

我主要依靠移动网络，不想为楼梯照明系统额外建设网络基础设施。

与此同时，这两个雷达节点仍然需要一种无线通信方式。

这最终让我走向了ESP-NOW。

事实证明，ESP-NOW 对这类项目几乎再合适不过了：

•无需路由器

•无云依赖

•低延时

•直接点对点通信

•轻量，适合嵌入式系统

系统架构

该系统由以下部分组成：

•雷达检测到移动或人体存在

•位置信息通过ESP-NOW传输

•系统确定行走方向

•LED状态机执行动画

•灯光短暂亮起后逐渐熄灭

与基于云的智能家居解决方案不同，所有功能均在本地运行。

这使得响应延迟极低，同时无需依赖Wi-Fi基础设施。

硬件选择

电力系统

电源供应被证明是整个项目中最重要的部分之一。

我并没有直接用ESP32为LED灯带供电，而是使用了之前我协助设计的LED驱动板作为电源基础。

电力系统的设计基于以下要求：

•12V 输入

•12V稳定输出，适用于LED灯带

•用于控制电子设备的稳定5V输出

•独立LED电源供电

这使得ESP32-C6能够完全专注于逻辑处理和通信，而无需处理LED的电流负载。

我之前用过这个驱动板，制作了一些外观相当不错的演示效果，它既用户友好又非常稳定。所以这次我打算再次使用它来制作我的LED灯。

雷达传感器

与原作者的楼梯照明项目类似，我选择了毫米波雷达，而非更简单的PIR传感器。然而，我选择LD2410C雷达，原因如下：

•静态人体检测

•更好的灵敏度调节

•蓝牙支持

•OTA 固件更新

•官方配置应用

•为未来实验提供更大的灵活性

与PIR传感器相比，LD2410C显然更适合用于响应式室内交互系统。

第一个原型

原型有意地设计得简单。

现阶段，唯一的目标是：

•雷达能否直接控制LED灯带?

•软件架构非常简洁：

•查看雷达状态

•判断某人是否在场

•打开或关闭LED灯

一切仍然以简洁的程序化风格编写。

尽管这个阶段十分简单，但它极为重要，因为它验证了：

•雷达通信

LED控制

•人体存在检测

•静态目标检测

项目第一次感觉到了真实。

添加ESP-NOW通信

下一步是建立两个ESP32-C6节点之间的ESP-NOW通信。

这正是项目从单设备原型发展为分布式系统的关键阶段。

下层雷达节点发送了：

•目标状态

•距离

•雷达模式

•与运动相关的数据

上层节点随后结合本地和远程雷达信息，以确定行走方向。

起初，大多数挑战看起来都可掌控：

•枚举类型转换

•ESP32 Arduino 核心 API 变更

•ESP-NOW 回调更新

•结构同步

烦人，但可以解决。

真正的挑战后来才出现。

系统开始变得不稳定时

随着功能的不断增加，该软件逐渐变得难以管理。

主循环逐渐演变为以下组合：

•雷达测距

•通信处理

•动画逻辑

•方向检测

•超时管理

•串行调试

•状态追踪

而且，不可避免地：

•延迟()

•嵌套的if语句

•重复的逻辑

•阻塞动画

开始出现在各个地方。

令人沮丧的是，每个独立模块都能单独正常运行。但一旦所有模块协同工作时，就出现了奇怪的行为：

•方向检测错误

•随机触发器

•口吃动画

•灯不关掉

•时间冲突

起初我将问题归因于硬件不稳定或ESP32库的问题。

最终我意识到，真正的问题其实是另一回事。

是建筑本身。

理解真正的问题

我注意到，许多之前的项目中都存在一个模式：一旦多个模块开始相互作用，整个系统就会变得脆弱。问题并不在于某个具体的功能，而在于所有内容都封装在 loop()() 函数内部。

一切皆由其他一切决定。长时间的延迟阻碍了通信，动画时间影响了传感器轮询，状态逻辑也变得紧密耦合。

项目发展到一个阶段，新增功能比实现现有功能还要困难。于是，我决定彻底重新思考软件架构。

迁移到 FSM FSM 架构

我并未将项目视为一个大型程序，而是将其拆分为多个独立的有限状态机。最终架构演变为三个主要子系统。

雷达 FSM

仅负责：

•读取雷达传感器

•去抖传感器数据

•生成稳定的在场快照

Passage FSM

仅负责：

•确定行走方向

•跟踪通过状态

•生成灯光活动

LED FSM

仅负责：

•运行动画

•渲染LED效果

•管理动画时间

与此同时，loop()() 函数本身不过是一个调度器：

这成为该项目最大的转折点。

突然，系统变成了：

•可预测的

•稳定

•调试更简单

•更容易扩展

最重要的是：

模块终于不再相互干扰了。

自然出现的新功能

一旦架构稳定下来，许多之前觉得难以实现的功能突然变得容易了。

入口预览照明

当有人靠近楼梯时，系统不再立即点亮整个楼梯。

相反，检测到的入口附近的前10个LED会先亮起。

它营造出一种更加自然的体验。

楼梯似乎能察觉到你的存在。

定向流动动画

一旦两个雷达节点都确认了行走方向，LED灯便会相应地亮起：

•上楼时从下往上走

•下楼时从上到下

这是启发该项目的原始视觉效果。

楼梯占用保持

如果有人在楼梯上停下，灯就会一直亮着。

系统不会因为动画已经结束而立即强制超时。

延迟关机

当楼梯空置时，灯光会保持开启一段时间，之后自动关闭。

这能带来更加流畅的用户体验。

雷达去抖

即使是毫米波雷达传感器，也会偶尔出现波动。

为了提高可靠性，我引入了去抖机制：

存在状态只有在保持稳定一段预定义的时间后，才被视为有效。

这最终成为保障系统整体稳定性的主要因素之一。

最终，我开始重新设计硬件。

软件架构稳定后，另一个问题变得越来越明显：

目前，这个系统看起来更像是一个临时搭建的实验室，而非一个完整的项目，而且摆放在楼梯上显得不太美观。此外，任何使用过XIAO的人都知道，按钮实在太小了。每次调试、固件更新或硬件修改都变得越来越麻烦。

最终，我将整个系统重新设计成一块专用的PCB。幸运的是，Seeed提供了一个与XIAO兼容的毫米波雷达模块。经过测试后，我发现其功能与LD2410C非常相似。Seeed开源的电路图提供了极大的帮助。

但一开始，我并不是要设计一个全新的电路板。而是从一个现有的LED驱动板设计开始。我的目标很简单：

减少布线，将所有功能集成到一块板上。

这实际上是我的第一次定制PCB设计。我对LED驱动板做了一些实际的改进：

•XIAO ESP32-C6 集成

•雷达接口

•光传感器集成

•扩展 GPIO 接头

Boot按钮暴露在外部，无需再通过XIAO模块上的小按钮进行操作。

未使用的GPIO将被连接到边缘引脚，以便未来扩展。

乍一看，这些变化似乎很直接。

他们不是。

了解每个组件的实际功能

我很快发现的一个问题是，我对原始LED驱动电路的许多部分并不完全理解。

在修改任何内容之前，我必须倒推回去，弄清楚每个组件存在的原因。

对于每一个不熟悉的部件，我发现自己不断反复地问：

•这部分有什么作用?

•为什么在这里?

•如果我把它移除会发生什么?

•它的位置重要吗?

这一过程最终发展成一个个人的硬件知识库，我在其中记录了PCB设计的概念、布局实践以及常见的错误。

我不想盲目地复制电路，而是想理解它们。

只有在理解了原始设计之后，我才能自信地开始对其进行修改。

当电路图完成后……我以为自己已经完成了

和许多初学者一样，我一开始以为完成原理图就代表辛苦的劳动结束了。然后我打开PCB布局编辑器，立刻意识到自己错了。

原理图看起来整洁有序，而PCB板却像一团乱糟糟的：线路到处交叉，元件似乎无法合理布局，完全不符合我的想象。

我第一次尝试使用自动路由器，软件虽然技术上连接了所有设备，但结果看起来非常糟糕。

一些边缘连接器最终靠近电路板中心，电源走线横跨整个PCB，信号路径走着奇怪的路线，电路板虽然实现了电气连接，但这并不是我真正想制造的设计。

最终我删除了大部分路由，然后重新开始。

一次只留下一条痕迹。

每个部件都有其独特的个性

让我感到意外的一点是，PCB设计不仅仅是将引脚连接起来。不同元件对布局的要求差异很大。

原理图告诉你哪些部分需要连接，而PCB布局则决定了这些连接是否真正能良好工作。

例如：

输入保护组件

保险丝、反向极性保护二极管和TVS二极管应尽可能靠近12V电源输入端安装。

他们的工作是在电气问题扩散到电路板其他部分之前，阻止这些问题的发生。

如果放置得太远，它们的效果就会显著降低。

开关电源组件

5V开关稳压器所使用的电感行为差异很大。

它承载的电流相对较大，会产生电磁噪声。

正因如此：

•痕迹应短而宽

•应避免靠近敏感电路

•周围区域应保持相对清晰

忽略这些建议可能会导致电路板出现不稳定和噪声。

敏感控制电路

与此同时，用于电压调节的小型电容和反馈元件也有其自身的要求。

这些部件应靠近调节器IC。

长距离信号可能导致噪声并降低调节性能。

我学得越多，就越意识到PCB布局几乎是一种物理工程逻辑。

原理图定义了关系。

布局定义行为。

为高温而设计

另一个挑战是热管理：LED系统可能消耗大量电流。即使在电气方面一切正常，过热也可能成为长期可靠性问题。

在设计的这一部分，我借鉴了原始LED驱动板的几种技术。

大电流的元件被集中在一起。电源网络被合并为大面积的铜汇流，而非完全依赖细线。通过使用大面积铜区域，可以更有效地分配电流，并将热量均匀地分散到PCB上。

我还添加了大量连接不同层之间铜区域的导热通孔。这些通孔有助于将热量传递到更大的铜区域，从而提升整体散热性能。

这在看成品电路板时并不显得突出，但它对可靠性有着重大影响。

从模块到平台

当PCB板完成后，项目已经发生了巨大变化。讽刺的是，最初的目标仅仅是制作一个楼梯灯。但硬件方面的经历最终教会了我与软件部分一样多的东西。

由于最近供应紧张，我的新款毫米波雷达还没到货。等它们与控制板集成完成后，我会在楼梯上进行一次正式测试，而不是只是把灯带放在长桌上。

本文编译自hackster.io