IoT 爱的抱枕：基于 Arduino MKR 的远程拥抱传递装置

项目初衷

异地恋、探亲受限、独居老人等场景下，人们渴望跨越距离传递拥抱的温度。本项目利用 Arduino MKR IoT Bundle (MKR WiFi 1010 + 传感器扩展板)，结合 DIY 电容式触摸传感器（铝箔纸）、蜂鸣器心跳模拟、Telegram Bot 即时通讯，制作一款“拥抱即发送表情包”的智能抱枕。拥抱时长映射不同表情符号（❤️/🧡/💛/💚/💙/💜），以轻量、趣味的方式缓解分离焦虑。

硬件实现

核心模块

电容传感器原理与布线

// CapacitiveSensor 接线
// Pin 4 (Send) ---- 5MΩ ---- Pin 5 (Receive) ---- 铝箔纸
// 原理：Send 输出高频方波，Receive 通过电阻采样充放电时间
// 人体接地形成并联电容，使充放电时间常数增大，读数升高

CapacitiveSensor cs(4, 5);  // 发射引脚, 接收引脚
cs.set_CS_AutocaL_Millis(0xFFFFFFFF);  // 关闭自动校准，保持基线稳定

铝箔纸置于枕芯表层下，覆盖薄棉布防止直接接触氧化。导线沿缝隙引出接扩展板排针。建议在铝箔边缘折叠封边，避免锐角放电干扰。

软件系统设计

Telegram Bot 架构

• Bot 创建：与 @BotFather 对话 /newbot 获取 Token，设置头像/简介。
• 证书上传：WiFi101 固件更新器烧录 api.telegram.org 根证书，启用 TLS 1.2 安全通信。
• 消息格式：JSON 文本，含 chat_id、text (Unicode emoji)、parse_mode。
• 群组模式：关闭 Privacy Mode，Bot 可读取群内所有消息，适合家庭群共享拥抱。

主程序状态机

// 核心逻辑框架
#include 
#include 
#include 
#include 
#include   // 低功耗定时

CapacitiveSensor hugSensor(4, 5);
TelegramBot bot(BOT_TOKEN, wifiClient);
RTCZero rtc;

enum HugState { IDLE, HUGGING, SENDING };
HugState state = IDLE;
unsigned long hugStart = 0;
int hugLevel = 0;  // 0-5 对应 6 种表情

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  WiFi.begin(SSID, PASS);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) delay(500);
  bot.begin();
  rtc.begin();
  // 看门狗 30s
  Watchdog.enable(30000);
}

void loop() {
  Watchdog.reset();
  long capVal = hugSensor.capacitiveSensor(30);  // 30μs 采样窗口

  switch (state) {
    case IDLE:
      if (capVal > HUG_THRESHOLD) {  // 触发拥抱
        state = HUGGING;
        hugStart = millis();
        playHeartbeat();  // 开始播放心跳
      }
      break;

    case HUGGING:
      if (capVal <= HUG_THRESHOLD) {  // 拥抱结束
        state = SENDING;
        hugLevel = constrain(map(millis() - hugStart, 0, 10000, 0, 5), 0, 5);
        sendHugEmoji(hugLevel);
        state = IDLE;
      } else {
        playHeartbeat();  // 持续播放
      }
      break;

    case SENDING:
      // 发送中非阻塞，由 TelegramBot 库内部处理
      break;
  }

  // 定期处理 Bot 消息队列
  bot.getUpdates();  // 必须周期性调用
  delay(50);
}

心跳声合成

void playHeartbeat() {
  // Lub-Dub 模式: 低频短促 + 稍长 + 间歇
  tone(BUZZER_PIN, 60, 80);   // Lub ~60Hz
  delay(120);
  tone(BUZZER_PIN, 45, 150);  // Dub ~45Hz
  delay(200);
  noTone(BUZZER_PIN);
  delay(600);  // 周期约 1s, 60bpm
}

表情映射表

发送函数

void sendHugEmoji(int level) {
  const char* emojis[] = {
    "\U0001F49B", "\U0001F49C", "\U0001F499",
    "\U0001F49A", "\U0001F497", "\U00002764\U0000FE0F"
  };
  StaticJsonDocument<200> doc;
  doc["chat_id"] = TARGET_CHAT_ID;  // 预存或从最后一条消息获取
  doc["text"] = emojis[level];
  String payload; serializeJson(doc, payload);
  bot.sendMessage(payload);  // 封装 HTTP POST
}

低功耗与稳健性设计

• 深度睡眠：无拥抱时 SAMD21 进入 Standby 模式，仅 RTC 运行，电流 < 100μA。
• 唤醒源：电容传感器中断 (需外部中断引脚) 或 RTC 闹钟 (每小时心跳保活)。
• 看门狗：Adafruit SleepyDog 30s 复位，防止 WiFi/TCP 卡死。
• 网络重连：WiFi 断开自动重连指数退避 (1s,2s,4s...max 60s)，Telegram 长轮询超时 25s 自动重建。
• 消息去重：同一次拥抱仅发送一次，防抖时间 5s。

制作与调试步骤

1. 传感器标定：串口绘图器观察静态/拥抱时电容读数分布，设定 HUG_THRESHOLD 为 (基线+峰值)/2，迟滞 ±10%。
2. Bot 功能测试：手机发送任意表情，确认 Bot 回显正常，验证 Unicode 编码正确。
3. 心跳音调试：调整频率/时长/间隔，使听感最接近真实心跳 (参考 60-80bpm, Lub 比 Dub 短)。
4. 封装测试：装入枕套，不同体型/衣物厚度测试触发可靠性，微调阈值。
5. 长时运行：满电放置 7 天，验证待机电流、自动重连、按时发送心跳保活消息。

隐私与伦理考量

• 数据最小化：仅传输拥抱事件与表情，不上传原始电容波形、时间戳精度降至分钟级。
• 用户控制：物理开关一键断开 WiFi，LED 指示连接状态；App 端可随时撤销 Bot 权限。
• 情感安全：明确告知接收方“这是自动发送的表情包，不代表实时生理状态”，避免过度解读。
• 开源透明：固件代码开源 (MIT 许可)，接受社区审计，无隐藏遥测。

拓展创意

• 双向拥抱：双方各持一枕，收到表情包时本地震动/发热/发光回应，形成闭环。
• 拥抱日历：云端聚合生成年度拥抱热力图，导出为纪念海报。
• 语音留言：长按预存键录制 5s 语音，随表情包以语音消息形式发送。
• 生理信号融合：接入 MAX30101 心率/血氧，拥抱时同步传输实时心率变异性 (HRV)，量化“心跳同步”现象。
• 宠物版：改造为宠物项圈/垫，监测分离焦虑行为，主人收到“想你了”推送。