ใช้ Wi-Fi เป็นเซนเซอร์ จับการเคลื่อนไหว ด้วย CSI บน ESP32

Wi-Fi ไม่ได้มีไว้แค่ส่งข้อมูล ทุกแพ็กเก็ตที่ ESP32 รับ ชิปรู้ด้วยว่าคลื่นเดินทางมาแล้วอ่อนลงและเฟสเลื่อนไปเท่าไรในแต่ละความถี่ย่อย ข้อมูลชุดนี้เรียกว่า Channel State Information (CSI) เมื่อมีคนเดินในห้อง ร่างกายสะท้อนและดูดซับคลื่น ค่า CSI จึงแกว่ง เราใช้การแกว่งนี้เป็นเซนเซอร์จับการเคลื่อนไหวได้โดยไม่ต้องมีกล้องหรือ PIR

บทนี้เป็นระดับขั้นสูง ใช้ ESP-IDF (ไม่ใช่ Arduino) และคอมโพเนนต์ของ Espressif สองตัว คือ esp-radar กับ esp_wifi_sensing ทั้งหมดใช้ไฟจาก USB 5 V เท่านั้น ถ้ากำลังเลือกชิป Espressif จัดอันดับคุณภาพ CSI ให้ ESP32-C5 ดีที่สุดในตระกูล

CSI ต่างจาก RSSI ยังไง

	RSSI	CSI
คืออะไร	ความแรงสัญญาณรวม 1 ค่า	แอมพลิจูดและเฟส แยกทีละ subcarrier
ต่อแพ็กเก็ต (20 MHz, LLTF)	1 ตัวเลข	64 subcarrier = 128 ไบต์
ไวต่อการขยับ	น้อย	มาก
ใช้ทำอะไรได้	ดูว่าใกล้ไกลคร่าว ๆ	จับการเคลื่อนไหว การมีคนอยู่

เอกสาร ESP-IDF บอกว่าแต่ละ subcarrier เก็บเป็น 2 ไบต์แบบมีเครื่องหมาย ไบต์แรกเป็นส่วนจินตภาพ ไบต์ที่สองเป็นส่วนจริง สำหรับช่อง 20 MHz แบบ non-HT ส่วน LLTF มี subcarrier ลำดับ 031 และ -32-1 รวม 128 ไบต์ ถ้าแพ็กเก็ตเป็น HT (802.11n) จะมี HT-LTF เพิ่มอีกชุด รวม 256 ไบต์

ตัวอย่าง: CSI มากแค่ไหนต่อวินาที

CSI จะมาเฉพาะตอนมีแพ็กเก็ตเข้ามา จึงต้องสร้างทราฟฟิกเอง วิธีง่ายสุดคือให้ ESP32 ping เราเตอร์ถี่ ๆ แล้วอ่าน CSI จากแพ็กเก็ตตอบกลับ ตัวอย่าง console_test ใน esp-csi ตั้งค่า ping ทุก 10 ms เป็นค่าเริ่มต้น

1. ping ทุก 10 ms = 1,000 ÷ 10 = 100 ครั้งต่อวินาที
2. แพ็กเก็ตตอบกลับแบบ non-HT ได้ CSI 128 ไบต์: 100 × 128 = 12,800 ไบต์ต่อวินาที
3. ถ้าเป็น HT ได้ 256 ไบต์: 100 × 256 = 25,600 ไบต์ต่อวินาที
4. ในหนึ่งวินาทีมีค่าเชิงซ้อน 100 × 64 = 6,400 ค่าให้ประมวลผล (เฉพาะ LLTF)

ตัวเลขนี้ ESP32 รับไหว แต่ห้ามทำงานหนักใน callback เอกสารเตือนว่า callback ของ CSI รันใน Wi-Fi task ให้ส่งข้อมูลเข้า queue แล้วไปคำนวณใน task ที่ priority ต่ำกว่า ถ้าใช้ esp-radar มันจัดการส่วนนี้ให้

สามวิธีวางอุปกรณ์

จาก README ของ esp-csi

วิธี	อุปกรณ์	ข้อดี	ข้อเสีย
Router CSI	ESP32 1 ตัว + เราเตอร์	ง่ายสุด	ผลขึ้นกับตำแหน่งเราเตอร์และโปรโตคอลที่เราเตอร์ใช้
ESP32 คุยกันเอง	ESP32 หลายตัว	พึ่งตำแหน่งเราเตอร์น้อยลง	ยังขึ้นกับเราเตอร์และสิ่งแวดล้อม
ตัวส่งเฉพาะ	ตัวส่ง broadcast + ESP32 รับหลายตัว	แม่นและนิ่งสุดในสามแบบ	ต้องมีอุปกรณ์เพิ่ม

สำหรับของเล่นชิ้นแรก เริ่มจาก Router CSI พื้นที่ที่จับได้คือช่องว่างระหว่างบอร์ดกับเราเตอร์ วางให้ทางเดินที่อยากจับอยู่ตรงกลางระหว่างสองจุด README ยังบอกว่าเสาอากาศภายนอกแบบ IPEX ให้ผลดีกว่าเสาบนแผ่น PCB ที่มีทิศทาง

esp-radar กับ esp_wifi_sensing ทำงานยังไง

• esp-radar รับ CSI แล้วคำนวณค่าคุณลักษณะสองตัว waveform_jitter ใช้ดูการเคลื่อนไหว และ waveform_wander ใช้ดูว่ามีคนอยู่
• esp_wifi_sensing อยู่ชั้นบน รับค่าจาก esp-radar แล้วทำเป็น state machine สามสถานะ INACTIVE, DEBOUNCE, ACTIVE มี debounce เส้นฐานที่ปรับตามสภาพแวดล้อม callback เมื่อเปลี่ยนสถานะ และสั่ง ping เราเตอร์ให้เอง

ค่าที่ปรับได้ต่อช่อง: sensitivity ช่วง (0, 1] ยิ่งมากยิ่งไว (เปลี่ยนแล้วระบบจะเรียนเส้นฐานใหม่) presence_sensitivity ช่วง [0, 1] และ active_filter_ms เวลาค้างสถานะ ACTIVE ขั้นต่ำ ช่วยไม่ให้ไฟกะพริบถี่

ลองจากตัวอย่างของ Espressif

ต้องมี ESP-IDF 5.4 ขึ้นไป รันบนคอมที่ติดตั้ง ESP-IDF แล้ว

idf.py create-project-from-example "espressif/esp-radar=*:console_test"
cd console_test
idf.py set-target esp32c5
idf.py flash monitor

ถ้าใช้ชิปอื่น เปลี่ยน esp32c5 เป็นรุ่นของบอร์ด ตัวอย่างนี้เปิด CSI ไว้ใน sdkconfig.defaults แล้ว ถ้าเขียนโปรเจกต์เอง ต้องเปิดใน idf.py menuconfig ที่ Components config > Wi-Fi > Wi-Fi CSI (Channel State Information)

ตัวอย่าง wifi_sensing_demo ใน esp-csi ไปไกลกว่านั้น ต่อ Wi-Fi แล้วเริ่ม state machine ไฟ LED ติดเต็มเมื่อสถานะเป็น ACTIVE และหรี่ลงเมื่อกลับเป็น INACTIVE มีหน้าเว็บ Web Serial ให้ดูกราฟและปรับค่าจากเบราว์เซอร์ตระกูล Chromium

เทรนให้รู้จักห้องว่าง

ลำดับตามเอกสาร esp_wifi_sensing

1. สร้าง FSM และเพิ่มช่อง (เช่นช่องของเราเตอร์)
2. ให้ทุกคนออกจากห้อง ปิดพัดลมที่ส่าย แล้วเรียก esp_wifi_sensing_fsm_train_start()
3. รอเก็บตัวอย่างพื้นหลัง แล้วเรียก esp_wifi_sensing_fsm_train_stop() จะได้ threshold ของ wander และ jitter ในช่วง 0 ถึง 1 ค่ายิ่งน้อยแปลว่าห้องยิ่งนิ่ง
4. เริ่มตรวจจับด้วยคำสั่ง start

เทรนตอนห้องว่างและนิ่งจริง ถ้ามีคนนั่งอยู่ตอนเทรน ระบบจะเรียนว่าคนนั้นคือ “ห้องว่าง”

ความเป็นส่วนตัว

CSI ไม่ถ่ายภาพ แต่ยังเป็นการรู้ว่ามีคนอยู่และขยับเมื่อไร esp-csi ยังพูดถึงการใช้ CSI รับรู้การกระทำเล็ก ๆ อย่างการหายใจด้วย จึงควรปฏิบัติแบบเดียวกับกล้อง

• บอกทุกคนในบ้านว่ามีเซนเซอร์นี้ และจับห้องไหน
• ไม่วางให้จับพื้นที่ของเพื่อนบ้านหรือห้องเช่าของคนอื่น
• เก็บผลไว้ในเครื่องหรือในเครือข่ายบ้าน ถ้าส่งขึ้นคลาวด์ ส่งเฉพาะสถานะ ไม่ต้องส่ง CSI ดิบ
• เปิดปิดได้ง่าย เช่นมีสวิตช์หรือไฟบอกสถานะที่มองเห็น

ข้อผิดพลาดที่เจอบ่อย

• ไม่มีทราฟฟิก บอร์ดต่อ Wi-Fi แล้วแต่ไม่มี CSI เข้า เพราะไม่มีแพ็กเก็ต ต้อง ping เราเตอร์หรือมีตัวส่ง
• ทำงานหนักใน CSI callback ทำให้ Wi-Fi สะดุด ส่งเข้า queue แล้วประมวลผลที่อื่น
• ลืมเปิด Wi-Fi CSI ใน menuconfig ตอนเขียนโปรเจกต์เอง (ตัวอย่างของ Espressif เปิดไว้ให้แล้ว)
• เทรนตอนมีคนอยู่ หรือพัดลมส่าย ได้ threshold ที่ผิด
• ย้ายบอร์ดหรือเราเตอร์แล้วไม่เทรนใหม่ สภาพคลื่นเปลี่ยน ผลเพี้ยน
• ทดสอบตอนคนอื่นเดินไปมา README ของ esp-csi แนะนำให้ทดสอบในที่ที่ไม่มีคนอื่นเคลื่อนไหว

เซนเซอร์ CSI ดีเท่ากับการเทรนของมัน ทุกครั้งที่ห้องเปลี่ยน ให้เทรนใหม่ก่อนสงสัยโค้ด

แหล่งข้อมูล

• esp-radar 0.3.4 — Espressif Component Registry
• esp_wifi_sensing 0.1.1~3 — Espressif Component Registry
• ESP-CSI — Espressif (GitHub)
• Wi-Fi Channel State Information — ESP-IDF Programming Guide
• Introduction to ESP-CSI Solution — Espressif ESP-Techpedia