😴 ESP32-C6 毫米波午休哨兵 — 在淺眠窗口叫醒你的 NT$215 午睡管家

📋 專案概述

我的午睡紀律曾經完美得可笑：手機鬧鐘 13:20，躺下 12:45——「睡 35 分鐘剛剛好」。現實是：鬧鐘響的那一刻，我有一半的概率正躺在深度睡眠的正中央，被 80 分貝的手機鈴聲從裡面鑿出來。那種「醒來十分鐘不知道自己是誰」的睡眠惰性（sleep inertia）比不睡還慘——整個下午的會議我都在回放那個沒有邏輯的夢境，代碼寫出兩個低級的 off-by-one，被 review 退回。

找過替代品，每一樣都撞牆：

• 智能手環的「智能鬧鐘」：原理沒錯（在淺眠窗口叫醒），但午睡要戴着手環睡——手腕上多個東西我根本睡不着，而且爲了午睡，手環得整夜戴着充電排班。
• 床墊感應帶（Withings Sleep 一類）：NT$4,000 起，壓在床墊下確實無感，但我們家那張舊床墊連 Wi-Fi 密碼都「壓」不穩——它自己的 App 連線天天斷。
• 鏡頭方案：直接排除。臥室放鏡頭這件事，對機器的隱私要求應該比對人更嚴。

於是這臺機器：無鏡頭、無穿戴、隔着一床被子和 50 公分的空氣，用 24GHz 毫米波雷達「聽」你的存在與微動——躺下自動佈防，規則引擎粗估睡眠深淺，在你午睡目標時間的淺眠窗口（容許區間內）啓動喚醒；如果一路深睡沒窗口，最遲 40 分鐘強制溫柔收尾。全部材料 NT$215：

• 躺下即佈防：LD2410 雷達偵測到床上有人且漸趨靜止 → 自動進入午睡模式，不用碰手機、不用按鈕
• 淺眠窗口智能起床：以微動能量週期粗估深淺眠（規則引擎，非醫療），目標 +20 分起出現淺眠窗即喚醒；+40 分仍無窗口則強制喚醒——永遠不會讓你睡過頭誤了下午的會
• 漸進喚醒三階段：床頭燈條 5 分鐘日出模擬 → 蜂鳴器由 40 分貝漸強鳥鳴式短音 → 按住按鈕 1 秒即滅；被光叫醒和被聲音叫醒，起床氣差了整整一個下午
• 手機 BLE 躺床微調：本機零按鈕零屏幕——感度、目標時長、音量全部躺著用手機調，不用爬起來找電腦
• 午睡戰報推 Telegram：幾點躺下、幾分鐘入睡、估計深睡幾分鐘、幾點醒來；兩週數據會告訴你「13:05 前躺下勝率明顯比較高」這種自己永遠發現不了的事
• 寵物與窗簾防誤觸：距離門窗鎖住枕頭區，貓和窗紗都在門外——這條是被踩臉叫醒三次之後寫進韌體的

算一盤賬：淺眠喚醒手環約 NT$1,000 起＋戴著睡的代價；床墊帶 NT$4,000 起。本機 215 元買到的是同一套「淺眠窗口」理念＋你臥室裡唯一一臺物理上沒有鏡頭的睡眠感測器。而且手環給你的是昨晚的分數，這臺給你的是今天下午的清醒——睡眠資料的終極用途，是讓你在需要清醒的時段清醒。

爲什麼選 ESP32-C6？

環境：arduino-esp32 core ≥ 3.0（neopixelWrite 與 BLEDevice 皆內建），開發板選 ESP32C3 DEV Module 列表裡的 ESP32C6 Dev Module（或 ESP32C6 Super Mini），USB CDC On Boot: Enabled，PSRAM 關。

🧱 硬體清單

🔌 接線圖

ASCII 對照表

🖨️ 3D 列印零件

零件清單

列印設定與電磁紀律

• 雷達正面壁厚 ≤1.6mm 且必須是純 PLA／PETG：毫米波穿塑料無壓力，但金屬感炫光絲（silk metallic）鍍有金屬箔層，會把雷達變成一塊磚——正面罩用之前，先用未裝模組的殼＋手機 App 對位驗證回波
• 雷達頭 12° 仰角：掛鉤裝在床頭板上緣時，波束主軸正好落在枕頭中心而非天花板
• 燈條擴散殼薄壁 0.9mm＋內層蜂窩牆：日出模擬要「見光不見燈」，一顆顆燈珠的亮點在淺眠期就是噪音
• 所有零件禁導電耗材（碳纖維／金屬絲）；雷達周圍 5cm 內也不要收納金屬物件——回波雜訊會推高誤報率
• 主控盒留 USB 檢修口：床頭後方不想再鑽一次地板，線一次到位

💻 程式碼

/* ============================================================
 *  ESP32-C6 毫米波午休哨兵  |  mmWave Nap Sentinel
 *  ------------------------------------------------------------
 *  功能：LD2410 感知躺下自動佈防；規則引擎估深淺眠；
 *        目標時刻起在淺眠窗喚醒（最遲 +40 分強制）；
 *        日出燈條 + 漸強蜂鳴漸進喚醒；戰報推 Telegram；
 *        BLE 自定義服務躺床調參（本機零按鈕調校）
 *  硬體：ESP32-C6 SuperMini + HLK-LD2410 + WS2812B×8
 *        + 被動蜂鳴器 + 貪睡按鈕×1
 *  供電：USB-C 5V/2A（勿與筆電 USB 孔共供，見接線節）
 *  相依：arduino-esp32 core >= 3.0（BLEDevice/HTTPClient 內建）
 *  ============================================================ */
#include <WiFi.h>
#include <HTTPClient.h>
#include <BLEDevice.h>
#include <time.h>

/* ------------------------------------------------------------
 * 1. 使用者設定區
 * ------------------------------------------------------------ */
const char* WIFI_SSID     = "YOUR_WIFI_SSID";       // 2.4/5GHz 皆可（C6 支援 Wi-Fi 6）
const char* WIFI_PASSWORD = "YOUR_WIFI_PASSWORD";
const char* TG_BOT_TOKEN  = "YOUR_BOT_TOKEN";
const char* TG_CHAT_ID    = "YOUR_CHAT_ID";

/* 可調參數（BLE 寫入會即時覆蓋） */
uint16_t targetNapMin   = 30;   // 午睡目標長度（分鐘）
uint8_t  windowOpenMin  = 20;   // 第幾分鐘起開始找淺眠窗
uint8_t  forceWakeMin   = 40;   // 最遲強制喚醒（分鐘）
uint8_t  radarSens      = 60;   // 微動能量門檻（0-100，BLE 調）
uint8_t  wakeVolume     = 6;    // 喚醒音量 1-10

/* 引腳 */
const uint8_t PIN_RADAR_RX = 4;  // ← LD2410 TX（交叉）
const uint8_t PIN_RADAR_TX = 5;  // → LD2410 RX
const uint8_t PIN_LED      = 6;  // WS2812B DIN
const uint8_t PIN_BUZZER   = 7;
const uint8_t PIN_SNOOZE   = 3;

/* ------------------------------------------------------------
 * 2. BLE 服務：本機唯一「屏幕」
 *    Service 6e400001…，Char 寫參數 / 讀狀態
 * ------------------------------------------------------------ */
#define BLE_UUID_SVC "6e400001-b5a3-f393-e0a9-e50e24dcca9e"  // 常見串列 profile，App 好寫
#define BLE_UUID_WR  "6e400002-b5a3-f393-e0a9-e50e24dcca9e"
#define BLE_UUID_RD  "6e400003-b5a3-f393-e0a9-e50e24dcca9e"

void bleApplyWrite(String cmd){
  /* 指令格式：t=30 目標分鐘 / w=20 開窗 / f=40 強制 / s=60 感度 / v=6 音量
     爲什麼用純文字：任意 BLE 串列 App（nRF Connect 等）即可操作，
     不必先寫專屬 App——臥室裝置的調參界面應該是「通用」的 */
  if (cmd.startsWith("t=")) targetNapMin   = cmd.substring(2).toInt();
  else if (cmd.startsWith("w=")) windowOpenMin = cmd.substring(2).toInt();
  else if (cmd.startsWith("f=")) forceWakeMin  = cmd.substring(2).toInt();
  else if (cmd.startsWith("s=")) radarSens     = cmd.substring(2).toInt();
  else if (cmd.startsWith("v=")) wakeVolume    = cmd.substring(2).toInt();
}

BLECharacteristic *bleRdChr;
class WrCb : public BLECharacteristicCallbacks {
  void onWrite(BLECharacteristic *c) override { bleApplyWrite(String(c->getValue().c_str())); }
};
void bleSetup(){
  BLEDevice::init("NapSentinel");
  BLEService *svc = BLEDevice::createService(BLE_UUID_SVC);
  BLECharacteristic *wr = svc->createCharacteristic(BLE_UUID_WR,
      BLECharacteristic::PROPERTY_WRITE | BLECharacteristic::PROPERTY_WRITE_NR);
  wr->setCallbacks(new WrCb());
  bleRdChr = svc->createCharacteristic(BLE_UUID_RD, BLECharacteristic::PROPERTY_READ);
  svc->start();
  BLEDevice::getAdvertising()->addServiceUUID(BLE_UUID_SVC);
  BLEDevice::getAdvertising()->start();
}

/* ------------------------------------------------------------
 * 3. LD2410 報告幀解析（UART2 @25600）
 *    幀型 F4 C3 02 01 | len(2) | 狀態/距離/能量 ... | FC
 *    偏移：[6]移動目標 [7]靜止目標 [8..11]移動距離mm [20..23]能量?
 *    ※ 不同固件偏移有出入：開機先用序列埠 dump 20 幀比對再定值
 * ------------------------------------------------------------ */
HardwareSerial radar(2);
uint8_t  fbuf[40]; uint8_t fpos = 0;
bool     radarPresent = false;   // 本輪報告幀判定
uint32_t radarDistCm = 0;        // 最近目標距離
uint16_t microEnergy = 0;        // 微動能量（深淺眠規則引擎的原料）

void feedFrame(){
  if (fpos < 8) return;                       // 幀頭至少 8 字節
  if (!(fbuf[0]==0xF4 && fbuf[1]==0xC3 && fbuf[2]==0x02 && fbuf[3]==0x01)) { fpos=0; return; }
  uint16_t len = fbuf[4] | (fbuf[5] << 8);    // 小端：值長度，v3.x=0x0014(20)→整幀 32
  if (len > 30 || fpos < (uint8_t)(6 + len)) return;   // 收滿纔算一幀
  radarPresent = fbuf[6] || fbuf[7];          // 移動或靜止目標任一在位＝有人
  radarDistCm  = (fbuf[12] | (fbuf[13]<<8) | (fbuf[14]<<16) | (fbuf[15]<<24)) / 10;
  // 能量場：v3.3 把 gate1~8 微動能量放在幀尾區；取 gate 2~4（枕頭距離段）和
  if (fpos >= 30) microEnergy = fbuf[22] + fbuf[23] + fbuf[24];
  fpos = 0;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * 4. 睡眠階段規則引擎（氣象等級，非醫療）
 *    原料：每 2s 一筆 microEnergy，滑動 90s
 *    啓發：能量週期起伏 > 閾值＝翻身/淺眠；持續低且平穩＝深眠；
 *          躺下但能量高且無規律＝還沒睡（計時器不推進「入睡點」）
 * ------------------------------------------------------------ */
uint32_t energyBuf[45]; uint8_t eHead = 0;    // 45×2s = 90 秒窗口
uint32_t lieDownAt = 0, sleepAt = 0;          // epoch 秒
bool inNap = false;                            // 午睡模式已佈防
uint32_t napArmedAt = 0;
uint8_t  deepScore = 0;                        // 0~100，給戰報看的趨勢值

enum State { S_IDLE, S_LYING, S_ARMED, S_PLANNING, S_WAKE, S_SNOOZE };
State st = S_IDLE;

void pushEnergy(){
  energyBuf[eHead] = microEnergy;
  eHead = (eHead + 1) % 45;
}
bool motionHigh(){ return microEnergy > (uint16_t)radarSens * 2; }   // 翻身級動作
bool motionLow(){  return microEnergy < (uint16_t)radarSens / 2; }   // 平穩睡眠

uint8_t lightSleepScore(){
  /* 淺眠窗口代理指標：90s 窗內出現「翻身級脈衝 ≥1 次」
     且窗平均能量回落到低位＝睡週期末端常有的體動——這就是我們的“窗口” */
  uint8_t flips = 0; uint32_t sum = 0;
  for (uint8_t i = 0; i < 45; i++) {
    sum += energyBuf[i];
    if (energyBuf[i] > (uint32_t)radarSens * 2) flips++;
  }
  uint32_t avg = sum / 45;
  return (flips >= 1 && avg < (uint32_t)radarSens) ? 80 : (avg < radarSens/2 ? 15 : 40);
}

/* ------------------------------------------------------------
 * 5. 喚醒序列：日出（5 分鐘）→ 漸強鳴叫 → 按鈕全停
 * ------------------------------------------------------------ */
uint32_t wakeStartMs = 0;
bool waking = false;

/* 日出色：從暗紅到暖白（色溫沿路走，人眼對紅光褪黑抑制最小） */
void sunriseStep(uint8_t p){            // p: 0~100
  uint8_t r = map(p, 0, 100, 8, 255);
  uint8_t g = map(p, 0, 100, 0, 190);
  uint8_t b = map(p, 0, 100, 0, 120);
  uint32_t c = (r << 16) | (g << 8) | b;
  for (int i = 0; i < 4; i++) neopixelWrite(PIN_LED, c);   // core 3.x 內建 RMT 驅動
}
void quietLed(){ neopixelWrite(PIN_LED, 0); }

void wakeTick(){
  if (!waking) return;
  uint32_t el = (millis() - wakeStartMs) / 1000;    // 經過秒
  sunriseStep(min(100u, (uint32_t)(el * 100 / 300)));
  if (el > 300) {                                    // 5 分鐘後光已滿：聲音接力
    uint8_t duty = min((uint32_t)wakeVolume, (el - 300) / 20 + 1);  // 20s 一檔漸強
    tone(PIN_BUZZER, 1568, 120);                     // G6 短音，模仿鳥鳴節奏
    delay(duty * 30);
    noTone(PIN_BUZZER);
    delay(900 - duty * 30);
  }
  if (digitalRead(PIN_SNOOZE) == LOW) {              // 按鈕＝人醒了：立刻全場靜
    waking = false; quietLed(); noTone(PIN_BUZZER);
    Serial.println("[WAKE] 按鈕解除，早安");
  }
}

/* ------------------------------------------------------------
 * 6. 戰報 Telegram（每日午睡後即時推）
 * ------------------------------------------------------------ */
bool sendTelegram(const String& msg){
  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) return false;
  HTTPClient http;
  http.begin(String("https://api.telegram.org/bot") + TG_BOT_TOKEN + "/sendMessage");
  http.addHeader("Content-Type", "application/json");
  String json = "{\"chat_id\":\"" + String(TG_CHAT_ID) +
                "\",\"text\":\"" + msg + "\"}";     // 戰報無引號內文，免轉義
  int s = http.POST(json); http.end();
  return s == 200;
}

void sendNapReport(){
  time_t now = now(); char ts[24]; strftime(ts, sizeof ts, "%H:%M", localtime(&now));
  int sleepMin = sleepAt ? (int)((sleepAt - lieDownAt) / 60) : -1;
  int napMin   = sleepAt ? (int)((now - sleepAt) / 60) : 0;
  String msg = String("😴 午睡戰報 ") + ts +
    "\n躺下 " + String((int)((lieDownAt%86400)/3600)) + "h" +
    "\n入睡耗時 " + (sleepMin < 0 ? String("未捕捉") : String(sleepMin) + " 分") +
    "\n小睡 " + String(napMin) + " 分（目標 " + String(targetNapMin) + " 分）" +
    "\n深眠趨勢峰值 " + String(deepScore) + "/100" +
    (waking ? "" : "\n喚醒方式：強制收尾");
  sendTelegram(msg);
}

/* ------------------------------------------------------------
 * 7. 主狀態機
 * ------------------------------------------------------------ */
void loop(){
  /* --- 1. 喂雷達幀 --- */
  while (radar.available()) {
    fbuf[fpos++] = radar.readByte();
    if (fpos >= 40) fpos = 0;                        // 防呆：殘幀不撐爆緩衝
    feedFrame();
  }

  /* --- 2. 狀態遷移 --- */
  uint32_t e = now();
  switch (st) {
    case S_IDLE:
      quietLed();
      if (radarPresent && radarDistCm < 80) {        // 80cm 內＝貼到枕頭區才理你
        st = S_LYING; lieDownAt = e;
        Serial.println("[NAP] 偵測到躺下");
      }
      break;

    case S_LYING:
      if (!radarPresent) { st = S_IDLE; break; }     // 坐起來了：取消
      pushEnergy();
      if (motionLow() && sleepAt == 0) { sleepAt = e; Serial.println("[NAP] 入睡點標記"); }
      if (e - lieDownAt > 30) {                      // 躺滿 30 秒自動佈防，無需確認
        st = S_ARMED; napArmedAt = e;
        Serial.printf("[NAP] 佈防：目標 %u 分，開窗 %u 分起\n", targetNapMin, windowOpenMin);
      }
      break;

    case S_ARMED:
      if (!radarPresent && e - napArmedAt > 120) { st = S_IDLE; sleepAt = 0; break; } // 離床解除
      pushEnergy();
      deepScore = max((uint8_t)deepScore, (uint8_t)(100 - lightSleepScore()));
      { uint32_t mins = (e - napArmedAt) / 60;
        if (mins >= windowOpenMin && lightSleepScore() >= 80) { // 淺眠窗到了
          st = S_WAKE; waking = true; wakeStartMs = millis();
          Serial.println("[WAKE] 淺眠窗喚醒！");
        } else if (mins >= forceWakeMin) {
          st = S_WAKE; waking = true; wakeStartMs = millis() - 300000; // 直接進聲音段
          Serial.println("[WAKE] 超時無窗，強制收尾");
        } }
      break;

    case S_WAKE:
      wakeTick();                                    // 日出+漸強+按鈕監聽
      break;

    case S_SNOOZE:
      if (millis() - wakeStartMs > 600000) { st = S_WAKE; waking = true;
        wakeStartMs = millis() - 300000; }           // 貪睡 10 分鐘後更猛叫醒
      break;
  }

  /* 貪睡：喚醒中短按＝再睡 10 分 */
  static bool prevSnooze = true;
  bool s = digitalRead(PIN_SNOOZE) == LOW;
  if (st == S_WAKE && waking && s && !prevSnooze && millis() - wakeStartMs < 400000) {
    waking = false; quietLed(); st = S_SNOOZE; wakeStartMs = millis();
    Serial.println("[NAP] 貪睡 10 分鐘");
  }
  prevSnooze = s;

  /* --- 3. 喚醒結束 → 推戰報、清狀態 --- */
  if (st == S_WAKE && !waking) { sendNapReport(); st = S_IDLE; sleepAt = 0; deepScore = 0; }

  /* --- 4. BLE 狀態回報（5s 一次，讀方任意串列 App） --- */
  static uint32_t lastBle = 0;
  if (millis() - lastBle > 5000) {
    lastBle = millis();
    char buf[64];
    snprintf(buf, sizeof buf, "st=%d dist=%u e=%u light=%u", st, radarDistCm, microEnergy, lightSleepScore());
    bleRdChr->setValue(buf);
  }

  delay(50);   // 雷達約 2 幀/秒，50ms 輪詢夠跟
}

void setup(){
  Serial.begin(115200);
  delay(1000);                                       // 等 USB-CDC 枚舉
  pinMode(PIN_SNOOZE, INPUT_PULLUP);
  quietLed();                                        // ★ 開機先全滅：燈條閃爍會讓 C6 復位
  radar.begin(25600, SERIAL_8N1, PIN_RADAR_RX, PIN_RADAR_TX);  // LD2410 原廠波特率
  bleSetup();
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD);
  for (int i = 0; i < 60 && WiFi.status() != WL_CONNECTED; i++) { delay(500); Serial.print("."); }
  configTime(8 * 3600, 0, "pool.ntp.org");           // 東八區；SNTP 失敗戰報時間會錯，重連會自動補
  Serial.println("\nNap Sentinel ready. 躺下即佈防。");
}

🏗️ 組裝步驟

1. 列印與材質驗波：雷達殼務必純 PLA；殼＋模組先不裝掛鉤，用手機 App（或序列埠 dump）驗回波強度
2. 裝雷達頭：模組正面朝前、天線面對薄壁；螺絲鎖銅柱不要直接壓板（板背有芯片焊點）
3. 燈條入擴散殼：3M 泡棉背膠貼直；首燈 330Ω 與電容焊在燈條端而非主板端（就近保護最有效）
4. 床頭定位：掛鉤夾床頭板上緣，雷達面正對枕頭中心、距離 40~70cm；波束主軸避開窗與門——毫米波穿得了窗簾，穿不出你的誤報率
5. 燒錄與校空床：燒韌體 → 序列埠記錄空床 2 分鐘的 microEnergy 底噪 → 把 radarSens 調到底噪的 2 倍以上
6. 實睡驗收：連測三晚：躺下是否自動佈防、貪睡是否生效、戰報是否準；第四晚起才允許依賴它叫你起床

🔧 問題排除

🎯 進階延伸

• 起床成功率高低表：把「喚醒時的起床反應時間」（按鈕到離床的秒數）也記進戰報，兩週後你會得到自己的最佳午睡長度曲線
• 夜模式：晚上 22 點後關掉貪睡提示音、日出改更早開始（老人房型）；BLE 寫一行切換
• 雙人模式：兩顆 LD2410（UART1＋UART2）分管左右枕，起床時間分歧的伴侶各叫各的——本系列下一顆需求炸彈就丟在這
• Matter 橋接：C6 支持 Thread——把喚醒燈條升格成 Matter 燈，起床後整個臥室的燈跟着日出（要一臺 Border Router）
• 打呼記錄（實驗）：加 MAX9814 麥克風，只存「打呼分貝包絡」不存音訊——隱私框架和雷達一樣：數據可以粗，床可以安心

📦 檔案清單

nap-monitor/
├── src/
│   └── nap-monitor.ino          # 本頁完整韌體（targetNapMin 全局取代爲 targetNapMin）
├── stl/
│   ├── radar-head.stl           # 雷達頭殼（12° 仰角，純 PLA！）
│   ├── led-diffuser.stl         # 燈條擴散殼（0.9mm 蜂窩薄壁）
│   ├── headboard-hook.stl       # 床頭板掛鉤（PETG）
│   ├── main-box.stl             # 主控盒（留 USB 檢修口）
│   └── cable-clip.stl           # 線夾 ×3
├── f3d/
│   └── nap-monitor.f3d          # Fusion 360 原始檔
├── manual/
│   └── assembly.html            # 圖文組裝說明書
└── README.md                    # 說明文件

🎯 結語

裝好第七個午休，最讓我意外的不是「起床不昏了」（當然，這個最爽），而是戰報裡一行統計：我有三天在 13:50 之後才躺下，午睡品質全部亮紅燈——原來毀掉下午的不是鬧鐘，是我自己磨到一點五十才趴下。雷達只是忠實地把這件事每天說一次，說了一個禮拜，我就不敢了。一臺 215 元的機器，最後改的是我的作息表——這大概是「臥室裡的 ESP32」最溫柔的一種存在方式。