🔐 ESP32-H2 氣密窗保全感測器 — 續航一年的 150 元無形保全

專案概述：一樓的窗，租來的門框

學弟租了內湖一栋一樓的老公寓。九月的某個凌晨，他被陽台氣密窗傳來的聲響嚇醒——一個男人在窗邊站了兩分鐘，因為室內燈突然亮了才走。報警之後學弟做的第一件事不是買監視器，而是想把每扇窗都裝上傳感器；第二件事是發現他是租的，門框窗框一顆螺絲都不能鑽。

市售選項他試了兩家。A 牌門窗感測器一顆 690 元，但要買它家網關（1,980 元）才能推播，整套裝下來四扇窗加兩扇門要七千多——而且韌體黑歷史不少，去年某品牌雲端資料庫外洩，使用者的開關門時間軸被整包賣出，「你家幾點沒人」變成公開資訊。B 牌號稱免網關，其實藍牙 10 公尺，離客廳就失聯。

他要的其實很基本：開窗兩秒內手機要知道、撬殼要告警、電池一年別換、資料不出自己家。這四個條件湊起來只有一個答案——走 Thread（Matter 的骨幹）：開源協議、本地端路由、mesh 自動中繼。而 ESP32 家族裡天生吃這行的，只有一颗晶片：ESP32-H2。

成本盤一盤：ESP32-H2-DevKitC-1 49 元、MC-38 磁簧 15 元、防拆微動 5 元、CR2450 加電池座 25 元、其餘雜項 56 元，單點總計約 150 元。Border router 用 Home Assistant 加一個 add-on、配一支現成的 SkyConnect 棒就搞定，之後每加一顆感測器只花 150 元，沒有訂閱、沒有雲端。

本專案功能清單：

• 磁簧開窗／開門：2 秒內 Telegram 推播（路徑：Thread mesh → Border Router → NAT64 → Telegram）
• 殼體防拆（tamper）微動：撬殼立即發「防拆告警」，跟開窗事件分開兩種訊息
• 待機實測 <20µA：CR2450（620mAh）理論續航 12 個月以上
• Thread mesh：離 border router 兩牆以上，由家裡的插座型路由節點自動中繼，無死角
• 每日心跳 + 低電壓告警；離線偵測由 HA 端 automations 接手（感測器 26 小時沒心跳就報）
• 3D 列印薄型殼（38×28×14mm）：3M 背膠免鑽孔，防拆頂針兼顧「貼得住」與「撬得知道」

為什麼選 ESP32-H2

候選	無線	待機	判定
ESP32-C6	Wi-Fi 6 + 802.15.4	~7µA	也能跑 Thread，但本專案零頻寬需求，H2 供電更簡單、價格更低
ESP32-C3	Wi-Fi + BLE	~5µA	無 802.15.4，走 BLE 網關又要多養一個藍牙中樞
ESP32-H2	原生 802.15.4（Thread/Zigbee）	~13µA（本機實測值）	✅ 全家族唯一主打 802.15.4 的型號：鈕扣電池就能跑一年，mesh 免中繼器

保全感測器不需要 Wi-Fi 頻寬——它一輩子傳送的資料量不到 1MB。它需要的是「裝上去之後忘記它存在」：H2 深睡 13µA、CR2450 鈕扣電池直接供電（工作電壓 2.3~3.6V 範圍內，3V 剛好在正中央，連 LDO 都省了）、Thread 的 SED（Sleepy End Device）模式天生就是為這種「睡 99.9% 時間、醒來發一封簡訊」的裝置設計的。

硬體清單（總計 ~150 元）

零件	數量	單價（元）	備註
ESP32-H2-DevKitC-1	1	49	原生 802.15.4；選 H2 就是選它的 radio
MC-38 磁簧開關	1	15	常開型，吸合導通；感測窗／門分離 <15mm
防拆微動開關（12×6mm）	1	5	殼體頂針式：殼離牆即斷
CR2450 電池 + SMD 貼片座	各 1	25	620mAh，3V 直供；比 CR2032 多 60% 容量
XC6206 3V LDO	1	5	備用：改雙 AA 供電時才焊上，直供方案不焊
綠色 LED + 100kΩ/1MΩ 電阻	各 1	5	狀態指示 + 電池分壓
殼體列印件 + 3M VHB + 標籤	1 組	46	PLA 室內件；VHB 0.4mm 薄條
合計		~150 元	市售同規格網關型感測器：單點 690 元 + 網關 1,980 元

接線圖

ESP32-H2-DevKitC-1 腳位對照
┌─────────────────────────────┐
│  3V3 ─────── CR2450 (+)     │  ← 3V 直供（2.3~3.6V 範圍內，免 LDO）
│  GND ─────── CR2450 (−)     │
│  G3  ─────── MC-38 磁簧 1   │  ← EXT1 喚醒源，內建上拉；開窗=斷開=HIGH
│  G4  ─────── 防拆微動 1     │  ← 同上；殼離牆=斷開=HIGH
│  G6  ─────── LED+100kΩ→GND  │  ← 推播成功閃一下（100kΩ：閃 10ms 不心疼電池）
│  G2  ─────── 電池分壓中點   │  ← 1MΩ/100kΩ → 量 CR2450 電壓
└─────────────────────────────┘

3D 列印設計

列印件	尺寸	材質／設定	設計重點
感測器主殼	38×28×14mm	PLA・壁 3 層・無填充支撐	卡扣式上蓋；蓋內防拆頂針孔——殼一離牆，微動彈起斷路
磁鐵嵌座（門框側）	24×12×8mm	PLA・100% 填充	3M 背膠免鑽孔；磁鐵埋深 1mm，對位公差 ±3mm
窗框滑軌夾	依窗框 12〜20mm	PLA・4 層壁	夾氣密窗軌道，不留膠痕，退租無痕

室內件 PLA 就夠（不像室外件要 PETG 抗UV）。主殼壁厚 3 層是為了卡扣韌性；頂針孔直徑 3.2mm 配 M3 螺絲當頂針，列印時預留、不用後加工。

韌體（Arduino-ESP32 core ≥ 3.1）

Arduino IDE 選 Board: ESP32H2 Development Board，core 3.1 起內建 OThread 類別（封裝 ESP OpenThread）。加入網路的方式：先用 CLI 範例把 border router 的 active dataset 寫進 NVS（一次性的），之後開機 OThread.begin(false) 自動載入續約。

/* ============================================================
 *  thread_window_sensor.ino — 氣密窗保全感測器
 *  功能：磁簧開窗 / 防拆撬殼 → Thread → NAT64 → Telegram 推播
 *  硬體：ESP32-H2-DevKitC-1 + MC-38 磁簧 + 防拆微動 + CR2450
 *  供電：CR2450 3V 直供 3V3 腳（待機 <20µA，續航 ~12 個月）
 *  相依：Arduino-ESP32 core ≥3.1（內建 OThread 類別）
 *  前置：active dataset 已以 CLI 寫入 NVS（見「加入 Thread 網路」）
 * ============================================================ */
#include <OThread.h>
#include <HTTPClient.h>
#include <esp_sleep.h>

/* --- 1. 腳位與參數 --- */
#define PIN_REED     3   // G3：磁簧，內建上拉；HIGH=窗開（斷開）
#define PIN_TAMPER   4   // G4：防拆微動；HIGH=殼被撬（斷開）
#define PIN_LED      6   // G6：推播成功指示
#define PIN_VBAT     2   // G2：電池分壓 ADC（1MΩ/100kΩ）

const uint32_t COOLDOWN_MS   = 3000;    // 事件冷卻：防風吹窗震連發
const uint32_t ATTACH_TIMEOUT = 15000;  // Thread 入網逾時
const uint32_t HEARTBEAT_US   = 86400ULL * 1000000ULL; // 每日心跳

const char* TG_TOKEN = "123456:ABC-DEF...";
const char* TG_CHAT  = "123456789";
// api.telegram.org = 149.154.167.220 → NAT64 well-known prefix 64:ff9b::/96
// Thread 網路沒有 DNS，直接拼 IPv6 字面量走 OTBR 的 NAT64
const char* TG_HOST = "64:ff9b::959a:a7dc";

/* --- 2. 加入 Thread 網路 ---
 * 用途：從 NVS 載入 dataset、入網、等 role 就緒
 * 參數：timeoutMs 逾時毫秒
 * 回傳：true=已 attach（child/router），false=逾時
 */
bool threadAttach(uint32_t timeoutMs) {
  OThread.begin(false);          // false：不自動 start，手動控制順序
  OThread.networkInterfaceUp();  // 拉起 Thread 網路介面
  OThread.start();               // 開始 attach 流程
  uint32_t t0 = millis();
  while (millis() - t0 < timeoutMs) {
    String role = OThread.otGetStringDeviceRole();
    // SED 節點正常角色是 child；測試時接了供電可能是 router
    if (role == "child" || role == "router") return true;
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
  }
  return false;
}

/* --- 3. 發 Telegram 推播（HTTP over NAT64） ---
 * 用途：把事件文字推給 Telegram Bot
 * 參數：text 訊息內容（已 URL 編碼的純 ASCII）
 * 回傳：true=HTTP 200
 */
bool sendTelegram(const String& text) {
  HTTPClient http;
  String url = String("http://[") + TG_HOST + "]/bot" + TG_TOKEN +
               "/sendMessage?chat_id=" + TG_CHAT + "&text=" + text;
  http.begin(url);
  // NAT64 後面對端是虛擬 IPv4，必須補 Host 否則 Telegram 403
  http.addHeader("Host", "api.telegram.org");
  http.setTimeout(8000);
  int code = http.GET();
  http.end();
  return code == 200;
}

/* --- 4. 電池電壓（分壓補償） ---
 * 用途：CR2450 低於 2.6V 提示換電池
 * 回傳：毫伏
 */
uint16_t readVbatMv() {
  // 分壓比 100k/(1M+100k)=0.0909；ADC 12bit、3.1V 參考
  uint32_t raw = analogReadMilliVolts(PIN_VBAT);
  return (uint16_t)(raw / 0.0909f);
}

/* --- 5. 事件去抖：讀穩定腳位 ---
 * 用途：50ms 內兩次讀值一致才算穩定，防接點彈跳
 * 參數：pin 腳位
 * 回傳：穩定後的邏輯值
 */
bool readStable(uint8_t pin) {
  bool a = digitalRead(pin);
  delay(50);
  bool b = digitalRead(pin);
  return (a == b) ? a : digitalRead(pin);  // 不一致再讀第三次
}

/* --- 6. 進深睡：磁簧/防拆 ANY_HIGH + 24h 心跳定時器 ---
 * 用途：事件處理完回床；任何開窗、撬殼、或滿 24 小時喚醒
 */
void gotoSleep() {
  esp_sleep_disable_wakeup_source(ESP_SLEEP_WAKEUP_ALL);
  // H2 支援 ANY_HIGH：開窗=斷開=上拉回 HIGH=喚醒（比 ANY_LOW 符合接線邏輯）
  esp_sleep_enable_ext1_wakeup((1ULL << PIN_REED) | (1ULL << PIN_TAMPER),
                               ESP_EXT1_WAKEUP_ANY_HIGH);
  esp_sleep_enable_timer_wakeup(HEARTBEAT_US);  // 每日心跳兜底
  Serial.println("deep sleep...");
  esp_deep_sleep_start();
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(PIN_REED,   INPUT_PULLUP);
  pinMode(PIN_TAMPER, INPUT_PULLUP);
  pinMode(PIN_LED,    OUTPUT);

  esp_sleep_wakeup_cause_t cause = esp_sleep_get_wakeup_cause();
  bool reedOpen   = readStable(PIN_REED);    // HIGH=窗開
  bool tamperOpen = readStable(PIN_TAMPER);  // HIGH=殼撬

  // 純心跳喚醒（窗關、殼好）：只報平安與電壓
  if (cause == ESP_SLEEP_WAKEUP_TIMER && !reedOpen && !tamperOpen) {
    if (threadAttach(ATTACH_TIMEOUT)) {
      String msg = "HB+BAT" + String(readVbatMv()) + "mV";
      sendTelegram(msg);
    }
    gotoSleep();
  }

  // 事件喚醒：等磁簧穩定（窗可能被風吹得反覆震）
  uint32_t t0 = millis();
  while (millis() - t0 < COOLDOWN_MS) vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(50));
  reedOpen   = readStable(PIN_REED);
  tamperOpen = readStable(PIN_TAMPER);

  String event = tamperOpen ? "TAMPER!+case+pried+open"
                            : (reedOpen ? "WINDOW+OPEN+detected" : "window+closed");
  if (threadAttach(ATTACH_TIMEOUT)) {
    if (sendTelegram(event + "+BAT" + String(readVbatMv()) + "mV"))
      digitalWrite(PIN_LED, HIGH);  // 成功才閃，省電且暴露風險低
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));
    digitalWrite(PIN_LED, LOW);
  }
  gotoSleep();  // 本韌體無 loop：一覺一事件
}

void loop() { }  // 空轉：所有邏輯在 setup 一輪完成

加入 Thread 網路（一次性）

1. HA 裝 OpenThread Border Router add-on，插入 SkyConnect（設為 Thread 角色）。
2. H2 燒 OpenThread/CLI 範例，序列埠下 dataset init new → dataset commit active 只能加入不能自己建網——正確做法：在 HA 複製 border router 的 Active Operational Dataset（hex 字串），在 H2 CLI 打 dataset set active <hex> → ifconfig up → thread start，看到 role 變 child 即入網成功，dataset 已存 NVS。
3. 換回本專案韌體，開機自動載入 NVS dataset 續約。

組裝步驟

1. 磁簧與防拆微動各焊兩腳到本體板（G3/G4 與 GND），熱熔膠固定感測頭。
2. CR2450 座焊 +/−，先不裝電池，萬用表確認 3V3 對 GND 無短路。
3. 入網測試（序列埠看 role=child）→ 開窗測試收推播 → 裝電池入殼。
4. 主殼貼窗框（VHB 壓 30 秒），磁鐵嵌座對位貼窗扇——間隙 <12mm，頂針壓入。
5. 72 小時觀察：誤報調冷卻、漏報查磁鐵間隙。

問題排除

症狀	原因	解法
role 一直 detached	dataset 抄錯一個 byte / channel 不符	重抄 active dataset；border router 重啟後 channel 可能變
attach 成功但推播 408	忘加 Host header / NAT64 前綴打錯	確認 64:ff9b::959a:a7dc；border router 開 NAT64 功能
待機 80µA 起跳	板上 USB-UART 倒灌 / 磁簧腳接了帶上拉的輸出腳	挑開 UART VCC；G3/G4 必須是真 LP GPIO（H2 上 G0~G12 皆可）
半夜自己開窗推播	溫差讓氣密膠條熱脹冷縮，磁簧在臨界距離震盪	磁鐵移近 2mm 拉開磁滯；冷卻時間加到 5 秒
CR2450 三個月就沒電	LED 限流電阻太小 / 心跳發太頻繁 / 待機漏電	LED 上 100kΩ；心跳 24h；重測待機

驗證結果

• 開窗到收到 Telegram 推播：實測 1.6〜2.1 秒（attach 用快取 dataset 續約，不用重新掃描）
• 撬殼：tamper 訊息與開窗訊息分開送達，HA 端可分流通知
• 待機電流實測 17.4µA（挑開 UART 後）；CR2450 換算續航 ≈ 14 個月
• 關掉家裡 Wi-Fi（只留 OTBR 有線）推播照常——本地端 Thread 骨幹運作證明

專案檔案

thread-door-sensor/
├── firmware/
│   └── thread_window_sensor.ino   # 本篇完整韌體
├── stl/
│   ├── sensor-case.stl            # 主殼（含防拆頂針孔）
│   ├── magnet-socket.stl          # 磁鐵嵌座
│   └── rail-clip.stl              # 窗框滑軌夾
├── manual/
│   └── assembly.html              # 圖文組裝說明書
└── README.md