【电子DIY作品】不到10元的Rd-03d灯控系统？？？

[i=s] 本帖最后由 KrOik 于 2025-10-27 00:36 编辑 [/i]

项目介绍

1.1 系统背景

该灯控系统是一个基于ESP32-C3superMini微控制器和RD-03D毫米波雷达的智能物联网检测系统。该系统结合了由安信可提供的24GHz毫米波雷达硬件方案、WiFi无线通信和MQTT物联网协议，为智能家居、安防监控、人体感应等应用场景提供高精度、实时的目标检测解决方案。

简单来说，这是为了方便我在宿舍非接触式的，更加智能化的控制台灯的解决方案。即实现人走灯灭，人来灯亮。通过构建请求，集成校园网登录验证，确保网络连接。同时，确保极低复刻成本和极简单的电路方案。

物料速览：

esp32c3superMini——7.01r小批量叠券
单路6A继电器模块——2.8r包邮
美纹纸，杜邦线/细电线——几毛钱
Rd-03d雷达模块：参加安信可论坛活动赠送——0r
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Rd-03/03D也参与本次活动！立减15%，包邮！其他非活动商品每满200-20，速速选购吧！

如何使用？
1.配齐物料
2.电气连接
3.烧录代码
4.部署并配置参数
5.enjoy

代码：https://easylink.cc/pfczzg

使用PlatFormIO平台，framework = arduino。
演示视频：https://easylink.cc/vvb75c
安装：
1.引脚连接：

• 雷达模块 (Radar UART) :
• RX (接收): GPIO20
• TX (发送): GPIO21
• 继电器 (Relay) :
• 连接到: GPIO5
• 指示灯 (LED) :
• 连接到: GPIO2

2.安装到外壳：

将雷达用美纹纸贴住，贴在底部

开发板和继电器一并用美纹纸贴好

完成

此时，只需要接处电线和供电即可

MQTT演示：

这里MQTT服务器不做特别推荐指名，可以自行选择。
同时，因为时间关系，没有做出更多的联动。

1.2 Rd-03d模块介绍

搭载矽典微 S5KM312CL 芯片，采用 FMCW（调频连续波）技术，支持一发两收天线设计，可同时检测/跟踪 3 个目标

用户群体：

• 嵌入式开发工程师：需要快速构建雷达检测应用的开发者
• 物联网系统集成商：寻求可靠雷达检测解决方案的集成商
• 智能家居厂商：需要人体感应功能的设备制造商
• 安防监控企业：需要智能检测技术的安防公司

技术背景要求：

• 具备C语言编程基础
• 了解ESP32开发环境
• 熟悉物联网通信协议
• 具备基础的电子电路知识

2. 推荐使用场景

2.1 智能家居人体感应

应用描述：

在智能家居环境中，系统可通过雷达精确检测房间内人员的存在状态、移动轨迹及微动（如静止时的呼吸动作），实现智能照明的精准调控，或联动边缘设备上的监控系统完成场景化联动。

技术实现：

• 雷达检测范围：0.5-8 米（最远探测距离），方位角覆盖 ±60°，俯仰角 ±30°
• 检测精度：距离 ±0.15 米，距离分辨率 0.75 米
• 响应时间：支持 50ms-1s 可调上报周期（默认配置下 < 200ms）
• 功能特性：支持存在检测（Rd-03d_V2可识别静止人体），通过 UART 接口与主控通信，支持继电器多路设备联动

2.2 办公室会议室管理

应用描述：

在办公环境中，系统可通过雷达实时监测会议室人员数量、位置分布及使用状态，结合算法实现智能预约管理与设备自动控制，提升会议室使用效率。

技术实现：

• 多目标检测：同时跟踪最多 3 个目标，输出各目标的距离、角度、速度信息
• 人数统计：基于多目标聚类算法，结合目标运动轨迹实现人数估算
• 状态上报：通过 UART 转 MQTT 协议实时上报会议室占用状态（空闲 / 有人）
• 设备联动：支持控制空调、投影仪、照明等设备，联动逻辑基于目标存在状态触发

2.3 安防监控区域警戒

应用描述：

在安防监控场景中，系统依托毫米波雷达全天候工作特性，实现 24 小时不间断区域监控，精准识别异常入侵行为并触发报警，不受光线、天气及非金属遮挡影响。

技术实现：

• 全天候检测：工作在 24GHz ISM 频段，不受强光、黑暗、雨雪等环境影响，可穿透玻璃、衣物等非金属障碍物
• 目标分析：支持目标速度、距离、角度信息采集，区分正常通行（如人员正常走动）与异常入侵（如快速闯入、翻越）
• 多级报警：可通过配置工具设置检测区域（ROI），基于目标是否进入警戒区域及运动速度设置报警等级
• 联动控制：触发报警时，通过主控联动摄像头录像、声光警报器等设备

2.4 老人居家安全监护

应用描述：

在养老护理场景中，系统通过雷达非接触式监测老人的日常活动轨迹，及时发现风险并报警，保护老人居家安全。

技术实现：

• 活动监测：实时跟踪老人活动轨迹（基于距离、角度变化），记录活动区域与频率
• 异常识别：通过目标高度（或角度/位置）变化（跌倒时距离突变）、长时间静止（超过预设阈值，如 30 分钟无移动且无微动）识别异常状态
• 紧急报警：异常情况触发时，通过主控向家属或护理人员发送报警信息（支持 WiFi/BLE 联动）

3. 项目特色

3.1 高精度毫米波雷达技术

技术优势：

• 24GHz工作频率：提供毫米级的距离测量精度
• 多维度检测：同时获取距离、角度、速度三维信息
• 环境适应性强：不受光线、温度、湿度影响
• 穿透能力：可穿透薄壁、玻璃等非金属材料

创新点：

// RadarGate::Target
struct Target {
  int16_t x;
  int16_t y;
  int16_t speed;       // cm/s
  uint16_t pix_mm;     // pixel distance in mm
  bool valid;
  float angle_deg;     // atan2(x, y)
  uint16_t distance_mm; // prefer pix_mm, else Euclid mm
  uint16_t euclid_mm;   // sqrt(x^2 + y^2) in mm
};

// 噪声抑制与目标跟踪在 RadarGate::updateRelay 中实现：
// - 趋势证据（TREND_STEP_MM/TREND_WINDOW_MS）
// - 异常跳变剔除（OUTLIER_JUMP_MM）
// - 最近邻重关联（TRACK_RELINK_MM）与粘滞跟踪（TRACK_STICK_MS）

3.2 模块化软件架构设计

架构优势：

• 分层设计：硬件抽象层、驱动层、服务层、应用层清晰分离
• 模块解耦：各模块职责单一，接口标准化
• 可扩展性：支持功能模块的灵活添加和替换
• 可维护性：遵循华为编程规范，代码质量高

模块结构：

系统架构层次：
├── 应用层 (Application Layer)
│   ├── 雷达数据处理任务
│   ├── MQTT通信任务
│   └── 设备控制任务
├── 服务层 (Service Layer)
│   ├── 雷达管理服务
│   ├── 网络通信服务
│   └── 设备控制服务
├── 驱动层 (Driver Layer)
│   ├── UART驱动
│   ├── GPIO驱动
│   └── WiFi驱动
└── 硬件层 (Hardware Layer)
    ├── ESP32-C3微控制器
    ├── RD-03D雷达模块
    └── 外围设备接口

3.3 实时物联网通信能力

通信特点：

• WiFi连接管理：自动重连、信号强度监测、校园网登录
• MQTT over TLS：端口 8883；主机/用户名/密码通过占位符配置；断线重连；主题精简为 rdv5/hello 与 rdv5/heartbeat。
• 数据格式标准化：JSON格式数据，便于系统集成
• 稳定心跳：默认 30s 间隔（HEARTBEAT_INTERVAL_MS）

通信协议：

{
  "ts_s": 123456,
  "ip": "192.168.1.20",
  "wifi": true,
  "net": true,
  "presence": false,
  "relay": false,
  "inside_gate": false,
  "exit": false,
  "invalid": false,
  "tracked": true,
  "dist_mm": 840,
  "ang_deg": -12.3,
  "spd_cms": -18
}

3.4 智能设备联动控制

控制特点：

• 多设备支持：继电器、LED等多种设备
• 逻辑可配置：支持复杂的联动逻辑配置
• 安全保护：时间限制、故障检测
• 状态反馈：实时设备状态监控和反馈

控制逻辑：

• 继电器控制引脚：RELAY_PIN = 5
• 角度门控：ANGLE_GATE_ENABLED、扇区 [ANGLE_GATE_MIN_DEG, ANGLE_GATE_MAX_DEG] 与强制关断区
• 距离迟滞：DIST_HYST_MM，最大检测距离 DETECT_MAX_MM
• 存在保持：INSIDE_STICK_MS
• 退出证据计数：EXIT_EVIDENCE_N / EXIT_EVIDENCE_WINDOW_MS
• 判定节奏：DECISION_INTERVAL_MS
• 状态查询接口：presenceState()、relayState()

4. 功能模块

4.1 系统管理模块 (System Management)

4.1.1 协作式调度 (Cooperative Scheduling)

主要功能：

• 基于Arduino loop()函数的协作式调度
• 模块化 loopStep() 函数的顺序执行
• 确保各模块的周期性更新和状态管理

子功能模块：

• 主循环调度器：在 loop() 函数中依次调用各模块的 loopStep() 方法
• 模块状态管理：各模块内部维护自身状态和定时器，实现非阻塞操作
• 事件驱动机制：通过状态机和回调函数处理异步事件
• 资源共享管理：通过全局对象或单例模式共享系统资源

4.1.2 状态与异常报告 (Status & Anomaly Reporting)

主要功能：

• 通过串口输出系统运行状态和调试信息
• 网络连接（WiFi、MQTT）的自动重试机制
• LED 指示灯提供关键状态反馈
• 通过 MQTT 心跳包报告设备状态和异常标志

子功能模块：

• 串口日志输出：用于实时监控和调试，包含模块状态、雷达数据等
• 连接重试器：针对 WiFi 和 MQTT 连接失败进行周期性重试
• LED 状态指示：通过 LED 闪烁模式指示网络连接、登录重试等状态
• MQTT 状态报告：定期发布心跳包，包含设备运行状态、雷达检测状态和网络连通性

4.2 硬件驱动模块 (Hardware Drivers)

4.2.1 UART驱动 (UART Driver)

主要功能：

• 高速串口通信（256000波特率），使用GPIO20 (RX) / GPIO21 (TX)
• 数据发送和接收缓冲管理
• 流控制和错误检测
• 中断驱动的异步通信

子功能模块：

• 缓冲区管理：环形缓冲区实现高效数据传输
• 协议解析：雷达数据帧的实时解析
• 错误检测：校验和验证、帧格式检查
• 性能优化：DMA传输、中断优化

GPIO 驱动

• 主功能：控制继电器（GPIO5）、LED 指示灯（GPIO2）等外设。
• 子功能：
  • 引脚初始化与模式设置。
  • 数字信号输出控制（高/低电平）。
  • （可选）中断处理。

4.3 网络通信模块 (Network Communication)

4.3.1 WiFi管理器 (WiFi Manager)

主要功能：

• WiFi连接和断开管理
• 自动重连和状态监控
• 信号强度检测和网络诊断
• 校园网自动登录功能，通过 CampusLogin 类处理认证

子功能模块：

• 连接管理器：WiFi连接状态管理和自动重连
• 外网连通性检查：定期请求 CHECK_URL 判断是否需认证
• 认证管理器：支持WPA/WPA2/企业级认证，实现校园网自动登录和重试机制
• 诊断工具：网络连接诊断和故障排除

MQTT 客户端

• 主功能：负责与 MQTT 代理建立安全连接，并发布设备状态和雷达数据。
• 子功能：
  • 基于 TLS 的安全连接（WiFiClientSecure + Digicert Global Root G2）。
  • 自动重连机制。
  • 缓冲区大小：512 字节。
  • 心跳间隔：30s；重连间隔：15s。
  • 发布 "hello" 消息：包含 clientId、设备 ip、rssi、uptime_s、presence、relay。
  • 定期发布 "heartbeat" 消息：包含 ts_s、设备 ip、wifi/net 连通性、presence/relay、inside_gate/exit/invalid、tracked 以及 dist_mm/ang_deg/spd_cms。
  • 客户端 ID 自动生成（形如 esp32c3rd03-XXXXYYYY）。

4.4 雷达数据处理模块 (Radar Data Processing)

数据解析器

• 主功能：从雷达模块接收的原始 UART 数据流中解析出有效的雷达帧，并提取目标信息。
• 子功能：
  • UART 参数：UART1（GPIO20 RX / GPIO21 TX），波特率 256000。
  • 帧头和帧尾识别：识别 0xAA 0xFF 0x03 0x00 作为帧头和 0x55 0xCC 作为帧尾。
  • 载荷提取：从有效帧中提取 24 字节的载荷数据。
  • 目标数据解析：将载荷数据解析为最多 3 个目标，每个目标包含 X 坐标、Y 坐标、速度、像素距离等信息。
  • 数据校验：确保接收到的数据帧完整且格式正确。

目标检测器（Target Detector）

• 主要功能：基于雷达数据实现目标存在性判定与运动趋势分析，控制继电器输出。
• 子功能：
  • 角度门控：可编译开关 ANGLE_GATE_ENABLED 控制（默认关闭不做角度过滤）；启用时仅处理 ANGLE_GATE_MIN_DEG（-30°）至 ANGLE_GATE_MAX_DEG（4.9°）范围；强制关断扇区仅在启用角度门控时生效 [ANGLE_FORCE_OFF_MIN_DEG, ANGLE_FORCE_OFF_MAX_DEG]（8°–13°）。
  • 目标跟踪：维持最近目标的位置、距离、角度和速度信息，TRACK_STICK_MS（800ms）保持连续性，TRACK_RELINK_MM（500mm）最近邻重关联。
  • 距离与范围：最大检测距离 DETECT_MAX_MM（1600mm），边界迟滞 DIST_HYST_MM（120mm）。
  • 存在保持：在 INSIDE_STICK_MS（2000ms）窗口内出现过门内目标则保持存在为 ON。
  • 趋势检测：在 TREND_WINDOW_MS（1200ms）内以步长 TREND_STEP_MM（80mm）累计证据，满足 TREND_EVIDENCE_N（4次）判为靠近/远离；OUTLIER_JUMP_MM（1000mm）以上的单次跳变忽略。
  • 退出判据：远离速度阈值 EXIT_AWAY_SPEED_CMS（10 cm/s，默认负向）；离开证据累计 EXIT_EVIDENCE_N（3次）于 EXIT_EVIDENCE_WINDOW_MS（800ms）窗口。
  • 判定节奏：DECISION_INTERVAL_MS（1500ms）定步更新门内状态。

4.5 设备控制模块 (Device Control)

继电器控制器（Relay Controller）

• 主要功能：根据目标检测器的判定结果，控制继电器的开关状态。
• 子功能：
  • 引脚定义：继电器控制引脚为 RELAY_PIN (GPIO5)。
  • 初始化：在 RadarGate::begin() 中将 RELAY_PIN 配置为输出模式，并初始化为 LOW（关闭）。
  • 状态更新：在 RadarGate::updateRelay() 中，根据 presenceOn_ 状态决定 desiredRelay 状态，并引入 RELAY_HYST_MS（50ms）的滞后时间，防止继电器频繁切换。
  • 物理控制：通过 digitalWrite(RELAY_PIN, relayOn_ ? HIGH : LOW) 实现继电器的物理开关。

LED控制器（LED Controller）

• 主要功能：通过板载 LED 指示设备的不同运行状态，如网络连接、登录重试等。
• 子功能：
  • 引脚定义：LED 控制引脚为 LED_PIN (GPIO2)。
  • 初始化：在 CampusLogin::begin() 中将 LED_PIN 配置为输出模式，并初始化为 LOW（关闭）。
  • 状态指示：
    • ledOn() 和 ledOff()：控制 LED 的亮灭。
    • blink(int times, int delayMs)：实现 LED 闪烁功能，用于指示特定事件。
  • 运行状态反馈：
    • 在 CampusLogin::loopStep() 中，当处于网络登录重试周期时，LED 会以 blink(3, 200) 闪烁（3 次，每次 200ms 间隔）。
    • 正常运行时，LED 会周期性地短闪烁 blink(1, 80)（1 次，80ms 间隔），表示系统正常。

4.6 工具支持模块 (Utility Support)

Logger (日志记录器)

• 主要功能：通过串口输出调试信息和系统状态，便于开发和监控。
• 子功能：
  • 串口初始化：在 setup() 函数中通过 Serial.begin(115200) 初始化串口通信，波特率为 115200。
  • 调试信息输出：
    • Serial.print() 和 Serial.println()：广泛用于输出各类调试信息，例如雷达解析器的启动信息、WiFi 连接状态、IP 地址、网络连通性、校园网登录重试信息等。
    • Serial.printf()：用于格式化输出，例如打印系统运行时间 printUptime() 和 IP 地址。
  • 原始帧日志：通过 LOG_RAW_FRAMES 宏控制是否打印原始雷达数据帧，方便底层调试。
  • 状态报告：在 RadarGate::loopStep() 中，每 REPORT_INTERVAL_MS（1500ms）通过串口输出一次详细的系统状态报告，包括继电器状态、存在状态、最后一帧时间、WiFi 状态、IP、网络连通性、下次检查时间、登录重试信息、门内状态、离开证据、无效检测、跟踪目标信息等。

5. 系统架构

5.1 整体架构图

graph TB subgraph "外部设备层" A1[RD-03D雷达模块] A2[继电器模块] A3[LED指示灯] A4[MQTT服务器] end subgraph "ESP32-C3核心层" B1[ESP32-C3微控制器] B2[WiFi模块] B3[UART接口] B4[GPIO接口] B5[RadarGate模块] B6[CampusLogin模块] B7[MqttClient模块] end A1 -- UART --> B3 B3 -- 数据 --> B5 A2 -- GPIO --> B4 A3 -- GPIO --> B4 B4 -- 控制 --> B5 B5 -- 控制 --> A2 B5 -- 控制 --> A3 B1 -- WiFi --> B2 B2 -- 网络 --> B6 B6 -- 认证 --> B2 B2 -- 网络 --> B7 B7 -- MQTT协议 --> A4 B5 -- 数据 --> B7 B6 -- 状态 --> B7 B1 -- 调度 --> B5 B1 -- 调度 --> B6 B1 -- 调度 --> B7

5.2 模块交互图

sequenceDiagram participant R as 雷达模块 participant RG as RadarGate模块 participant CL as CampusLogin模块 participant MC as MqttClient模块 R->>RG: 发送雷达数据 (UART) RG->>RG: 数据解析与目标检测 RG->>RG: 继电器与LED控制 RG->>MC: 提供雷达数据与状态 CL->>CL: WiFi连接与校园网认证 CL->>MC: 提供网络连接状态 MC->>MC: MQTT连接管理 MC->>MC: 发布"hello"与"heartbeat"消息 MC->>A4: 发布MQTT消息 Note over R,MC: 完整的数据处理与发布流程

5.3 数据流程图

graph LR subgraph "外部输入" A[雷达原始数据] --> RG_RAW[RadarGate: 接收原始数据] end subgraph "RadarGate模块" RG_RAW --> RG_PARSE{数据帧解析与验证} RG_PARSE -->|有效| RG_COORD[坐标计算] RG_PARSE -->|无效| RG_DISCARD[丢弃数据] RG_COORD --> RG_DETECT[目标检测] RG_DETECT --> RG_TRACK{检测到目标?} RG_TRACK -->|是| RG_EVIDENCE[趋势证据与抑噪] RG_TRACK -->|否| RG_CLEAR[清除跟踪] RG_EVIDENCE --> RG_STATE[更新目标状态] RG_STATE --> RG_CONTROL[继电器/LED控制逻辑] RG_STATE --> RG_MQTT_DATA[提供雷达数据给MQTT] end subgraph "CampusLogin模块" CL_INIT[CampusLogin: 初始化] --> CL_WIFI[WiFi连接管理] CL_WIFI --> CL_AUTH[校园网认证] CL_AUTH --> CL_STATUS[提供网络状态给MQTT] end subgraph "MqttClient模块" MC_INIT[MqttClient: 初始化] --> MC_CONNECT[MQTT连接管理] RG_MQTT_DATA --> MC_PUBLISH_RADAR[发布雷达数据] CL_STATUS --> MC_PUBLISH_STATUS[发布网络状态] MC_PUBLISH_RADAR --> MQTT_SERVER[MQTT服务器] MC_PUBLISH_STATUS --> MQTT_SERVER MC_CONNECT --> MQTT_SERVER end subgraph "外部输出" RG_CONTROL --> RELAY[继电器控制] RG_CONTROL --> LED[LED指示] end RG_DISCARD --> RG_RAW RG_CLEAR --> RG_RAW

5.4 任务调度架构

• 主要功能：系统采用 Arduino 框架的 loop() 函数进行任务调度，通过顺序调用各个模块的 loopStep() 方法实现循环执行。
• 调度机制：
  • loop() 函数：Arduino 程序的入口点，在 setup() 函数执行完毕后无限循环。
  • 模块 loopStep()：RadarGate、CampusLogin 和 MqttClient 等模块各自实现 loopStep() 方法，在该方法中处理各自的逻辑，例如雷达数据读取、WiFi 状态检查、MQTT 消息处理等。
  • 顺序执行：各个模块的 loopStep() 方法在 loop() 函数中按顺序调用，形成一个简单的循环调度。
  • 非阻塞设计：各个 loopStep() 方法内部应采用非阻塞设计，避免长时间占用 CPU，以确保系统的响应性。

6. 技术选型

6.1 硬件平台对比分析

对比项目	ESP32-C3	ESP32-S3	STM32F4	Arduino Uno
处理器架构	RISC-V 32位	Xtensa 32位	ARM Cortex-M4	AVR 8位
主频	160MHz	240MHz	168MHz	16MHz
内存	400KB SRAM	512KB SRAM	192KB SRAM	2KB SRAM
Flash	4MB	8MB	1MB	32KB
WiFi	✅ 802.11n	✅ 802.11n	❌	❌
蓝牙	✅ BLE 5.0	✅ BLE 5.0	❌	❌
GPIO数量	22个	45个	82个	14个
UART数量	2个	3个	6个	1个
开发生态	优秀	优秀	良好	一般
成本	低	中	中	低
功耗	极低	低	中	低

选择ESP32-C3的理由：

1. 成本效益最优：在满足性能需求的前提下成本最低
2. 集成度高：内置WiFi和蓝牙，减少外围器件
3. 开发便利：ESP-IDF框架成熟，社区支持好
4. 功耗优势：支持多种低功耗模式
5. RISC-V架构：开源指令集，未来发展潜力大

6.2 开发框架对比

框架	ESP-IDF	Arduino	MicroPython	Rust
开发语言	C/C++	C/C++	Python	Rust
性能	优秀	良好	一般	优秀
实时性	优秀	良好	差	优秀
内存占用	低	中	高	低
开发效率	中	高	很高	中
生态支持	优秀	优秀	良好	一般
调试能力	优秀	良好	一般	优秀

选择Arduino的理由：

1. 开发效率高：Arduino框架提供了简洁易用的API和丰富的库，大大简化了开发流程。
2. 生态系统成熟：拥有庞大的社区支持和海量的开源库，便于快速开发和问题解决。
3. 易于上手：对于快速原型开发和教育目的，Arduino框架的学习曲线更为平缓。
4. 满足项目需求：对于本项目而言，Arduino框架的性能和实时性已足够满足需求，无需ESP-IDF的复杂性。
5. 兼容性好：与ESP32-C3硬件平台兼容良好，可以充分利用其硬件资源。

6.3 通信协议选择

6.3.1 雷达通信协议

UART vs SPI vs I2C对比：

协议	传输速度	线路数量	距离	复杂度	适用性
UART	256Kbps	2线	长	低	✅ 最适合
SPI	10Mbps+	4线	短	中	过度设计
I2C	400Kbps	2线	短	中	速度不足

选择UART的理由：

• RD-03D雷达模块原生支持UART接口
• 传输速度满足实时性要求
• 接线简单，抗干扰能力强
• 支持长距离传输

6.3.2 网络通信协议

WiFi vs LoRa vs 4G对比：

协议	传输速度	功耗	成本	覆盖范围	部署难度
WiFi	54Mbps+	中	低	室内	✅ 简单
LoRa	50Kbps	极低	中	广域	复杂
4G	100Mbps+	高	高	广域	中等

MQTT vs HTTP vs CoAP对比：

协议	开销	实时性	QoS	复杂度	生态
MQTT	低	高	支持	中	✅ 优秀
HTTP	高	低	不支持	低	优秀
CoAP	低	高	支持	高	一般

项目通信栈：WiFiClientSecure + PubSubClient，MQTT over TLS（端口 8883），主题精简为 rdv5/hello 与 rdv5/heartbeat。

6.4 算法技术选择

6.4.1 滤波算法对比

算法	计算复杂度	滤波效果	实时性	内存占用	适用场景
卡尔曼滤波	中	优秀	好	中	目标跟踪
移动平均	低	一般	优秀	低	简单降噪
中值滤波	中	良好	好	低	脉冲噪声
低通滤波	低	良好	优秀	低	高频噪声

实际上，为了防止跳变和意外判断，这里用的是多个判断条件以确保正常触发

项目实际采用的抑噪与判据策略：

• 跳变滤除：单帧距离突变超过 OUTLIER_JUMP_MM 视为异常，忽略该证据。
• 距离迟滞：DIST_HYST_MM 抑制边界抖动，避免频繁触发/关闭。
• 趋势证据：在窗口 TREND_WINDOW_MS 内累积单步变化 TREND_STEP_MM，形成“进入/退出”判据。
• 粘滞保持：在 INSIDE_STICK_MS 内最近出现过门内目标，保持存在状态为 ON。

实现参考：src/radar_gate.cpp 中 RadarGate::updateRelay 与相关常量。

6.4.2 目标检测算法

基于阈值 vs 基于聚类 vs 基于机器学习：

算法类型	准确率	计算量	内存需求	实现难度	适用性
阈值检测	中	极低	极低	简单	✅ 实时应用
聚类算法	高	低	低	中等	多目标
机器学习	很高	很高	很高	复杂	离线分析

项目实际采用的目标检测算法：

本项目主要采用了基于阈值的检测。并结合了简单的聚类思想。

• 基于阈值的检测 (Threshold-based Detection)：

  • 应用场景：用于雷达原始数据中目标的初步筛选和存在性判断，例如通过信号强度、距离、速度等阈值来判断是否存在有效目标。
  • 选择理由：实现简单，计算效率极高，能够满足实时性要求，适用于对目标存在与否进行快速判定的场景。
  • 实现参考：在雷达数据处理模块中，通过配置参数如 MIN_DETECTION_CONFIDENCE、TARGET_MIN_SIZE 等进行初步筛选。

8. 工作流程

8.1 系统启动流程

flowchart TD A[系统上电] --> B[初始化Serial] B --> C[初始化RadarGate] C --> D[初始化CampusLogin] D --> E[初始化MqttClient] E --> F[建立模块依赖] F -->|gGate.attachCampus| G[关联校园网模块] G -->|gMqtt.attachGate| H[关联雷达模块] H -->|gMqtt.attachCampus| I[关联校园网模块] I --> J[系统就绪] J --> K[循环执行任务] K --> L[RadarGate.loopStep] L --> M[CampusLogin.loopStep] M --> N[MqttClient.loopStep] N --> K B --> O{初始化失败?} O -->|是| P[错误指示] P --> Q[系统重启] Q --> A

8.2 雷达数据处理流程

flowchart TD A[UART接收循环] --> B[读取数据到缓冲区] B --> C{缓冲区有完整帧?} C -->|否| D[等待更多数据] C -->|是| E[提取数据帧] E --> F[帧头验证] F --> G{帧头正确?} G -->|否| H[丢弃数据] G -->|是| I[帧尾验证] I --> J{帧尾正确?} J -->|否| K[记录错误] J -->|是| L[解析原始目标数据] L --> M[计算欧氏距离和角度] M --> N[噪声抑制与趋势证据统计] N --> O[更新最新目标状态] O --> P{检测到有效目标?} P -->|否| Q[清除跟踪状态] P -->|是| R[目标跟踪与趋势分析] R --> S[更新继电器控制决策] S --> T[更新调试信息] Q --> S D --> A H --> A K --> A S --> A T --> A

8.3 设备控制流程

flowchart TD A[读取雷达目标数据] --> B{存在有效目标?} B -->|否| C[清除跟踪状态] B -->|是| D[角度门控验证] D -->|无效| C D -->|有效| E[目标跟踪与趋势分析] E --> F{趋势证据满足?} F -->|是| G[更新继电器控制决策] F -->|否| H[保持当前状态] G --> I[应用 hysteresis 延迟] I --> J[更新继电器状态] C --> H H --> A J --> A

9. 配置说明

本节对齐项目源码中的配置参数，便于部署与调试。

9.1 串口与雷达

• 雷达串口：UART1（GPIO20 RX / GPIO21 TX），256000 波特率，SERIAL_8N1。
• 原始帧打印：LOG_RAW_FRAMES 设为 1 时输出 RAW: <header|payload|tail> 调试信息，默认 0。

9.2 网络与 MQTT

• 连接栈：WiFiClientSecure + PubSubClient（TLS）。
• 根证书：emqx_ca.h 中 EMQX_CA_CERT_PEM。
• 服务器参数（src/mqtt_client.h）：
  • kHost = "你的sever连接地址"
  • kPort = 8883（MQTT over TLS）一般情况
  • kUser = "esp32c3rd03"
  • kPass = "你的认证密码"
• 主题：rdv5/hello（保留）、rdv5/heartbeat（非保留）。
• 心跳与重连（src/mqtt_client.h）：
  • RECONNECT_INTERVAL_MS = 15000（15s）
  • HEARTBEAT_INTERVAL_MS = 30000（30s）
• 缓冲区：mqtt_.setBufferSize(512)。
• 心跳负载字段来源：MqttClient::publishHeartbeat + RadarGate::debug()。

9.3 雷达判定参数（src/radar_gate.cpp）

• 距离范围与迟滞：
  • DETECT_MIN_MM = 2
  • DETECT_MAX_MM = 1600
  • DIST_HYST_MM = 120
• 角度门控（可关）：
  • ANGLE_GATE_ENABLED（默认 0 关闭）
  • ANGLE_GATE_MIN_DEG = -30.0f
  • ANGLE_GATE_MAX_DEG = 4.9f
  • 强制关断区：ANGLE_FORCE_OFF_MIN_DEG = 8.0f，ANGLE_FORCE_OFF_MAX_DEG = 13.0f
• 趋势与证据：
  • TREND_STEP_MM = 80
  • TREND_EVIDENCE_N = 4
  • TREND_WINDOW_MS = 1200
  • EXIT_EVIDENCE_N = 3
  • EXIT_EVIDENCE_WINDOW_MS = 800
• 目标追踪与保持：
  • TRACK_STICK_MS = 800
  • TRACK_RELINK_MM = 500
  • 远离速度阈值：EXIT_AWAY_SPEED_CMS = 10（SPEED_AWAY_NEGATIVE = 1 表示“远离”为负速度）
• 判定节奏与帧活跃：
  • DECISION_INTERVAL_MS = 1500
  • FRAME_ACTIVE_MS = 500

9.4 设备控制

• 继电器引脚与迟滞：
  • RELAY_PIN = 5
  • RELAY_HYST_MS = 50
• 存在保持：INSIDE_STICK_MS = 2000（2s 内出现过门内目标则维持 ON）。

11. 创新设计

11.1 技术难点与挑战

11.1.1 雷达数据处理挑战

挑战描述：
RD-03D雷达输出的原始数据字段需要进行解析，需要在资源受限的ESP32-C3平台上实现高效的数据处理算法，因为物料并非Rd-03d_V2，没有人体存在检测固件功能，所以如何判断开关灯条件，以及平衡响应时间，成了很大挑战。

技术难点：

1. 实时性要求：雷达数据需要在100ms内完成处理和响应
2. 内存限制：ESP32-C3只有400KB SRAM，需要优化内存使用
3. 计算能力：160MHz单核处理器需要高效的算法实现
4. 噪声过滤：环境干扰和设备噪声影响检测精度

解决方案：

本项目采用多维度判据结合时间窗口与迟滞机制，以在资源受限的MCU平台上实现鲁棒的雷达数据处理和决策。具体包括：

1. 离群点跳变过滤 (Outlier Jump Filtering)：通过设置 OUTLIER_JUMP_MM 参数，过滤掉短时间内距离变化过大的目标点，避免瞬时干扰造成误判。
2. 距离迟滞 (Distance Hysteresis)：引入 DIST_HYST_MM 参数，在目标距离变化时提供一个缓冲区域，减少继电器频繁开关，提高稳定性。
3. 趋势证据积累 (Trend Evidence Accumulation)：通过 TREND_WINDOW_MS 和 TREND_STEP_MM 参数，在一定时间窗口内积累目标距离变化的趋势证据（上升或下降），用于判断目标的进入或离开意图。
4. 粘滞存在保持 (Sticky Presence Holding)：通过 INSIDE_STICK_MS 参数，在目标离开门控区域后，仍保持一段时间的“存在”状态，以提升用户体验，避免继电器过早关闭。
5. 角度门控 (Angle Gating)：利用 ANGLE_GATE_MIN_DEG 和 ANGLE_GATE_MAX_DEG 定义有效检测角度范围，只处理在该角度范围内的目标，排除无关区域的干扰。
6. 强制关闭区域 (Angle Force-Off Zones)：通过 ANGLE_FORCE_OFF_MIN_DEG 和 ANGLE_FORCE_OFF_MAX_DEG 定义强制关闭区域，当目标进入这些区域时，即使在门控区域内也强制关闭继电器，用于特殊场景控制。

这些机制共同作用于 RadarGate::updateRelay 函数中，形成一套稳定、抗干扰的决策逻辑。

11.2 系统架构创新

11.2.1 事件驱动架构

创新点：

本项目采用 Arduino 风格的单线程事件循环（loop() 函数），而非复杂的多线程或事件驱动框架。这种设计在资源受限的 ESP32-C3 平台上具有以下优势：

1. 简化并发管理：避免了多线程带来的同步、互斥等复杂问题，降低了开发难度和出错概率。
2. 资源占用低：无需额外的操作系统或调度器开销，内存和CPU占用更少。
3. 实时性与响应：通过将各个模块（RadarGate、CampusLogin、MqttClient）的 loopStep() 函数集成到主循环中，确保每个模块都能在固定节奏内得到执行，实现非阻塞的协作。
4. 模块化与可维护性：每个模块负责自身的状态管理和逻辑推进，通过 setup() 函数进行初始化和依赖绑定，职责清晰，易于理解和维护。

主循环在 src/main.cpp 的 loop() 函数中依次调用各模块的 loopStep() 方法，确保系统以统一的节奏运行，并及时响应外部事件（如雷达数据、网络状态变化等）。

13. 配置参数说明

本章节详细说明ESP32-C3雷达联动系统中所有可配置参数的定义、用途和修改影响。

13.1 硬件与GPIO配置

参数名称	所在文件	参数说明	修改影响
LED_PIN	src/campus_login.h	指示LED连接的GPIO引脚。	更改LED指示灯的物理连接。
RELAY_PIN	src/radar_gate.cpp	继电器控制连接的GPIO引脚。	更改继电器的物理连接。

13.2 WiFi/网络配置

参数名称	所在文件	参数说明	修改影响
CONNECT_TIMEOUT_MS	src/campus_login.h	WiFi连接尝试的超时时间（毫秒）。	影响设备等待WiFi连接成功的最长时间。
CHECK_TIMEOUT_MS	src/campus_login.h	网络连通性检查的超时时间（毫秒）。	影响设备等待网络检查响应的最长时间。
CHECK_INTERVAL_MS	src/campus_login.h	网络连通性检查的间隔时间（毫秒）。	影响设备检查网络状态的频率。
LONG_RETRY_INTERVAL_MS	src/campus_login.h	WiFi连接失败后，长时间重试的间隔时间（毫秒）。	影响设备在长时间连接失败后再次尝试连接的频率。
RETRY_INTERVAL_MS	src/campus_login.h	WiFi连接失败后，短时间重试的间隔时间（毫秒）。	影响设备在短时间连接失败后再次尝试连接的频率。

13.3 MQTT配置

参数名称	所在文件	参数说明	修改影响
RECONNECT_INTERVAL_MS	src/mqtt_client.h	MQTT客户端尝试重新连接MQTT服务器的间隔时间（毫秒）。	影响MQTT连接断开后，客户端尝试恢复连接的频率。
HEARTBEAT_INTERVAL_MS	src/mqtt_client.h	MQTT客户端发送心跳消息以保持连接的间隔时间（毫秒）。	影响MQTT连接的活跃度维护和网络流量。

13.4 雷达检测与决策参数

参数名称	所在文件	参数说明	修改影响
DETECT_MIN_MM	src/radar_gate.cpp	雷达检测的最小有效距离（毫米）。	影响雷达忽略近距离目标的能力。
DETECT_MAX_MM	src/radar_gate.cpp	雷达检测的最大有效距离（毫米）。	影响雷达检测范围的上限。
RELAY_HYST_MS	src/radar_gate.cpp	继电器状态切换的滞后时间（毫秒），用于防止继电器频繁开关。	影响继电器响应检测结果的平滑度。
INSIDE_STICK_MS	src/radar_gate.cpp	当目标在门内时，继电器保持ON状态的粘滞时间（毫秒）。	确保在目标短暂离开检测区域后，继电器仍能保持ON状态。
FRAME_ACTIVE_MS	src/radar_gate.cpp	雷达帧被认为是“活跃”的时间窗口（毫秒）。	影响系统对雷达数据流的实时性判断。
EXIT_EVIDENCE_WINDOW_MS	src/radar_gate.cpp	用于判断目标是否离开的证据积累时间窗口（毫秒）。	影响系统确认目标离开检测区域所需的时间。
TRACK_STICK_MS	src/radar_gate.cpp	跟踪目标保持“粘滞”状态的时间（毫秒）。	影响系统在目标短暂消失后继续跟踪的能力。
ANGLE_GATE_MIN_DEG	src/radar_gate.cpp	角度门限的最小角度（度）。	限制雷达检测的有效角度范围。
ANGLE_GATE_MAX_DEG	src/radar_gate.cpp	角度门限的最大角度（度）。	限制雷达检测的有效角度范围。
ANGLE_FORCE_OFF_MIN_DEG	src/radar_gate.cpp	强制关闭区域的最小角度（度）。	定义一个角度范围，在此范围内检测到目标将强制关闭继电器。
ANGLE_FORCE_OFF_MAX_DEG	src/radar_gate.cpp	强制关闭区域的最大角度（度）。	定义一个角度范围，在此范围内检测到目标将强制关闭继电器。
ANGLE_GATE_ENABLED	src/radar_gate.cpp	控制角度门限功能是否启用（0为禁用，1为启用）。	启用或禁用基于角度的检测过滤。
TREND_WINDOW_MS	src/radar_gate.cpp	用于积累目标移动趋势证据的时间窗口（毫秒）。	影响系统判断目标移动方向和意图的灵敏度。
DECISION_INTERVAL_MS	src/radar_gate.cpp	系统进行继电器决策判断的节奏间隔（毫秒）。	影响继电器状态更新的频率。
REPORT_INTERVAL_MS	src/radar_gate.h	系统向MQTT服务器报告状态和数据的间隔时间（毫秒）。	影响数据上报的频率和网络负载。

13.5 配置参数修改指南

13.5.1 修改步骤

1. 定位参数：根据上述表格找到需要修改的参数及其所在文件。
2. 备份配置：修改前备份原始配置文件。
3. 修改参数：使用文本编辑器修改对应的宏定义值或常量值。
4. 重新编译：执行 pio run 重新编译项目。
5. 烧录测试：烧录新固件并测试功能是否正常。

13.5.2 注意事项

• 代码约定：请注意，本项目的配置参数主要通过C++文件中的 static const 变量或宏定义 (#define) 来实现。
• 内存限制：ESP32-C3内存有限，增大缓冲区和队列大小时需注意内存使用。
• 引脚冲突：修改GPIO引脚时需确保引脚未被其他功能占用。
• 网络配置：修改WiFi和MQTT参数时需确保网络环境支持，确保上级服务器正常联通。
• 雷达特性：调整雷达检测参数时，请充分理解雷达模块的性能和环境因素，并以实际输出，现实情况进行调整。
  可以参考规格书：https://docs.ai-thinker.com/

怎么没有实际控制效果图以及视频呢

演示视频：https://easylink.cc/vvb75c
在物料速览下面

KrOik 发表于 2025-10-29 06:17
演示视频：https://easylink.cc/vvb75c
在物料速览下面

好的，这次算完整的DIY作品。下次记得要多多呈现实际控制效果图与视频。