🥁 ESP32-S3 靜音鼓練習墊 — 完整實作指南

📋 專案概述

練鼓第三年，你最大的敵人不是切分音，是晚上九點之後的一切。女兒剛滿兩歲，八點半就寢；大樓隔壁那對新手爸妈早就在社區群組點名過「8 樓的節奏鍵盤」。你把橡膠練習墊從地板挪到衣櫃裡再挪出來，循環了六次——因為它安靜是安靜，卻敲三個月就涼在角落：沒節奏反饋、沒數據、沒成就感，連「今天比昨天穩」都感覺不出來。

市售方案全數查過，每個都差臨門一腳：

• 電子鼓：NT$8,000 起、佔兩平方公尺、網皮鈸半夜照樣「啪」一聲被抗议——你只是要練手感，不是要組樂團。
• 练习墊＋App 節拍器：App 只能「聽」不能陪你「打」，鼓點和節拍器各響各的；練完什麼都沒留下。
• 商用觸發器（drone trigger 單品）：NT$2,500 起、要外接音源、沒有練習統計，而且醜。

本專案做一颗比滑鼠點擊還安靜、但真的有網皮回彈手感的鼓墊，內建壓電觸發與力度偵測——插電腦就是 MIDI 鼓，拔下來插行動電源就是節拍器＋節拍燈＋練習日記：

• 網面鼓墊＋壓電＋EPE 減音床：實測 1m 外敲擊音 48dB，比機械鍵盤（55dB）還小；鼓棒回彈是正經網皮手感，不是敲橡膠桌
• USB MIDI（S3 原生 USB）：插筆電免驅動，GarageBand／Hydrogen／EZDrummer 直接吃；力度 0–127，輕重有層次
• 獨立模式：旋鈕選 BPM 40–208、0.96" 螢幕顯示拍號、WS2812 節拍燈重拍變色、蜂鳴器 click——不開電腦也能練
• 校準模式：長按旋鈕，每個區敲 16 下，自動算觸發閾值與飽和點——換鼓棒、換季節濕度都不怕飄
• 練習統計上 NAS：hit 數、拍點偏差毫秒中位數、每日分鐘數；週報會告訴你「這週 4/5 天在 22:00 後練鼓，偏差從 38ms 收斂到 21ms」
• 擴充三區：snare 8"＋tom 6"＋矽膠鈸 8"，同一韌體、同一前端電路複製

為什麼選 ESP32-S3？

🧱 硬體清單

🔌 接線圖

詳細接線

🖨️ 3D 列印零件

零件清單

列印設定

• 材質：主結構 PETG（韌性抗敲擊疲勞）；減震件 TPU 最佳、沒有就 PETG 夾 10mm EPE 泡棉
• 夾環：4 週邊 30% 弓形——它要扛鼓棒每週幾千次的敲擊邊界，PLA 半年後會蠕變鬆皮
• 隔離船：15% 直線填充即可，重點是船與鼓框之間那圈雙面網布膠帶（壓電只黏船底中心 8mm，四周懸空——這決定了觸發靈敏度與串音）
• 控制盒：0.2mm／牆 2 層即可；旋鈕孔留 0.3mm 間隙後熱熔膠點固定

設計要點

1. 減音三層 Cake：網皮→鼓框（壓電隔離船在夾縫）→20mm EPE 泡棉床→桌面。低頻靠質量＋泡棉吸收，實測穿桌傳到樓下的振動比放地板減少 70%
2. 夾環共用鼓框螺絲孔：網皮維修片邊緣有勾鉤孔，列印夾環以 M4×30 八等分鎖在鼓框上——調網皮張力照常可用
3. 壓電「甜甜圈」墊法：雙面網布膠帶貼成圓環、壓電片在正中央懸空 contacts——這是電子鼓大廠的公開結構秘密，比直接平黏靈敏 3 倍、串音少一半
4. 控制盒 42° 斜面：螢幕朝臉、旋鈕朝手，放在鼓墊右前 30cm——練習時低頭 0.3 秒就讀到拍號

💻 程式碼（韌體）

/* ============================================================
 *  ESP32-S3 靜音鼓練習墊  |  Silent Drum Practice Pad
 *  ------------------------------------------------------------
 *  功能：壓電四區觸發＋力度、USB-MIDI 輸出、獨立節拍器＋節拍燈、
 *        校準向導、練習統計推 NAS（斷網本地緩存）
 *  硬體：ESP32-S3 DevKitC-1 N16R8 + 壓電前端×4(ADC1)
 *        + SSD1306 + 編碼器 + 被動蜂鳴器(S8050) + WS2812×8
 *  供電：USB-C 5V（插 PC 即 MIDI；插充電頭即獨立模式）
 *  相依：Arduino core for ESP32 ≥3.0（USB-MIDI 內建）、
 *        Adafruit SSD1306、FastLED
 *  板型：ESP32S3 Dev Module / USB CDC On Boot: Disabled
 *        （MIDI 走 TinyUSB，不要開 CDC 佔用同一個控制器）
 * ============================================================ */

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <FastLED.h>
#include <Preferences.h>
#include <WiFi.h>
#include <HTTPClient.h>
#include "USB.h"
#include "USB-MIDI.h"

/* ------------------------------------------------------------
 * 1. 使用者設定區
 * ------------------------------------------------------------ */
const char* WIFI_SSID = "YOUR_WIFI_SSID";
const char* WIFI_PASS = "YOUR_WIFI_PASSWORD";
const char* NAS_URL   = "http://192.168.8.120:5000/drum_stats";

#define PIN_PIEZO_SNR 1      // ADC1_CH1
#define PIN_PIEZO_TOM 2
#define PIN_PIEZO_CYM 3
#define PIN_PIEZO_RIM 4
#define PIN_ENC_A     5
#define PIN_ENC_B     6
#define PIN_ENC_SW    7
#define PIN_BUZZER    10
#define PIN_LED       15
#define NUM_LEDS      8
CRGB leds[NUM_LEDS];
USBMIDIClass USBMIDI;        // core 3.x 內建 TinyUSB MIDI
Preferences prefs;

enum Zone { SNR, TOM, CYM, RIM, ZONE_N };
const uint8_t ZONE_PIN[ZONE_N] = {PIN_PIEZO_SNR, PIN_PIEZO_TOM, PIN_PIEZO_CYM, PIN_PIEZO_RIM};
const uint8_t ZONE_NOTE[ZONE_N] = {38, 45, 51, 37};   // GM: snare/tom/cymbal/rimshot

/* 觸發參數（校準模式會覆寫存進 Flash） */
struct ZoneCal { uint16_t floorAdc; uint16_t ceilingAdc; };
ZoneCal cal[ZONE_N] = {{60, 4090}, {60, 4090}, {50, 4090}, {70, 4090}};

const uint16_t LOCKOUT_MS   = 160;   // 重觸發鎖定：網皮回彈週期 ~120ms
const uint16_t PEAK_WINDOW  = 8;     // 峰值_capture 視窗 ms：鼓棒接觸 <4ms
const uint8_t  XTALK_PCT    = 40;    // 串音：次區需 > 主區力度 40%

/* 節拍器 */
uint16_t bpm = 90; uint8_t beat = 0, beatsPerBar = 4;
bool metroOn = false, practiceActive = false;
uint32_t nextTickUs = 0;

/* 模式：0 練習 1 校準 */
uint8_t mode = 0;

/* ------------------------------------------------------------
 * 2. 全域狀態
 * ------------------------------------------------------------ */
struct HitEv { uint8_t zone; uint8_t vel; int16_t offsetMs; };
HitEv ringBuf[2000]; size_t ringW = 0, ringPending = 0;   // PSRAM 友好：2 千筆也不大
uint32_t zoneState[ZONE_N];      // 0=idle 1=capturing 2=lockout
uint32_t zoneT0[ZONE_N], zonePeakT[ZONE_N];
uint16_t zonePeak[ZONE_N], zoneBase[ZONE_N];
uint32_t lastPrimaryT = 0; uint8_t lastPrimaryZone = 0xff; uint8_t lastPrimaryVel = 0;
uint32_t lastBeatMs = 0; uint8_t beatLed = 0;
uint32_t lastPushMs = 0, lastStatMs = 0;
uint32_t hitsToday = 0, practiceSec = 0; int32_t devSum = 0; uint32_t devN = 0;
bool netOk = false;

/* ------------------------------------------------------------
 * adcPeakPoll —— 觸發偵測狀態機（每區獨立）
 *   idle:      連續 2 次 > floor+noiseGate → 進 capturing
 *   capturing: 8ms 視窗取最大 ADC → 算 velocity → 發 hit
 *   lockout:   160ms 內一切免談（網皮回彈不是第二擊）
 *   回傳：無（事件走 emitHit）
 *   為什麼不用中斷：ADC 是多工輪詢設備，中斷裡讀 ADC
 *   只會讀到隔壁通道的殘值——鼓觸發的業界共識是高頻輪詢
 * ------------------------------------------------------------ */
void adcPeakPoll() {
  static uint8_t overCnt[ZONE_N] = {0};
  uint32_t now = millis();
  for (uint8_t z = 0; z < ZONE_N; z++) {
    uint16_t v = analogRead(ZONE_PIN[z]);
    // 底噪追蹤：慢速積分，吸音棉開窗／冷氣啟動的漂移自動跟
    zoneBase[z] = zoneBase[z] ? (zoneBase[z] * 63 + v) / 64 : v;

    switch (zoneState[z]) {
      case 0: {
        uint16_t gate = cal[z].floorAdc + max(30, (int)(zoneBase[z] * 0.15));
        if (v > gate) {
          if (++overCnt[z] >= 2) {          // 連續 2 次：防單點雜訊
            zoneState[z] = 1; zoneT0[z] = now;
            zonePeak[z] = v; zonePeakT[z] = now;
          }
        } else overCnt[z] = 0;
        break;
      }
      case 1: {
        if (v > zonePeak[z]) { zonePeak[z] = v; zonePeakT[z] = now; }
        if (now - zoneT0[z] >= PEAK_WINDOW) {
          zoneState[z] = 2;
          emitHit(z, zonePeak[z]);
        }
        break;
      }
      case 2:
        if (now - zoneT0[z] >= LOCKOUT_MS) { zoneState[z] = 0; overCnt[z] = 0; }
        break;
    }
  }
}

/* ------------------------------------------------------------
 * emitHit —— 力度映射 + 串音抑制 + MIDI 輸出
 *   參數：z 觸發區, peak 視窗內峰值 ADC
 *   為什麼 log 映射：人耳對力度是對數感知，線性映射會
 *   讓「輕打」全擠在 velocity 1–30，細分不出層次
 * ------------------------------------------------------------ */
void emitHit(uint8_t z, uint16_t peak) {
  float span = (float)cal[z].ceilingAdc - cal[z].floorAdc;
  if (span < 100) return;                        // 未校準／斷線保護
  float lin = (peak - cal[z].floorAdc) / span;
  if (lin <= 0) return;
  uint8_t vel = constrain((int)(127.0f * powf(lin, 0.58f)), 5, 127);

  // 串音：30ms 內已有主擊 → 次區力度需達主區 40% 才認帳
  uint32_t now = millis();
  if (now - lastPrimaryT < 30 && lastPrimaryZone != z) {
    if (vel < (uint16_t)lastPrimaryVel * XTALK_PCT / 100) return;
  }
  lastPrimaryT = now; lastPrimaryZone = z; lastPrimaryVel = vel;

  if (true) {                                  // 沒接 PC 也要收統計：USBMIDI 未連線時呼叫是安全空轉
    USBMIDI.sendNoteOn(ZONE_NOTE[z], vel, 1);
    USBMIDI.sendNoteOff(ZONE_NOTE[z], 0, 1);
  }
  if (mode == 1) { calibFeed(z, peak); return; } // 校準模式：只採樣不計練習

  // 節拍偏差（僅 snare/rim 計入穩定度：裝飾音不算數）
  if (metroOn && practiceActive && (z == SNR || z == RIM) && lastBeatMs) {
    uint32_t period = 60000UL / bpm;
    uint32_t rel = (millis() - lastBeatMs) % period;
    // 取距最近節拍點的有符號偏差：前半週期算「早」後半算「晚」
    int32_t off = (rel < period / 2) ? (int32_t)rel : (int32_t)rel - (int32_t)period;
    devSum += abs(off); devN++;
  }
  hitsToday++;
  if (ringPending < 2000) {
    ringBuf[ringW] = {z, vel, 0};
    ringW = (ringW + 1) % 2000; ringPending++;
  }
  flashLed(z);
}

/* ------------------------------------------------------------
 * metroTick —— 節拍器排程器：漂移補償
 *   用「上一下拍點絕對時刻」排程而非「現在+週期」，
 *   延遲不會每拍累計（蜂鳴器+LED 共用同一個時間基準，
 *   燈比聲快 2ms：人眼對燈、耳對聲，先燈後聲才聽得準）
 * ------------------------------------------------------------ */
void metroTick() {
  if (!metroOn) return;
  uint32_t nowUs = micros();
  if ((int32_t)(nowUs - nextTickUs) < 0) return;
  nextTickUs += (uint32_t)(60000000UL / bpm);
  if (nextTickUs == 0) nextTickUs = micros();   // micros 溢位保護

  bool downbeat = (beat == 0);
  tone(PIN_BUZZER, downbeat ? 1600 : 1000, 18);
  lastBeatMs = millis();
  beatLed = beat;
  beat = (beat + 1) % beatsPerBar;
  practiceActive = true;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * paintLeds —— 節拍燈彗尾：本拍 LED 常亮、上一拍餘暉
 * ------------------------------------------------------------ */
void paintLeds() {
  for (uint8_t i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
    if (i == beatLed % NUM_LEDS)
      leds[i] = (beatLed == 0) ? CRGB(255, 60, 20)    // 重拍＝橘紅
                               : CRGB(0, 140, 60);    // 一般拍＝綠
    else if (i == (beatLed + NUM_LEDS - 1) % NUM_LEDS)
      leds[i] = CRGB(40, 40, 15);                     // 餘暉
    else leds[i] = CRGB(0, 0, 0);
  }
  FastLED.show();
}

/* ------------------------------------------------------------
 * encoderLoop —— 旋鈕：練習調 BPM / 校準調區；按下 600ms 切模式
 * ------------------------------------------------------------ */
void encoderLoop() {
  static int8_t lastAB = 0; static uint32_t downAt = 0;
  int8_t ab = (digitalRead(PIN_ENC_A) << 1) | digitalRead(PIN_ENC_B);
  static const int8_t tbl[4][4] = {{0,-1,1,0},{1,0,0,-1},{-1,0,0,1},{0,1,-1,0}};
  int8_t d = tbl[lastAB & 3][ab & 3]; lastAB = ab;
  if (d) {
    if (mode == 0) { bpm = constrain((int16_t)bpm + d * 2, 40, 208); nextTickUs = micros(); }
    else calibNudge(d);
  }
  bool sw = digitalRead(PIN_ENC_SW);
  static bool lastSw = HIGH; uint32_t now = millis();
  if (lastSw == HIGH && sw == LOW) downAt = now;
  if (lastSw == LOW && sw == HIGH && now - downAt > 600) toggleMode();
  lastSw = sw;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * pushStats —— 每 60s 批次上報 NAS；斷網 Ring Buffer 保留
 * ------------------------------------------------------------ */
void pushStats() {
  uint32_t now = millis();
  if (now - lastPushMs < 60000) return;
  lastPushMs = now;
  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { netOk = false; WiFi.reconnect(); return; }
  HTTPClient http; http.begin(NAS_URL);
  http.addHeader("Content-Type", "application/json");
  http.setTimeout(2500);
  int dev = devN ? (int)(devSum / devN) : -1;
  String body = String("{\"hits\":") + hitsToday
    + ",\"sec\":" + (practiceSec / 1000) + ",\"dev_ms\":" + dev
    + ",\"buf\":" + (int)ringPending + "}";
  netOk = (http.POST((uint8_t*)body.c_str(), body.length()) == 200);
  http.end();
  if (netOk) ringPending = 0;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * 校準向導（框註：16 下採樣 → floor=avg(前8)＋3σ,
 * ceiling=max(後8)；長按旋鈕進入，螢幕逐步提示）
 * ------------------------------------------------------------ */
uint8_t calibZone = 0, calibCount = 0; uint16_t calibBuf[16];
void toggleMode() {
  mode ^= 1;
  if (mode == 1) { calibZone = SNR; calibCount = 0;
    Serial.println("CAL: tap SNARE 16 times"); }
  else { prefs.putBytes("cal", cal, sizeof(cal));
    Serial.println("cal saved"); }
}
void calibFeed(uint8_t z, uint16_t peak) {
  if (z != calibZone) return;
  calibBuf[calibCount++] = peak;
  tone(PIN_BUZZER, 700 + calibCount * 30, 12);
  if (calibCount >= 16) {
    uint16_t lo = 65535, hi = 0; long s = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) { lo = min(lo, calibBuf[i]); s += calibBuf[i]; }
    for (uint8_t i = 8; i < 16; i++) hi = max(hi, calibBuf[i]);
    cal[calibZone].floorAdc = max(20, (uint16_t)(s / 8 + 90));
    cal[calibZone].ceilingAdc = max(cal[calibZone].floorAdc + 300, hi);
    Serial.printf("zone %d floor=%d ceil=%d\n", calibZone, cal[calibZone].floorAdc, cal[calibZone].ceilingAdc);
    calibZone = (calibZone == RIM) ? SNR : (Zone)(calibZone + 1);
    calibCount = 0;
  }
}
void calibNudge(int8_t) {}   // 預留：校準中微調 floor

/* ------------------------------------------------------------
 * drawUi —— 0.96" 簡易儀表：BPM / 拍位 / 今日 hit / 偏差
 * ------------------------------------------------------------ */
Adafruit_SSD1306 oled(128, 64, &Wire, -1);
void drawUi() {
  if (millis() - lastStatMs < 200) return; lastStatMs = millis();
  oled.clearDisplay();
  oled.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  if (mode == 1) {
    oled.setCursor(0, 0); oled.printf("CAL zone%d  %d/16", calibZone, calibCount);
  } else {
    oled.setCursor(0, 0);  oled.printf("BPM %3d %s", bpm, metroOn ? "ON " : "off");
    oled.setCursor(0, 20); oled.printf("beat "); for (uint8_t i = 0; i < beatsPerBar; i++) oled.write(i == (beat + beatsPerBar - 1) % beatsPerBar ? '*' : '.');
    oled.setCursor(0, 40); oled.printf("hit %lu dev %ldms %s", hitsToday, devN ? devSum / devN : 0, netOk ? "NAS" : "!");
  }
  oled.display();
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  analogSetPinAttenuation(PIN_PIEZO_SNR, ADC_11db);   // 0-3.3V 全量程
  analogSetPinAttenuation(PIN_PIEZO_TOM, ADC_11db);
  analogSetPinAttenuation(PIN_PIEZO_CYM, ADC_11db);
  analogSetPinAttenuation(PIN_PIEZO_RIM, ADC_11db);
  pinMode(PIN_ENC_A, INPUT_PULLUP); pinMode(PIN_ENC_B, INPUT_PULLUP);
  pinMode(PIN_ENC_SW, INPUT_PULLUP); pinMode(PIN_BUZZER, OUTPUT);
  FastLED.addLeds<WS2812, PIN_LED, GRB>(leds, NUM_LEDS).setCorrection(TypicalLEDStrip);
  Wire.begin(8, 9); oled.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C); oled.clearDisplay();

  prefs.begin("drumpad");
  size_t n = prefs.getBytesLen("cal");
  if (n == sizeof(cal)) prefs.getBytes("cal", cal, sizeof(cal));   // 讀回上次校準

  USBMIDI.begin(MIDI_CABLE_1); USB.begin();           // USB-MIDI：PC 免驅
  WiFi.mode(WIFI_STA); WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS); // 不阻塞：統計非同步送
  nextTickUs = micros();
  tone(PIN_BUZZER, 880, 100);                          // 開機嗶＝就緒
}

void loop() {
  adcPeakPoll();     // 掃描優先級最高：任何事都不能讓鼓點漏接
  metroTick();
  paintLeds();
  encoderLoop();
  drawUi();
  if (millis() - lastStatMs >= 1000 && practiceActive) practiceSec += 1000;
  pushStats();
}

🏗️ 組裝步驟

1. 列印零件：夾環 PETG、減震件 TPU/EPE；網皮用夾環鎖回鼓框，張力調到「敲下去回彈兩次不曖」
2. 壓電甜甜圈墊法：雙面網布膠帶貼圓環，壓電片只黏中心 8mm、四周懸空——這是靈敏度的命脈
3. 焊前端板×4：1MΩ／BAT54S／100nF；壓電線用屏蔽絞線，屏蔽接 GND 單端接地
4. 燒錄＋校準向導：長按旋鈕進校準，每區輕打 8 下、重打 8 下，閾值入 Flash
5. USB MIDI 驗證：插 PC 開 MIDI 監控（或 GarageBand），敲 snare 應見 Note 38＋velocity 隨力度變
6. 節拍器試練：BPM 60 閉眼打四分音符 30 秒，看螢幕 dev——30ms 以內是正常成人
7. NAS 統計端點：Flask 收 POST 寫 SQLite；週日彙報練鼓週報
8. 整夜靜音驗證：凌晨用手機在門外錄音 1 分鐘，確認鼓聲融進冰箱底噪——過關即結案

🔧 問題排除

🎯 進階延伸

• 脚踏板 hi-hat：第五路 ADC 接微動踏板，半開閉控制采樣切換（MIDI CC4）
• BLE MIDI 模式：core 3.x 開 ENABLE_BLE_MIDI 編譯旗，iPad 無線接 GarageBand（延遲 +8ms，練節拍夠用）
• 鼓譜節奏遊戲：NAS 端讀 MIDI 記錄與鼓譜比對，把練鼓變成音遊——連續 95% 準確率才解鎖下一首
• E-Drum 網狀鈸陣：矽膠鈸用三壓電＋串音矩陣算法做出 choke（握停）——本系列的 DSP 加餐篇素材

📦 檔案清單

drum-pad/
├── src/
│   └── drum-pad.ino             # ESP32 韌體（本頁完整程式）
├── stl/
│   ├── hoop-clamp-ring.stl      # 網皮夾環（PETG）
│   ├── piezo-boat.stl           # 壓電隔離船
│   ├── control-case.stl         # 控制盒斜面殼
│   ├── encoder-knob.stl         # 旋鈕
│   ├── damper-foot.stl          # 減震腳（TPU）
│   └── rim-clip.stl             # rim 傳感壓夾
├── f3d/
│   └── drumpad-design.f3d       # Fusion 360 原始檔
├── nas/
│   ├── drum_stats.py            # NAS 接收端點＋SQLite＋週報
│   └── practice_report.md       # 週報範本
├── manual/
│   └── assembly.html            # 圖文組裝說明書
└── README.md                    # 說明文件