DEV Community

張旭豐
張旭豐

Posted on

Arduino 人體感測器：讓裝置「看見」你的互動設計指南

#arduino #iot #maker #hardware

Arduino × 人體感測器：讓裝置「看見」你的互動設計指南

你是否想過，家裡的燈可以在你走進房間時自動亮起？展覽的藝術品能在觀眾靠近時啟動音效？或是停車場的設備能在車子靠近時自動開門？

這些場景都不再是未來科技——只要用 Arduino 搭配人體感測器，你也能做出這些東西！今天就來聊聊紅外線測距、PIR 人體感測這些技術的原理，以及實際可以做的互動專案。

🔬 人體感測技術大解析

紅外線測距感測器（IR Distance Sensor）

原理

紅外線測距感測器運作的方式很直覺：發射一束紅外線光，遇到物體後反射回來，感測器測量光線來回的時間或角度，就能計算出物體的距離。

常見的型號有 GP2Y0A21YK（測量範圍 10–80 cm）和 GP2Y0A02YK（測量範圍 20–150 cm）。輸出的是類比電壓訊號，距離越近電壓越高，距離越遠電壓越低。

Arduino 連接方式 

紅外線測距感測器 → Arduino
─────────────────────────
VCC (紅線)        → 5V
GND (黑線)        → GND
Signal (黃線)     → A0 (類比輸入)
Enter fullscreen mode Exit fullscreen mode

簡單範例程式 

const int IR_SENSOR = A0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int distance = analogRead(IR_SENSOR);
  // 數值轉換為公分的公式（依型號而異）
  float cm = 10650.08 / (distance - 10.41);

  Serial.print("距離：");
  Serial.print(cm);
  Serial.println(" cm");

  delay(100);
}
Enter fullscreen mode Exit fullscreen mode

PIR 人體紅外線感測器（Passive Infrared Sensor）

原理

PIR 感測器和紅外線測距不同，它不發射任何光線，而是被動接收環境中的紅外線輻射。

人體會發出紅外線（熱輻射），PIR 感測器內部有兩片紅外感應片，正常情況下接收到的熱輻射相同。當有人體移動時，紅外輻射會先落在其中一片、再落在另一片，產生差異訊號，感測器就知道「有人經過」了。

重點：PIR 感測器偵測的是「移動中的熱源」，靜止的人體它可能感應不到。

常用模組：HC-SR501

HC-SR501 是最熱門的 PIR 感測器模組，支援：

  • 可調感應距離：約 3–7 公尺
  • 可調延遲時間：0.3–25 秒
  • 觸發模式切換（H / L）

Arduino 連接方式 

HC-SR501 PIR 感測器 → Arduino
─────────────────────────────
VCC                    → 5V
GND                    → GND
OUT (輸出)             → D2 (數位輸入)
Enter fullscreen mode Exit fullscreen mode

簡單範例程式 

const int PIR_SENSOR = 2;
const int LED = 13;

void setup() {
  pinMode(PIR_SENSOR, INPUT);
  pinMode(LED, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int motion = digitalRead(PIR_SENSOR);

  if (motion == HIGH) {
    digitalWrite(LED, HIGH);
    Serial.println("🚶 偵測到人體移動！");
  } else {
    digitalWrite(LED, LOW);
    Serial.println("✅ 無人");
  }

  delay(500);
}
Enter fullscreen mode Exit fullscreen mode

🛠️ 四大經典互動專案

專案一：智能迎賓門鈴

場景：有訪客靠近門口時，自動播放迎賓音效並閃爍 LED。

所需材料：

  • Arduino Uno
  • HC-SR501 PIR 感測器
  • 蜂鳴器或 MP3 播放模組（如 DFPlayer Mini）
  • LED 一顆
  • 杜邦線若干

電路圖說明：

  • PIR OUT → D2
  • 蜂鳴器（或 MP3 模組 TX/RX）→ D9 / D10
  • LED → D13（並串聯 220Ω 電阻）

創意延伸：

  • 結合 SD 卡模組，播放不同的迎賓語
  • 加入光敏電阻，夜晚才啟動（省電）
  • 連接 Wi-Fi 模組，發送推播通知到手機

專案二：互動式感應燈光牆

場景：牆面有多顆 LED，當人的手靠近不同位置，對應的燈就會亮起。

所需材料：

  • Arduino Nano
  • GP2Y0A21YK 紅外線測距感測器 × 5
  • RGB LED 燈條（WS2812B）× 30 顆
  • 響應式控制程式碼

原理說明：
在牆面後方安裝 5 支紅外線測距感測器，每支監控一個區塊的手部距離。距離變化時，該區段的 RGB LED 就會改變顏色或亮度。

#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#define PIXEL_PIN 6
#define PIXEL_COUNT 30

Adafruit_NeoPixel strip = Adafruit_NeoPixel(PIXEL_COUNT, PIXEL_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

const int SENSOR[5] = {A0, A1, A2, A3, A4};
int lastValue[5] = {0};

void setup() {
  strip.begin();
  strip.show();
}

void loop() {
  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    int raw = analogRead(SENSOR[i]);
    int cm = 10650.08 / (raw - 10.41);

    // 根據距離映射亮度
    int brightness = map(constrain(cm, 10, 80), 10, 80, 255, 0);

    // 設定該區段燈光顏色（每段 6 顆燈）
    int start = i * 6;
    for (int j = 0; j < 6; j++) {
      strip.setPixelColor(start + j, brightness, brightness, brightness);
    }
  }
  strip.show();
  delay(50);
}
Enter fullscreen mode Exit fullscreen mode

專案三：停車場車輛偵測系統

場景：汽車靠近柵欄時，柵欄自動升起；離開後自動放下。

所需材料：

  • Arduino Mega（需要更多腳位）
  • GP2Y0A02YK 紅外線測距感測器（長距離型）
  • 伺服馬達（控制柵欄）
  • LCD 螢幕（1602 I2C）顯示車位狀態
  • 蜂鳴器警示

流程設計：

  1. 車輛靠近（距離 < 100cm）→ LCD 顯示「歡迎光臨」
  2. 伺服馬達轉動 90° → 柵欄升起
  3. 等待 5 秒（車輛通過）
  4. 柵欄自動放下

專案四：互動式藝術互動牆

場景：在展覽或工作坊中，牆面投影會根據觀眾位置產生粒子效果或波形變化。

所需材料：

  • Arduino Uno × 2（分擔訊號處理）
  • PIR 感測器 × 3（偵測觀眾方向）
  • Processing 軟體（電腦端視覺效果）
  • 序列通訊（USB 傳遞資料給電腦）

原理：
Arduino 負責感測觀眾位置與移動方向，透過 Serial 傳送資料到電腦的 Processing 程式，Processing 再即時運算生成視覺效果（粒子系統、聲波、干擾紋理等）。

// Arduino 端
const int PIR[3] = {2, 3, 4};

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  for (int i = 0; i < 3; i++) pinMode(PIR[i], INPUT);
}

void loop() {
  String data = "";
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    data += digitalRead(PIR[i]);
    if (i < 2) data += ",";
  }
  Serial.println(data); // 格式如 "1,0,0"
  delay(50);
}
Enter fullscreen mode Exit fullscreen mode

💡 進階技巧：多感測器融合

單一感測器難免有盲點——PIR 會被熱源（暖氣、寵物）干擾，紅外線測距在強光下可能失準。

厲害的設計會這樣做：

  1. PIR + 紅外線測距雙重確認
    只有當兩種感測器都偵測到物體，才判定為「有人」。大幅降低誤觸機率。

  2. 時間窗口過濾
    設定一個時間窗口（例如 200ms），只有在這段時間內連續偵測到訊號，才視為有效。這樣可以過濾短暫的干擾。

  3. 數值平滑化
    紅外線測距的原始數值會有跳動，用移動平均法可以讓數據更穩定：

   const int SMOOTH = 10;
   int readings[SMOOTH];
   int index = 0;
   int total = 0;

   int smoothRead(int pin) {
     total -= readings[index];
     readings[index] = analogRead(pin);
     total += readings[index];
     index = (index + 1) % SMOOTH;
     return total / SMOOTH;
   }
Enter fullscreen mode Exit fullscreen mode

🛒 感測器推薦清單（Amazon / 蝦皮熱賣款）

感測器型號 類型 價格區間 適合場景 推薦指數
HC-SR501 PIR 人體紅外線 $60–120 TWD 迎賓燈、門鈴、安防 ⭐⭐⭐⭐⭐
GP2Y0A21YK 紅外線測距（短距） $150–250 TWD 互動藝術、機器人 ⭐⭐⭐⭐
GP2Y0A02YK 紅外線測距（長距） $200–350 TWD 停車場、門禁 ⭐⭐⭐⭐
VL53L0X 雷射測距（ToF） $300–500 TWD 高精度需求場景 ⭐⭐⭐⭐⭐
RCWL-0516 微波雷達感測 $80–150 TWD 穿透非金屬材質偵測 ⭐⭐⭐⭐

💡 小編推薦：如果你剛開始玩，HC-SR501 + GP2Y0A21YK 這個組合幾乎能應付 80% 的互動專案需求，兩顆加起來不用 $300 超划算！

⚠️ 常見問題 Q&A

Q：PIR 感測器一直誤觸發怎麼辦？
A：檢查環境中是否有熱源（暖氣、電腦主機、陽光直射窗）。另外確認靈敏度與延遲時間旋鈕是否調整到適當位置。

Q：紅外線測距在戶外不準？
A：陽光中含有大量紅外線，會干擾測距結果。戶外建議改用 VL53L0X 雷射 ToF 感測器，不受光線影響。

Q：可以同時用很多顆紅外線測距感測器嗎？
A：可以，但要注意供電與干擾。建議每顆感測器獨立供電（不要串聯取電），且訊號線分開接不同的類比輸入腳位。

Q：Arduino 的類比輸入不夠用怎麼辦？
A：使用 I2C 多工器（如 TCA9548A）或改用 Arduino Mega 獲得更多腳位。

🚀 下一步：加入 IoT 連線能力

現在你已經會用感測器「看到」人了，接下來可以加入網路模組，讓你的裝置會「說話」：

  • ESP8266 / ESP32：支援 Wi-Fi，可以用 MQTT 協定發送資料到 Home Assistant 或自建 IoT 平台
  • HC-05 藍牙模組：近距離連接手機，用 App 控制燈光或接收通知
  • nRF24L01：長距離（室內可達 100m）無線傳輸，適合大型安裝

結合 IoT 之後，你的互動裝置就能做到：LINE 通知、資料上雲、手機遙控、甚至語音助理整合—— DIY 智慧家庭的門檻，真的比你想的還低！

總結

人體感測器是互動裝置的「感官」——沒有它，你的 Arduino 就是個盲啞的機器人。學會紅外線測距與 PIR 感測器的原理與應用，你就能做出：

  • ✅ 智能迎賓系統
  • ✅ 互動式燈光藝術
  • ✅ 停車場自動化管理
  • ✅ 展覽互動投影
  • ✅ 智慧家居感應設備

重點是先從一個小專案開始——做出來了，你對這些技術的理解才會真正深刻。別等靈感，現在就去淘一顆 HC-SR501 來玩吧！

本文章由內容工作室編寫，合作提案歡迎來信。文中提及之商品連結為聯盟行銷連結，透過購買可能獲得少量佣金，感謝您的支持！

Top comments (0)