🍅 ESP32-C6 番茄鐘專注方塊 — 完整實作指南

📋 專案概述

我姊是接案設計師，去年她做了一個實驗：用手機 App 計番茄鐘兩週、用實體番茄鐘計時器兩週、完全不計時兩週，比較各時段產出。結果很諷刺——用 App 的那兩週產出最差。原因她一句話講完：「我每按一次開始，就要解鎖手機一次；解鎖手機，就是悲劇的開始。」

工時統計軟體更荒謬：月費 300 元、要裝監控插件、資料不知道傳去哪裡。實體計時器呢？查了一圈，「會倒數的方塊」兩款看得入眼的都要 1,400～2,200 元，功能是把沙漏翻過來——連剩餘時間都沒有，更別說統計。

這個專案做一個不用碰手機的番茄鐘方塊，成本不到 300 元：

• 翻面 = 開始／暫停：拿起來翻個面就開跑，全程零螢幕、零解鎖、零通知誘惑
• 敲兩下 = 重置：開會被打斷？敲兩下丟回 25:00
• 2.13 吋電子紙大數字：不背光、不閃爍，餘光掃到就知道剩幾分鐘；停著不動零刷新零耗電
• 時間到：蜂鳴器三聲 + 畫面顯示「DONE! 翻面重置」
• 底部統計列：今日完成番茄數 + 專注總分鐘，一天結算不用 App

電子紙 + 翻轉手勢的組合，讓「開始專注」這個動作壓到跟翻沙漏一樣簡單——工具越不像電腦，越不會誘惑你玩它。

為什麼選 ESP32-C6？

🧱 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：PLA 即可（桌面室內使用）
• 填滿：上段 20%（要有一點重量防翻倒）／其餘 15% 網格
• 層厚：0.2mm；電子紙框面 0.12mm + 4 頂層（展示面要漂亮）
• 特殊：上段「面朝上」列印，頂面零支撐，避免展示面留支撐痕

設計要點

1. 65 mm 立方體：邊長 65mm 是「一手可握可翻」的上限，再大翻面手感就拖泥帶水
2. IMU 鎖在幾何重心：托盤懸吊於上下段之間的十字肋上——偏心的 IMU 翻面時會產生「先小後大」的雙峰加速度，翻轉偵測誤差直接翻倍
3. 電子紙嵌框 + 0.3mm 間隙：面板卡進上段內框，正面只露出顯示區；框緣高出面板 0.5mm，桌面拖曳不刮面板
4. 底部蜂鳴器透音孔 6×Ø2mm：方塊翻面時頂面朝下，蜂鳴器孔要開在底部才不會被桌面悶住——這是「翻面計時中」還能被叫醒的關鍵
5. 四角 TPU 墊腳（選印）：敲兩下重置時防滑、減震，減少誤判

💻 程式碼

/* ============================================================
 *  ESP32-C6 番茄鐘專注方塊  |  Pomodoro Focus Cube
 *  ------------------------------------------------------------
 *  功能：翻面 = 開始/暫停、敲兩下 = 重置；2.13" 電子紙倒數，
 *        時間到蜂鳴三聲並顯示 DONE；底部統計今日番茄數與分鐘
 *  硬體：ESP32-C6 SuperMini + 2.13in SSD1680 e-paper
 *        + MPU6050(GY-521) + 有源蜂鳴器
 *  供電：USB-C 5V（電池版見文章「進階延伸」）
 *  相依：Arduino core for ESP32 ≥ 3.3、Adafruit GFX、
 *        Adafruit SSD16xx、Adafruit MPU6050、Adafruit Unified Sensor
 *  板型：Board: "ESP32C6 Dev Module"
 *  ============================================================ */

#include <Wire.h>
#include <SPI.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD16xx.h>
#include <Adafruit_MPU6050.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>

/* ------------------------------------------------------------
 * 1. 腳位與番茄鐘參數
 * ------------------------------------------------------------ */
#define EPD_CS    5
#define EPD_DC    4
#define EPD_RST   3
#define EPD_BUSY  2
#define EPD_SCK   6
#define EPD_MOSI  7
const int BUZZER_PIN = 1;

const uint32_t POMODORO_MS   = 25UL * 60UL * 1000UL;  // 一顆番茄 25 分鐘
const uint8_t  PARTIAL_EVERY_S = 10;   // 倒數每 10 秒部分刷新：電子紙部分刷新有殘影，
                                       // 但 1 秒一刷會閃且縮短面板壽命，10 秒是餘光可讀與壽命的平衡
const uint16_t FULL_EVERY_S    = 300;  // 每 5 分鐘一次全刷新清除累積殘影

/* 手勢偵測閾值（g） */
const float  FLIP_Z_MIN     = 0.65;   // 判定「翻面」：|az| 至少 0.65g（接近正翻 180°）
const float  FLIP_XY_MAX    = 0.45;   // 且 |ax|,|ay| 小：排除斜拿、走動、抖桌
const float  TAP_G          = 1.9;    // 敲擊瞬間合成加速度 > 1.9g（靜止 1g、輕敲 2~3g）
const uint16_t TAP_WINDOW_MS  = 450;  // 兩擊間隔上限：超過視為兩次獨立敲擊
const uint16_t GESTURE_LOCK_MS = 1500; // 手勢冷卻：一次翻面的振盪只算一件事

/* ------------------------------------------------------------
 * 2. 狀態機
 * ------------------------------------------------------------ */
enum State { ST_IDLE, ST_RUNNING, ST_PAUSED, ST_DONE };
State state = ST_IDLE;

uint32_t remainMs   = POMODORO_MS;  // 剩餘時間（暂停即凍結此值）
uint32_t lastTickMs = 0;            // 上次倒數基準（millis 差值，不用 delay 計時）
uint16_t donePomos  = 0;            // 今日完成顆數
uint16_t doneMins   = 0;            // 今日專注分鐘
float    stableAz   = 1.0;          // 上一穩定姿態的 Z 軸符號（1.0 = 電子紙朝上）
uint32_t lastGestureMs = 0;         // 手勢冷卻計時
uint32_t lastTapMs     = 0;         // 上一擊時間
uint16_t lastShownSec  = 0xFFFF;    // 上次畫到畫面的秒數（0xFFFF = 強制重畫）
bool     partialSinceFull = false;  // 自上次全刷新後是否做過部分刷新

Adafruit_SSD1680 epd(EPD_CS, EPD_DC, EPD_RST, EPD_BUSY, &SPI);
Adafruit_MPU6050 mpu;
sensors_event_t accel;

/* ------------------------------------------------------------
 * drawScreen —— 重繪整頁（大字倒數 + 狀態 + 今日統計）
 *   參數：full = true 全刷新（有黑閃，狀態切換時用）
 *               false 部分刷新（無閃，倒數中間更新用）
 *   為什麼自己排版：電子紙沒有「區域清除」概念，
 *   每次都要重畫整頁 buffer，函式必須冪等
 * ------------------------------------------------------------ */
void drawScreen(bool full) {
  epd.clearBuffer();

  // 主數字區：mm:ss，16pt 粗體置中
  uint32_t sec = (remainMs + 999) / 1000;
  char buf[8];
  snprintf(buf, sizeof(buf), "%02u:%02u", (unsigned)(sec / 60), (unsigned)(sec % 60));
  epd.setTextFont(&FreeSansBold16pt7b);
  epd.setCursor(78, 62);
  epd.print(buf);

  // 狀態列
  epd.setTextFont(&FreeSans9pt7b);
  epd.setCursor(8, 22);
  switch (state) {
    case ST_IDLE:     epd.print("READY  flip to start"); break;
    case ST_RUNNING:  epd.print("FOCUS"); break;
    case ST_PAUSED:   epd.print("PAUSED flip to resume"); break;
    case ST_DONE:     epd.print("DONE!  flip to reset"); break;
  }

  // 底部統計列
  epd.setCursor(8, 116);
  epd.print("Today: ");
  epd.print(donePomos);
  epd.print(" pomos / ");
  epd.print(doneMins);
  epd.print(" min");

  epd.displayBuffer(full ? HW_REFRESH_FULL : HW_REFRESH_PARTIAL);
  if (full) partialSinceFull = false; else partialSinceFull = true;
  lastShownSec = sec;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * beep —— 非阻塞以外的簡單蜂鳴（只在狀態切換呼叫，
 *   每次 <= 1.2 秒，不影響手勢輪詢的即時性）
 *   參數：n = 嗶數（200ms 響 / 150ms 停）
 * ------------------------------------------------------------ */
void beep(int n) {
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    digitalWrite(BUZZER_PIN, HIGH); delay(200);
    digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);  delay(150);
  }
}

/* ------------------------------------------------------------
 * handleGesture —— 從 IMU 讀值判斷翻面 / 雙敲
 *   翻面：az 符號翻轉且接近純 Z 軸（排除斜拿與走動）
 *   雙敲：兩次 >1.9g 脈衝、間隔 < 450ms
 *   回傳：1 = 翻面事件、2 = 雙敲事件、0 = 無
 *   為什麼 50ms 取樣：翻面持續 >300ms，50ms 足夠抓到平台期；
 *   敲擊脈衝 ~50ms，取樣再慢就會漏第二擊
 * ------------------------------------------------------------ */
int handleGesture(float ax, float ay, float az) {
  uint32_t now = millis();
  if (now - lastGestureMs < GESTURE_LOCK_MS) return 0;  // 冷卻期直接忽略

  // --- 雙敲偵測（先於翻面：敲擊時 az 通常不翻轉，不會互相搶事件） ---
  float gmag = sqrt(ax * ax + ay * ay + az * az);
  if (gmag > TAP_G) {
    if (lastTapMs && (now - lastTapMs) < TAP_WINDOW_MS) {
      lastTapMs = 0; lastGestureMs = now;
      return 2;
    }
    lastTapMs = now;
    return 0;
  }

  // --- 翻面偵測：姿態「穩定」在反面或正面才認列 ---
  bool flatZ = (fabs(az) > FLIP_Z_MIN) && (fabs(ax) < FLIP_XY_MAX) && (fabs(ay) < FLIP_XY_MAX);
  if (flatZ) {
    float azSign = (az > 0) ? 1.0 : -1.0;
    if (azSign != stableAz) {          // 與上一穩定姿態符號相反
      stableAz = azSign;
      lastGestureMs = now;
      return 1;
    }
  }
  return 0;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * onFlip —— 翻面事件的狀態轉移
 * ------------------------------------------------------------ */
void onFlip() {
  beep(1);
  switch (state) {
    case ST_IDLE:
      state = ST_RUNNING;
      lastTickMs = millis();
      break;
    case ST_RUNNING:
      state = ST_PAUSED;               // 暫停：remainMs 凍結在最後扣減值
      break;
    case ST_PAUSED:
      state = ST_RUNNING;
      lastTickMs = millis();           // 重設計時基準：暫停期間不扣時間
      break;
    case ST_DONE:
      state = ST_IDLE;                 // 完成頁翻面 → 重置下一顆
      remainMs = POMODORO_MS;
      break;
  }
  drawScreen(true);                    // 狀態切換一律全刷新（黑閃 = 明確回饋）
}

/* ------------------------------------------------------------
 * onDoubleTap —— 雙敲事件：任何狀態都丟回 25:00 待命
 * ------------------------------------------------------------ */
void onDoubleTap() {
  beep(2);
  state = ST_IDLE;
  remainMs = POMODORO_MS;
  drawScreen(true);
}

/* ------------------------------------------------------------
 * tickTimer —— 依 millis 差值扣時間
 *   用差值而非「每迴圈減 50ms」：IMU 讀取偶發延遲不會讓
 *   時鐘越走越慢（誤差只來自 millis() 本身，一天 < 1 秒）
 * ------------------------------------------------------------ */
void tickTimer() {
  if (state != ST_RUNNING) return;
  uint32_t now = millis();
  remainMs -= (now - lastTickMs);
  lastTickMs = now;

  if (remainMs <= 0) {
    remainMs = 0;
    state = ST_DONE;
    donePomos++;
    doneMins += POMODORO_MS / 60000UL;
    drawScreen(true);
    beep(3);                            // 三長音：人在隔壁房也分得出「完成 vs 暫停」
    return;
  }

  // 每 10 秒部分刷新；每 5 分鐘改全刷新清殘影
  uint32_t sec = (remainMs + 999) / 1000;
  bool needDraw = (sec % PARTIAL_EVERY_S == 0) && (sec != lastShownSec);
  bool forceFull = (sec % FULL_EVERY_S == 0) && partialSinceFull;
  if (needDraw) drawScreen(forceFull);
}

/* ------------------------------------------------------------
 * setup —— 開機：蜂鳴器 → 電子紙（含重啟保護）→ IMU → 首畫
 * ------------------------------------------------------------ */
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);

  SPI.begin(EPD_SCK, -1, EPD_MOSI, EPD_CS);   // SPI2 軟體腳位：SCK/MOSI/CS
  epd.begin(EPD_2IN13_V3);
  delay(100);                                  // 面板上電穩定（急會白屏）

  Wire.begin(8, 10);                           // SDA=GPIO8, SCL=GPIO10
  for (int i = 0; i < 5 && !mpu.begin(&Wire); i++) delay(200);
  // 逾時重試：GY-521 上電偶發 I2C busy，重試 5 次仍失敗時
  // mpu 保持未初始化，loop 讀值會被 getEvent 的 false 回傳擋掉
  mpu.setAccelerometerRange(MPU6050_RANGE_8_G); // 8g：敲擊峰值 2~3g，留足餘裕不削頂
  mpu.setFilterBandwidth(MPU6050_BAND_94_HZ);   // 94Hz 低通：濾掉桌面鍵盤震動高頻

  drawScreen(true);
}

/* ------------------------------------------------------------
 * loop —— 50ms 節奏：讀 IMU → 手勢 → 倒數
 * ------------------------------------------------------------ */
void loop() {
  sensors_event_t a, m, temp;
  if (mpu.getEvent(&a, &m, &temp)) {           // 讀取失敗直接跳過本輪，不卡死
    int g = handleGesture(a.acceleration.x, a.acceleration.y, a.acceleration.z);
    if (g == 1) onFlip();
    else if (g == 2) onDoubleTap();
  }
  tickTimer();
  delay(50);
}

🏗️ 組裝步驟

1. 列印零件：上段面朝上列印（展示面零支撐）
2. 固定電子紙：面板由內側卡入上段嵌框，四邊雙面膠加固，排線沿壁面整理
3. 鎖 MPU6050 重心托盤：模組鎖在托盤正中央——晶片位置 ≈ 幾何重心，偏了翻面偵測會失準
4. 接線：電子紙 8 條（SPI）、MPU6050 4 條（I2C）、蜂鳴器 2 條；全部先照接線表接好再通電
5. 燒錄測試：USB-C 接電腦，板型選 ESP32C6 Dev Module，燒錄後電子紙應黑閃顯示 READY
6. 手勢校正：翻面、敲兩下各試 10 次，失準就調 FLIP_Z_MIN（漏判調小）與 TAP_G（誤判調大）
7. 合蓋：上下段卡扣合攏、鎖 4 顆 M2 螺絲，貼 TPU 墊腳

🔧 問題排除

🎯 進階延伸

• 電池版：402530 LiPo + TP4056 + 待機改 deep sleep（IMU INT 腳喚醒），電子紙零靜態耗電 + C6 睡眠 5µA，實測可撐 3~4 週
• Wi-Fi 6 日曆聯動：C6 連 Home Assistant，開會時段自動把番茄鐘鎖住（顯示 MEETING）——這就是選 C6 的佈局價值
• 六面功能面：四側面各印 15/25/45/60 分鐘，IMU 偵測「哪一面朝上」決定番茄長度
• 番茄日報：每日 18:00 經 Telegram Bot 推播今日專注統計（把 donePomos/doneMins POST 出去即可）

📦 檔案清單

focus-cube/
├── src/
│   └── focus-cube.ino           # ESP32 程式碼（本頁完整程式）
├── stl/
│   ├── cube-top.stl             # 上段（電子紙框）
│   ├── cube-bottom.stl          # 下段（電路艙）
│   ├── imu-tray.stl             # IMU 重心托盤
│   └── bottom-cover.stl         # 底部走線蓋
├── f3d/
│   └── focus-cube-design.f3d    # Fusion 360 原始檔
├── manual/
│   └── assembly.html            # 圖文組裝說明書
└── README.md                    # 說明文件