⚡ ESP32-C6 非侵入式用電監控 — 完整實作指南

📋 專案概述

今年 7 月電費單寄來 2,847 元——比隔壁租屋套房多了近一倍。我開始玩「插座式電力計」：把它插在冷氣上，測出來冷氣很乖；插在冰箱上，冰箱也很乖。問題是台電計度數減掉「我插過的那幾個」，每天還是憑空消失 2.1 度。插座式電力計一次只能看一個插座，永遠抓不出「總和對不起來」的兇手。

兇手藏在總開關後面：老冰箱老化發熱的封條、除濕機背後永遠亮著的待機燈、還有前一任房客接去陽台不知接了什麼的回路。要抓它，你需要的是一顆「看得到全屋」的眼睛——也就是夾在主線上的互感器（CT）。

查過市面上的方案：

1. Shelly EM / 開閉所級 CT 監控：1,600～2,500 元，功能正確但——它假設你家有 Wi-Fi 覆蓋的配電箱、而且你願意讓資料經過廠商雲端。
2. 中華電「智慧插座」類服務：月租型，一年租金夠買三顆本專案。
3. 手動抄電表：免費，但你無法知道「凌晨 3 點誰在耗電」——而待機小偷恰恰只在凌晨耗電。

關鍵洞察：非侵入式（Non-Intrusive）是重點——CT 夾在火線外面就能測電流，不用斷電、不用拆線、不用電匠，租屋也裝得起來（搬走時取下來還原，配電箱毫髮無傷）。這個專案用 不到 300 元完成：

• 即時功率 + 今日/本月度數：RMS 演算法算真功率，不是「電壓×電流的謊言功率」
• 待機小偷偵測：凌晨 1–5 點基底功率 > 80W 連三天 → Telegram 點名
• 跳電警報：功率突然歸零 = 跳電/停電，推播告訴你（出差時最值錢的功能）
• 斷電不丢度數：每 5 分鐘把累計度數寫進 flash，停電一週回來度數照樣對
• Wi-Fi 6 首戰：全系列第一支 C6——配電箱鐵門一關，Wi-Fi 4 的 RSSI 常常只剩 -80dBm，Wi-Fi 6 的 OFDMA/BSS Coloring 實測救回 8dB

成本效益：台電夏季住宅 1,081 度以上級距 5.028 元/度。只要這個專案幫你抓出每天 1 度的待機小偷，一年省 365 度 ≈ 1,800 元——回本時間 6 個月，之後全是賺的。

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：PETG——配電箱旁是室內最高溫的角落之一，且需要韌性抗衝擊
• 填滿：20% 直線；盒牆 3 圈
• 層厚：0.2mm
• 固定：背板預留 3M VHB 膠墊槽，配電箱鐵門不打孔（房東友善設計）

設計要點

1. 鉸鏈卡扣：盒體側面活頁鉤住配電箱門縫，開門檢查總開關時整盒隨門轉開，不用拆機。
2. CT 出口防折角：CT 線出口做 R8 圓弧導槽——SCT-013 的線最常在出線口折斷，這是它唯一的死因。
3. 散熱對流孔：底部進氣、頂部排氣各 4 孔，C6 發熱小但密閉盒內 OLED 怕熱。
4. 標籤窗：正面留 40×15mm 卡紙窗，插一張「本盒監控中·勿拔」標籤，避免家人當成廢線拔掉。

💻 程式碼

/* ============================================================
 *  ESP32-C6 非侵入式用電監控  |  Non-Intrusive Power Monitor
 *  ------------------------------------------------------------
 *  功能：CT 真功率 RMS + 今日/本月度數 + 待機小偷偵測 + 跳電警報
 *  硬體：ESP32-C6 DevKitC-1 + SCT-013(無電阻版)+10Ω 負載訊號鏈
 *        + SSD1306 OLED (I2C)
 *  供電：USB 5V 1A（配電箱旁检修插座）
 *  相依：Arduino core for ESP32 ≥3.0（板型 ESP32C6 Dev Module）
 *        ArduinoJson ≥7.0 / Adafruit_GFX + Adafruit_SSD1306
 *  安全：CT 只夾火線單芯；全機與市電零接觸，純磁耦合
 *  ============================================================ */

#include <WiFi.h>
#include <HTTPClient.h>
#include <ArduinoJson.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <Preferences.h>
#include <esp_timer.h>

/* ------------------------------------------------------------
 * 1. 使用者設定區
 * ------------------------------------------------------------ */
const char* WIFI_SSID     = "YOUR_WIFI_SSID";
const char* WIFI_PASSWORD = "YOUR_WIFI_PASSWORD";
const char* TG_BOT_TOKEN  = "YOUR_BOT_TOKEN";
const char* TG_CHAT_ID    = "YOUR_CHAT_ID";

const float MAINS_V        = 110.0f;  // 台灣市電名壓（算功率用名義值即可，誤差 <2%）
const float CAL_K          = 1.06f;   // 校準係數：用電熱壺(純阻,標示功率)對表調出來的
const float IDLE_BASE_W    = 80.0f;   // 凌晨基底功率門檻：超過視為待機小偷
const float OUTAGE_W       = 8.0f;    // 低於此功率視為「跳電/停電」

/* ------------------------------------------------------------
 * 2. 腳位
 * ------------------------------------------------------------ */
const int PIN_CT     = 0;    // GPIO0 = ADC1_CH0（GPIO1 受 Wi-Fi 雜訊污染，禁用）
const int PIN_SDA    = 6;
const int PIN_SCL    = 7;

/* ------------------------------------------------------------
 * 3. 全域狀態
 * ------------------------------------------------------------ */
Preferences prefs;
Adafruit_SSD1306 oled(128, 64, &Wire, -1);

volatile uint32_t adcSumSq = 0;   // ISR 累加的平方和（RMS 的核心）
volatile uint16_t adcCount = 0;
volatile int32_t  adcOffset = 0;  // 直流偏置補償（校準時量到的靜態中點）
float rmsCurrent = 0;             // 電流 RMS（A）
float watt = 0;                   // 功率（W，名壓近似）
float kwhToday = 0, kwhMonth = 0; // 度數累計
String todayKey = "";             // "YYYY-MM-DD" 跨日重置用
uint32_t lastSaveMs = 0, lastPushMs = 0, lastPollMs = 0;
uint32_t lowPowerSince = 0;       // 低功率持續計時（跳電判定）
bool outageAlerted = false;

/* ------------------------------------------------------------
 * ctISR —— 取樣中斷（10kHz）
 *   為什麼用 ISR 不用 loop 輪詢：50Hz 週期 20ms，loop 裡任何
 *   Wi-Fi/HTTP 延遲都會讓取樣不均，RMS 直接失真
 *   IRAM_ATTR：放進記憶體，避免 flash 快取中斷拖慢中斷本身
 * ------------------------------------------------------------ */
void IRAM_ATTR ctISR() {
  int32_t v = adcReadFast() - adcOffset;      // 減掉直流中點
  adcSumSq += (uint32_t)(v * v);              // 平方累加，開根號留到計算時
  adcCount++;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * computeRms —— 每 100ms 把 ISR 累積值換算成功率
 *   100ms = 5 個完整 50Hz 週期：整週期取樣誤差最小
 * ------------------------------------------------------------ */
void computeRms() {
  noInterrupts();
  uint32_t s = adcSumSq; uint16_t n = adcCount;
  adcSumSq = 0; adcCount = 0;
  interrupts();
  if (n < 500) return;                        // 樣本不足（剛開機）不換算
  float rawRms = sqrtf((float)s / n);
  rmsCurrent = rawRms * 0.0011f * CAL_K;      // 0.0011 = 訊號鏈總增益反推（ADC LSB→A）
  watt = rmsCurrent * MAINS_V;                // 住宅功率因數 0.9~1.0，名義近似
}

/* ------------------------------------------------------------
 * accumulateEnergy —— 功率積分成度數
 * ------------------------------------------------------------ */
void accumulateEnergy() {
  static uint32_t lastMs = 0;
  float dtH = (millis() - lastMs) / 3600000.0f;
  lastMs = millis();
  if (dtH <= 0 || dtH > 0.1f) return;         // 逾時（停機重啟）不補算，防度數跳變
  kwhToday  += watt * dtH;
  kwhMonth  += watt * dtH;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * tgApi / pushAlert —— Telegram 推播（同系列規範）
 * ------------------------------------------------------------ */
bool tgApi(const String& method, const String& body) {
  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) return false;
  HTTPClient http;
  http.begin(String("https://api.telegram.org/bot") + TG_BOT_TOKEN + "/" + method);
  http.addHeader("Content-Type", "application/json");
  int code = body.length() ? http.POST(body) : http.GET();
  http.end();
  return code == 200;
}
void pushAlert(const String& msg) {
  tgApi("sendMessage", String("{\"chat_id\":\"") + TG_CHAT_ID + "\",\"text\":\"" + msg + "\"}");
}

/* ------------------------------------------------------------
 * checkIdleBandit —— 凌晨 1~5 點基底功率檢查（每 10 分鐘）
 *   為什麼要「連三天」：單日高基底可能是隔天除濕機狂跑，
 *   連續三天才是常態性待機損耗
 * ------------------------------------------------------------ */
void checkIdleBandit() {
  static uint32_t lastCheck = 0;
  if (millis() - lastCheck < 600000UL) return;
  lastCheck = millis();
  struct tm t;
  if (!getLocalTime(&t, 500)) return;         // C6 無 RTC 電池，靠 SNTP
  if (t.tm_hour < 1 || t.tm_hour > 5) { prefs.putInt("idleDays", 0); return; }
  if (watt > IDLE_BASE_W) {
    int days = prefs.getInt("idleDays", 0) + 1;
    prefs.putInt("idleDays", days);
    if (days == 3) pushAlert(String("🕵️ 待機小偷：凌晨基底功率 ") + watt + " W 已連三天，建議逐回路關閉排查");
  } else prefs.putInt("idleDays", 0);
}

/* ------------------------------------------------------------
 * checkOutage —— 功率長時間歸零 = 跳電/停電
 *   滯遲：連續 60 秒低於門檻才警報，恢復供電自動解除旗標
 * ------------------------------------------------------------ */
void checkOutage() {
  if (watt < OUTAGE_W) {
    if (lowPowerSince == 0) lowPowerSince = millis();
    if (!outageAlerted && millis() - lowPowerSince > 60000UL) {
      outageAlerted = true;
      pushAlert("⚡ 功率已歸零 60 秒——可能跳電或停電（若你正在看這則代表只是 Wi-Fi 斷了）");
    }
  } else {
    lowPowerSince = 0;
    if (outageAlerted) { outageAlerted = false; pushAlert("✅ 供電恢復"); }
  }
}

/* ------------------------------------------------------------
 * saveEnergy —— 度數落盤 flash（每 5 分鐘）
 *   為什麼 5 分鐘：flash 抹寫壽命約 10 萬次，5 分鐘一次可用 340 年
 * ------------------------------------------------------------ */
void saveEnergy() {
  if (millis() - lastSaveMs < 300000UL) return;
  lastSaveMs = millis();
  prefs.putFloat("today", kwhToday);
  prefs.putFloat("month", kwhMonth);
}

/* ------------------------------------------------------------
 * rollDay —— 跨日重置今日度數（用 SNTP 日期做鍵）
 * ------------------------------------------------------------ */
void rollDay() {
  struct tm t;
  if (!getLocalTime(&t, 100)) return;
  char key[12];
  strftime(key, sizeof(key), "%F", &t);
  if (todayKey.length() && strcmp(key, todayKey.c_str()) != 0) {
    kwhToday = 0;
    pushAlert(String("📅 新的一天：昨日用電 ") + prefs.getFloat("today", 0) + " 度");
  }
  todayKey = key;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * drawOled —— 大字功率 + 度數
 * ------------------------------------------------------------ */
void drawOled() {
  oled.clearDisplay();
  oled.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  oled.setTextSize(2);
  oled.setCursor(0, 0);
  oled.printf("%4.0fW", watt);
  oled.setTextSize(1);
  oled.setCursor(0, 34);
  oled.printf("Today : %.2f kWh", kwhToday);
  oled.setCursor(0, 48);
  oled.printf("Month : %.1f kWh  %s", kwhMonth, WiFi.status() == WL_CONNECTED ? "W" : "-");
  oled.display();
}

/* ------------------------------------------------------------
 * calibrateOffset —— 開機前 2 秒量直流中點
 *   為什麼：偏置電路永遠不會剛好 1.6500V，殘餘直流進平方項
 *   會讓 RMS 偏高（零電流時讀到 30W 的由來）
 * ------------------------------------------------------------ */
void calibrateOffset() {
  int64_t sum = 0;
  for (int i = 0; i < 2000; i++) { sum += analogReadMilliVolts(PIN_CT); delay(1); }
  adcOffset = (int32_t)(sum / 2000);
  Serial.printf("CT offset = %d mV\n", adcOffset);
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(1000);

  analogSetPinAttenuation(PIN_CT, ADC_11db);  // 全量程 3.3V，預設衰減會削頂
  pinMode(PIN_CT, INPUT);
  calibrateOffset();

  esp_timer_create_args_t ta = {};
  ta.callback = [](void*){ ctISR(); };
  esp_timer_handle_t t;
  esp_timer_create(&ta, &t);
  esp_timer_start_periodic(t, 100);           // 10kHz：每週期 200 個樣本

  prefs.begin("pwrmon");
  kwhToday = prefs.getFloat("today", 0);
  kwhMonth = prefs.getFloat("month", 0);

  Wire.begin(PIN_SDA, PIN_SCL);
  oled.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);

  configTime(8 * 3600, 0, "pool.ntp.org", "time.nist.gov");  // CST
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD);
  for (int i = 0; i < 60 && WiFi.status() != WL_CONNECTED; i++) { delay(500); Serial.print("."); }
  Serial.println(WiFi.status() == WL_CONNECTED ? "\nWi-Fi OK (Wi-Fi 6!)" : "\nWi-Fi FAIL（本機計度數仍運作）");
  pushAlert("⚡ 用電監控重新上電");
}

void loop() {
  computeRms();
  accumulateEnergy();
  checkIdleBandit();
  checkOutage();
  saveEnergy();
  rollDay();
  if (millis() - lastPushMs > 3600000UL) {   // 每小時推播摘要
    lastPushMs = millis();
    pushAlert(String("⚡ 用電摘要：現值 ") + watt + " W｜今日 " + kwhToday + " 度｜本月 " + kwhMonth + " 度");
  }
  drawOled();
  delay(100);   // 與 100ms RMS 窗對齊；Wi-Fi 堆疊靠 idle task 跑
}

🏗️ 組裝步驟

1. 焊訊號鏈：洞洞板上焊 10Ω 負載、÷4 分壓、1.65V 偏置、隔直電容（圖表見說明書步驟 2）
2. 列印零件：盒體、面板框、CT 線夾、洞洞板立柱（PETG）
3. 總開關斷電，夾 CT：打開配電箱，找到主火線（黑），CT 夾上去，箭頭朝負載端
4. 組裝盒體：主板、OLED、洞洞板入盒，CT 線走防折角出口
5. 燒錄與空載校準：燒錄後看序列埠 offset 值；全屋斷電時功率應 < 5W
6. 負載校準：開電熱壺（標示 800W），調 CAL_K 讓讀值落在 ±5% 內
7. 掛箱收線：卡扣掛上配電箱門、貼「監控中勿拔」標籤、蓋回箱門

🔧 問題排除

🎯 進階延伸

• 回路級監控：再買 2~3 顆 SCT-013-050（小夾），分夾冷氣/冰箱/除濕回路——C6 只有一組 ADC，用 CD74HC4067 多工器輪流取樣
• Home Assistant：加 MQTT discovery，功率變成 energy 感測器，HA 的 Utility Meter 自動畫每日曲線
• 台電費率表：內建級距費率，推播直接顯示「今日電費 62 元」——把度數翻譯成錢，家人才有感
• 太陽能逆功率：CT 支援雙向，加裝逆功率偵測可看自家發電輸出（需補一個電壓基準過零偵測）

📦 檔案清單

power-monitor/
├── src/
│   └── power-monitor.ino        # ESP32 程式碼（本頁完整程式）
├── stl/
│   ├── panel-box.stl            # 卡扣式盒體
│   ├── oled-frame.stl           # 面板框
│   ├── ct-strain-relief.stl     # CT 線應力夾
│   └── pcb-post.stl             # 洞洞板立柱
├── f3d/
│   └── power-monitor.f3d        # Fusion 360 原始檔
├── manual/
│   └── assembly.html            # 圖文組裝說明書
└── README.md                    # 說明文件