FireString，基于 RP2040 的开源 LED 壁炉火焰模拟器。依靠热扩散物理算法驱动 NeoPixel 灯带，还原真实火焰跳动与热量传递效果。支持浏览器网页实时调参，硬件工程完全开源，可自行复刻制作氛围感火焰灯带装置。

一、核心工作原理

火焰效果由三套物理模型叠加，再辅以燃料系统完善燃烧行为：

1. 黑体辐射色彩映射

   将灯带每一颗 LED 像素视作发热单元，像素内部维护温度变量。温度数值直接映射黑体辐射色谱：低温显示暗红色，温度升高过渡为橙、黄，高温状态呈现亮白色，还原真实火焰的色彩变化规律。

2. 热量衰减

   每一帧画面，所有像素都会按比例损耗自身热量。热量逐步流失，对应火焰从高亮慢慢变暗熄灭，模拟燃料耗尽自然冷却的过程。

3. 热扩散传递

   像素会根据和相邻像素之间的温度差，向周边传递热量。高温区域把热量传递给邻近低温像素，实现火焰沿着灯带蔓延、窜动的效果，这也是火焰看起来 “流动” 的关键。

4. 燃料系统增强行为

   在物理模型之上增加燃料逻辑，实现亮度渐变。冷像素热量消散速度慢，热像素热量散失速度快；模拟现实中木柴燃烧，新火苗缓慢蓄能，高温火焰快速消耗能量，规避单调的循环动画，火焰动态更加接近真实壁炉。

整个算法全部使用整数运算完成，避免浮点运算，保障 RP2040 微控制器运行流畅。

二、固件软件部分

• 运行环境：CircuitPython，运行于 RP2040 微控制器，使用 vtzero 编译优化，全部整数数学运算保障实时性能。

• Web Serial API 网页配置器：无需修改代码、无需重新烧录固件。电脑浏览器通过串口直连设备，可视化实时调整火焰各项仿真参数，同时支持保存、调用多组效果预设。

• 软件代码存放于仓库software目录，开源协议为 MIT，允许自由修改、商用、二次分发。

三、可调整参数示例

• 基础温度、热量扩散系数

• 热量衰减速率

• 燃料燃烧速率、火焰爆发强度

• 色彩映射区间，可自定义火焰色调

四、硬件设计

• 主控芯片：RP2040

• PCB 规格：2 层定制电路板，USB‑C 接口供电

• 工程工具：KiCad，原理图、PCB 布局源文件完整开源，存放于仓库hardware文件夹，可直接导出 Gerber 文件送工厂打板复刻。

• 外设输出：适配 WS2812B NeoPixel LED 灯带。

五、使用场景

1. 桌面氛围感灯光、壁炉装饰摆件

2. 创客 DIY 灯光艺术装置

3. 学习微控制器物理仿真算法、LED 灯光效果开发

4. 模型场景、舞台剧道具火焰模拟

六、项目特点总结

✅ 物理仿真而非随机噪点：依靠热扩散模型，火焰蔓延、明暗过渡自然，无机械重复动画

✅ 免刷写调参：Web 网页在线调试，随时切换火焰风格

✅ 完整开源交付：固件、原理图、PCB 全部公开，支持 DIY 复刻

✅ 性能优化：整数运算，资源开销低，RP2040 即可流畅运行

✅ 灵活二次开发：MIT 软件协议，可修改算法，移植到其他灯光项目

七、开源协议

FireString 采用双许可协议：

• 硬件文件（KiCad 原理图、PCB 布局文件）遵循 知识共享署名‑非商业性‑相同方式共享 4.0 国际许可协议（CC‑BY‑NC‑SA 4.0）。完整协议文本参见 hardware/LICENSE。

• 软件 / 固件文件遵循 MIT 许可证

八、项目地址

https://github.com/thip/firestring