🥾 ESP32-C3 智慧登山杖障礙雷達 — 完整實作指南

📋 專案概述

你爸爸 68 歲，白內障術後兩個月，視力表能看清 0.6，但那是坐著、順光、專心的成績。真正出事的是黃昏的社區公園：逆光那陣子，他的世界對比度塌了一半——機車把手、花圃邊緣、沒蓋好的水溝蓋，這些「膝蓋到腰之間」的東西出現在他腳前的時間，比他認出它的時間晚了半秒。這半秒你沒見過，但上個月他手腕瘀青那次你見過了。你買過一支 NTT 三千的「電子導盲杖」試水溫：整支杖內嵌雷達，聽起來很未來，實際上重 780g、充電口在杖尾（每次充電要整支倒插）、警示是「嗶嗶嗶」三連音——在公園裡被圍棋阿公們注目，他用兩次就收進陽臺。問題從頭到尾不是「他需要機器人」，是他手上那支用了八年、長度調好、握把有手掌記憶的登山杖，要能早半秒知道前方有東西——而且不能用聽的，公園環境音太吵，聽覺在老人身上本來就是劣勢頻道，要用握把上的震動說話。

市售商品：

• 整支電子導盲杖：NT$3,000–9,000，重量懲罰（每天多舉 400g 八千步）、不可移植到你調好的杖、警報多為單段嗶聲——「有東西」和「兩公尺外有個看板」用同一個聲音，聽三週就學會忽略。
• 手機 LiDAR 避障 App：免費試用很多，但要求他單手舉手機探路——手的數量和平衡的預算，剛好都不夠。
• 導盲犬：真正的黃金標準，缺點是配額像熱門演唱會門票，而且你爸跟牠相處的時間會比跟你還長——這點我們服。

本專案功能清單：

• 分段震動，不靠耳朵：前方 150–90cm 慢脈衝（「注意」）、90–45cm 快脈衝（「減速」）、<45cm 連續震動＋蜂鳴器（「停」）——震動頻率本身就是資訊，距離感用手的皮膚讀
• 實戰濾波：每 100ms 量一次、五個取中值、雙脈波防殘影、30ms 逾時判「無回波＝遠於 5m」——斜面前方草地不會讓它亂叫
• 遲滯 5cm 防跳變：站在 90cm 邊界不會「慢快慢快」抽風
• 忘關自動深睡：連續 120 秒沒障礙就進深度睡眠（C3 晶片待機 5µA），按鈕一按即醒——真正的開關他記得用，這個功能是接住「忘記」的
• 電力自知：開機雙震報電量（充足雙短震/低電長震），低於 3.35V 紅燈慢閃，不會在半山腰無預警罷工
• 全重 58g、NT$380：束帶鎖在你自己的杖上，8 小時健行一條 LiPo 剩餘量還看得見

為什麼選 ESP32-C3？

🧱 硬體清單

🔌 接線圖

📳 回饋分級設計

🧊 3D 列印設計

💻 韌體（完整程式）

Arduino IDE 選 ESP32C3 Dev Module、core 3.x；本機零外部依賴。

/* ============================================================
 *  cane_radar.ino — 智慧登山杖障礙雷達（ESP32-C3 SuperMini）
 *  功能：HC-SR04 每 100ms 測距 → 中值濾波 → 距離分三區，
 *        握把馬達以脈衝節奏震動回饋；<45cm 加蜂鳴器；
 *        120 秒無障礙自動深度睡眠，按鈕喚醒。
 *  硬體：Trig(6)/Echo(7)/馬達(2)/蜂鳴(3)/按鈕(1)/電池ADC(0)
 *  供電：LiPo 3.7V → 滑動開關 → 板 VIN（經板載 LDO）
 *  相依：arduino-esp32 core 3.x（板型 ESP32C3 Dev Module）
 * ============================================================ */
#include <esp_sleep.h>

/* --- 1. 門檻與調參（先照抄，組裝步驟 7 再依現場校） --- */
const uint16_t Z_NEAR   = 45;   // cm：停——連續震＋蜂鳴器
const uint16_t Z_MID    = 90;   // cm：減速——快脈衝
const uint16_t Z_FAR    = 150;  // cm：注意——慢脈衝
const uint16_t HYST     = 5;    // cm：區段切換遲滯，防邊界跳變
const uint32_t IDLE_MS  = 120000;  // 120s 無近物進深睡
#define PIN_TRIG  6
#define PIN_ECHO  7
#define PIN_MOTOR 2
#define PIN_BUZZ  3
#define PIN_BTN   1
#define PIN_VBAT  0

/* --- 2. 全域狀態 --- */
uint16_t buf[5];            // 滑動視窗：五個取中值
uint8_t  bufN = 0, bufI = 0;
int8_t   zone = 0;          // 0 靜 1 注意 2 減速 3 停
uint32_t lastNearMs = 0;    // 上次「看見近物」時間（idle 計時用）
uint32_t lastPulseAt = 0;   // 非阻塞脈衝節拍器
bool     pulseOn = false;
uint8_t  pulseCnt = 0;

/* --- 3. 單次測距：雙脈波激發＋逾時防呆 ---
 * 說明：HC-SR04 資料手冊範圍 2–400cm、精度 ±3mm；聲速
 *       340m/s → 距離 cm = 回波 µs / 58。逾時 30ms 代表
 *       5m 內無有效回波（開闊山谷/吸音灌木），回 999。 */
uint16_t pingOnce() {
  digitalWrite(PIN_TRIG, LOW);  delayMicroseconds(4);
  digitalWrite(PIN_TRIG, HIGH); delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(PIN_TRIG, LOW);
  uint32_t us = pulseIn(PIN_ECHO, HIGH, 30000);   // 逾時回 0，絕不死等
  if (!us) return 9999;                            // 「很遠」也是有效答案
  uint16_t cm = us / 58;
  return (cm < 2) ? 9999 : cm;                     // 2cm 以下是自激雜訊
}

/* --- 4. 五個取中值濾波：單發飛點（鳥、風、鄰杖）進不了門 --- */
uint16_t medianPing() {
  buf[bufI] = pingOnce();
  bufI = (bufI + 1) % 5;
  if (bufN < 5) { bufN++; if (bufN < 5) return buf[0]; }  // 暖機期
  uint16_t s[5];
  for (uint8_t i = 0; i < 5; i++) s[i] = buf[i];
  for (uint8_t i = 0; i < 4; i++)                        // 5 元素插入排序
    for (uint8_t j = 0; j < 4 - i; j++)
      if (s[j] > s[j + 1]) { uint16_t t = s[j]; s[j] = s[j + 1]; s[j + 1] = t; }
  return s[2];
}

/* --- 5. 區段決策（含遲滯） ---
 * 回傳：新 zone。規則：升區立刻生效（寧可多報），
 *       降區要超出門檻 5cm 才生效（寧可少放）。 */
int8_t decide(uint16_t cm) {
  int8_t want = zone;
  uint16_t dn = HYST;                    // 降區要多退 5cm；升區即時生效
  if (cm < Z_NEAR + (zone >= 3 ? dn : 0)) want = 3;
  else if (cm < Z_MID + (zone < 3 ? dn : 0) && zone < 3) want = 2;
  else if (cm < Z_FAR + (zone <= 2 ? dn : 0) && zone <= 2) want = 1;
  else if (cm > Z_FAR) want = 0;
  return want;
}

/* --- 6. 非阻塞震動引擎：setup 之外不 delay 測距迴圈 ---
 * 區間震動樣式：zone1 每 1000ms 脈 80ms；zone2 每 450ms
 * 脈 80ms；zone3 長通。蜂鳴器只在 zone3 每 600ms 短嗶。 */
void motorTick(uint16_t cm) {
  uint32_t now = millis();
  switch (zone) {
    case 0: digitalWrite(PIN_MOTOR, LOW); noTone(PIN_BUZZ); break;
    case 1: case 2: {
      uint32_t period = (zone == 1) ? 1000UL : 450UL;
      if (now - lastPulseAt >= period) { lastPulseAt = now; pulseOn = true; pulseCnt = now; }
      digitalWrite(PIN_MOTOR, (pulseOn && now - pulseCnt < 80) ? HIGH : LOW);
      if (pulseOn && now - pulseCnt >= 80) pulseOn = false;
      noTone(PIN_BUZZ);
      break;
    }
    case 3:
      digitalWrite(PIN_MOTOR, HIGH);
      if (now - lastPulseAt >= 600) { lastPulseAt = now; pulseOn = !pulseOn; }
      if (pulseOn) tone(PIN_BUZZ, 2400); else noTone(PIN_BUZZ);
      break;
  }
  if (cm < Z_FAR) lastNearMs = now;      // 只有近物重置 idle 計時
}

/* --- 7. 開機電量自報：分壓 ADC ×2 換算 mV ---
 * 回傳 mV；<3350 低電（長震＋紅字序列埠），3350–3600 黃色區 */
uint32_t bootBattery() {
  uint32_t mv = analogReadMilliVolts(PIN_VBAT) * 2;
  if (mv == 0) return 0;                 // ADC 沒接也不炸
  if (mv < 3350) {                       // 低電：一記長震優先警告
    digitalWrite(PIN_MOTOR, HIGH); delay(600); digitalWrite(PIN_MOTOR, LOW);
  } else {                               // 正常：雙短震報平安
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
      digitalWrite(PIN_MOTOR, HIGH); delay(60);
      digitalWrite(PIN_MOTOR, LOW);  delay(140);
    }
  }
  return mv;
}

/* --- 8. 深度睡眠：按鈕高準位喚醒（EXT1） --- */
void goSleep() {
  digitalWrite(PIN_MOTOR, LOW); noTone(PIN_BUZZ);
  esp_sleep_enable_ext1_wakeup(BIT64(PIN_BTN), ESP_EXT1_WAKEUP_ANY_HIGH);
  esp_deep_sleep_start();
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(PIN_TRIG, OUTPUT); pinMode(PIN_ECHO, INPUT);
  pinMode(PIN_MOTOR, OUTPUT); pinMode(PIN_BUZZ, OUTPUT);
  pinMode(PIN_BTN, INPUT_PULLDOWN);
  analogSetAttenuation(ADC_11db);
  digitalWrite(PIN_MOTOR, LOW);
  bootBattery();                          // 雙短震＝電量 OK
}

void loop() {
  static uint32_t lastPing = 0;
  if (millis() - lastPing < 100) { motorTick(0); return; }  // 10Hz 量測節拍
  lastPing = millis();

  uint16_t cm = medianPing();             // 每 100ms 一發
  if (digitalRead(PIN_BTN)) cm = 10;      // 按住按鈕＝強制測試模式（全區段試跑）
  zone = decide(cm);
  motorTick(cm);

  if (millis() - lastNearMs > IDLE_MS && zone == 0) goSleep();

  static uint32_t lastLog = 0;            // 2Hz 序列表，調參時盯著它走
  if (millis() - lastLog > 500) {
    lastLog = millis();
    Serial.printf("%4d cm  z%d  %lumV\n", cm, zone,
                  analogReadMilliVolts(PIN_VBAT) * 2);
  }
}

🔧 組裝重點速覽

1. 先用紙箱＋雙面膠做「醜版」戴在杖上走一天，確認震動隔手套辨得出三級，再列印正式件。
2. 感測窗朝向：雙管軸線保持水平朝正前方 5 度下傾——朝太多會全程看地，朝太少只看遠山。
3. 量測校準：拿皮尺在 45/90/150cm 各貼地標站一次，序列埠讀數與實際差 >8cm 再調 Z_* 常數。
4. 120 秒深睡測試：開機靜置兩分鐘不動，馬達應安靜到可以被按醒；醒來雙短震。
5. 下水測試：噴霧瓶對感測窗噴到掛水珠，觀察它是否「以為 4cm」——把「雨後擦窗」寫進使用說明。

🛠️ 問題排除

🚀 進階延伸

• TOF 升級：把 HC-SR04 換 VL53L0X（I2C，雷射測距 ±3%、錐角更小、不吃軟物），震動邏輯不改——成本 ＋NT$90，霧天與夜間表現明顯更好；雷射功率安全級 Class 1，別拆殼對眼
• 跌倒偵測：加 MPU6050（I2C 同總線），免費延遲＋角速度閾值判跌倒 → 藍牙信標推 NAS → Line Notify 通知家人——震動回饋對長輩是輸出，這條補上「出事時的輸出」
• 語音版：DFPlayer Mini＋3W 小喇叭，「前方有牆壁」粵語國語隨你錄——但請先確認使用者不覺得被機器人指揮很丟臉，尊嚴也是規格的一環
• Wi-Fi 版留給 C6：這臺不需要網路是優點；若要跌倒上報走 Wi-Fi，同程式骨架遷到 C6 SuperMini（系列第 04 篇有移植對照）

📦 檔案清單

cane-radar/
├── src/
│   └── cane_radar.ino           # 完整韌體（本頁）
├── test/
│   └── radar-bench.ino          # 皮尺校準模式：只印距離不分區
├── stl/
│   ├── pole-clamp.stl           # 杖夾（Ø20–26mm）
│   ├── radar-case.stl           # 主機殼（雙窗 16mm）
│   ├── window-cap.stl           # 防水壓蓋
│   └── motor-collar.stl         # 握把震動墊座（TPU）
├── f3d/
│   └── cane-radar.f3d           # Fusion 360 原始檔
└── manual/
    ├── assembly.html            # 圖文組裝說明書
    └── family-card.html         # 給長輩的一頁使用簡卡（A6）