💧 ESP32-C2 桌面智能加濕器 — 完整實作指南

📋 專案概述

12 月的深夜四點半，我是被喉嚨乾醒的。冷氣無聲地抽了一整晚的水，書房濕度計顯示 32%——這個數字對木吉他、木窗框和我的鼻黏膜都是壞消息。上個月女兒一周流了兩次鼻血，醫生只說了一句「房間太乾」。

市面上的智能加濕器查了一圈，結論是這個品類的「智能」兩個字含水量比它噴出来的霧還高：

1. 千元級的「智能」= 手機遠開關：App 上那個開關按鈕，和我蹲在機器前面按的那個開關，唯一的差別是要先解鎖手機。它依然不會看濕度——設定 8 小時定時，半夜濕度衝到 75% 照樣噴，枕頭邊床單摸起來是潮的。
2. 濕度計 + 傳統加濕器 = 請自己半夜起來關機器：我試過買一個 300 元的加濕器配 200 元的濕度計，結果是設定鬧鐘起來關霧，連續一週後鬧鐘被我關了。
3. 真正的痛是過濕，不是乾：冷霧本質是把純水打成微粒直吹，出霧速度永遠比房間擴散快。直吹桌面三小時，筆電鍵盤縫裡能長出鏽斑——會停的加濕器才叫智能，不會停的叫霧化事故。

這個專案不買新加濕器，而是把家樂福 300 元的傳統超聲波加濕器「換腦」：用 不到 400 元的零件 + 3D 列印水箱，做一台真正看得見濕度的機器：

• 濕度閉環：目標 50%RH，掉到 47% 開噴、回到 52% 停（遲滯帶 5%，不會在閾值邊界反覆跳啟停）
• 缺水即斷 + Telegram 推播：浮球開關驅動 MOSFET 物理斷電，推播「💧 缺水了」，補水後自動推「✅ 已恢復」
• 40 分鐘強制休息：小房間連噴 40 分鐘必定休息 20 分鐘，閉環失靈也不會把房間變雲霧紗
• 餘霧吹乾：停止出霧後風扇延遲運轉 30 秒，把殼內殘霧吹出去——殘霧在殼裡凝結發霉是 DIY 加濕器的第一殺手
• OLED 即時濕度直方圖：一眼看出這三小時房間是越来越乾還是剛補過水

成本效益算給你聽：千元級「智能」加濕器 1,299 元，功能清單裡沒有一項是本文第三、第四點；本專案 381 元，還多一個可以無限改韌體的 Wi-Fi 主控。真正的智能不是連網，是在正確濕度自己停下來。

為什麼選 ESP32-C2？

🧱 硬體清單

🔌 接線圖

ASCII 對照表

詳細接線

🖨️ 3D 列印零件

零件清單

列印設定

• 材質：水箱相關一律 PETG——PLA 長期泡水解體，三個月後微裂滲水；控制面板離水遠，PLA 美觀即可
• 壁厚：水箱 4 層（1.6mm）、上蓋 3 層；填滿 100% + 頂/底實心 4 層，層間就是滲水路徑
• 層厚：水箱 0.16mm（比標準 0.2 更密，防水第一）
• 防水後處理：內壁刷一層水性聚氨酯清漆（水族用），比環氧便宜且不黃

設計要點

1. AHT20 乾燥艙（本專案設計靈魂）：上蓋右側一個與霧道完全隔離的小艙，感測器只從側向兩個 3mm 進氣孔聞房間的濕氣。感測器若湊近噴口，讀數永遠 90%+，閉環形同虛設——這是 DIY 加濕器讀數偏高的頭號原因
2. 濕區 / 乾區物理分隔：上蓋左半是霧區（霧化片、水面），右半是電子艙（ESP32、MOS、OLED 背面），中間 8mm 隔牆，走線走隔牆預留孔 + 熱縮密封
3. 霧化片浮盤：霧化片固定在 EVA 浮盤上，水位高低自動跟隨——水位下降時霧化片露出水面乾燒，是霧化片壽命的頭號殺手
4. 霧道 L 型導管：霧化腔頂部 → 風扇入口，出口朝上 45° 不直吹桌面
5. 底部走線孔 + raised 10mm 底腳：電子艙萬一凝露可排出，不泡自家水

💻 程式碼

/* ============================================================
 *  ESP32-C2 桌面智能加濕器  |  Smart Humidifier
 *  ------------------------------------------------------------
 *  功能：AHT20 濕度閉環控制超聲波霧化片（47/52% 遲滯）、
 *        缺水自動斷霧 + Telegram 推播、餘霧吹乾防霉
 *  硬體：ESP32-C2 SuperMini + AHT20(0x38) + SSD1306(0x3C)
 *        + 霧化片 MOS(GPIO6) + 風扇 MOS(GPIO7) + 浮球(GPIO3)
 *  供電：USB 5V 3A（霧化片 25W peak，勿省電源錢）
 *  相依：Arduino core for ESP32 v3.x / Adafruit_SSD1306 /
 *        Adafruit_GFX / Wire / WiFi / HTTPClient
 *  ============================================================ */

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <WiFi.h>
#include <HTTPClient.h>

/* ------------------------------------------------------------
 * 1. 使用者設定區 —— 全篇只有這段需要修改
 * ------------------------------------------------------------ */
const char* WIFI_SSID     = "YOUR_WIFI_SSID";      // 僅支援 2.4GHz（C2 無 5GHz）
const char* WIFI_PASSWORD = "YOUR_WIFI_PASSWORD";

const char* TG_BOT_TOKEN = "YOUR_BOT_TOKEN";       // @BotFather 發行
const char* TG_CHAT_ID   = "YOUR_CHAT_ID";         // 純數字 chat id

/* ------------------------------------------------------------
 * 2. 腳位與閾值
 * ------------------------------------------------------------ */
const uint8_t PIN_SDA   = 4;
const uint8_t PIN_SCL   = 5;
const uint8_t PIN_ATOM  = 6;   // 霧化片 MOS IN
const uint8_t PIN_FAN   = 7;   // 風扇 MOS IN
const uint8_t PIN_WATER = 3;   // 浮球 NC→GND：有水=LOW（啟用內部上拉）

const float   RH_START   = 47.0;   // 低於 → 開噴
const float   RH_STOP    = 52.0;   // 高於 → 停噴（遲滯帶 5%，防邊界振盪）
const uint32_t ATOM_MIN_ON_MS     = 10UL * 1000;      // 最短連續出霧：防「剛開就停」短迴路
const uint32_t ATOM_MAX_ON_MS     = 40UL * 60 * 1000; // 最長連續出霧：小房間防濕度過衝
const uint32_t ATOM_COOLDOWN_MS   = 20UL * 60 * 1000; // 達上限後強制休息 20 分鐘
const uint32_t FAN_DRY_RUN_MS     = 30UL * 1000;      // 停霧後風扇續吹 30 秒排殼內殘霧
const uint8_t  WATER_DEBOUNCE_N   = 3;                // 浮球取樣 N 次一致才翻態（水面波動防誤報）

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

bool     atomOn         = false;   // 目前霧化片狀態
bool     fanOn          = false;
bool     waterPresent   = true;    // 去抖後的浮球狀態
bool     waterAlertSent = false;   // 已推播「缺水」旗標：防洗版
uint32_t atomOnMsAt     = 0;       // 本輪出霧開始時間
uint32_t atomOffMsAt    = 0;       // 上次停霧時間（風扇延遲判斷）
uint32_t cooldownUntil  = 0;       // 強制休息結束時刻（millis 時基）
float    rhSmooth       = 50.0;    // 顯示／控制用濕度
uint8_t  sensorErrCnt   = 0;       // AHT20 連續讀取失敗計數

/* ------------------------------------------------------------
 * aht20Read —— 讀取 AHT20 濕度（手刻 I2C，免第三方庫）
 *   回傳：true=成功，rh 填入 0~100 濕度
 *   做法：0xAC 0x33 觸發 → 輪詢 busy 位（上限 200ms）→ 讀 6 bytes
 *   為什麼手刻：AHT20 協議只有 10 行，多裝一個庫不如自己寫清楚
 * ------------------------------------------------------------ */
bool aht20Read(float& rh) {
  Wire.beginTransmission(0x38);
  Wire.write(0xAC); Wire.write(0x33); Wire.write(0x00);  // 觸發測溫濕
  if (Wire.endTransmission() != 0) return false;

  uint8_t st;
  uint32_t t0 = millis();
  do {                                             // busy 輪詢，200ms 逾時
    Wire.requestFrom((uint8_t)0x38, (uint8_t)1);
    st = Wire.read();
    if (millis() - t0 > 200) return false;         // 感測器卡死 → 上層軟復位
    delay(5);
  } while (st & 0x80);

  Wire.requestFrom((uint8_t)0x38, (uint8_t)6);
  if (Wire.available() < 6) return false;
  uint32_t r20 = ((uint32_t)Wire.read() << 12) |
                 ((uint32_t)Wire.read() <<  8) |
                 ((uint32_t)Wire.read() <<  4);
  Wire.read(); Wire.read(); Wire.read();           // 溫度欄本專案不用
  rh = (float)r20 / 1048576.0f * 100.0f;
  return (rh > 0.0f && rh < 101.0f);               // 全零/全 F 視為無效
}

/* ------------------------------------------------------------
 * readHumidity —— 中位數濾波讀濕度
 *   回傳：0~100 RH；連續失敗時自動軟復位（0xBA）重試一次
 *   為什麼中位數：風扇啟停的電源紋波會讓 ADC 端偶發突波，
 *   平均數會被單點拉偏，中位數不會
 * ------------------------------------------------------------ */
float readHumidity() {
  float v[3]; uint8_t ok = 0;
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    if (aht20Read(v[ok])) ok++;
    delay(80);                                      // AHT20 兩讀之間留恢復時間
  }
  if (ok == 0) {                                    // 全部失敗：軟復位再掙扎一次
    Wire.beginTransmission(0x38);
    Wire.write(0xBA);                               // soft reset
    Wire.endTransmission();
    delay(20);
    if (!aht20Read(v[0])) return -1;                // 放棄，回 -1 由上層計錯
    ok = 1;
  }
  // 排序取中位數（3 個元素，氣泡排序足矣）
  for (int i = 0; i < ok - 1; i++)
    for (int j = 0; j < ok - 1 - i; j++)
      if (v[j] > v[j + 1]) { float t = v[j]; v[j] = v[j + 1]; v[j + 1] = t; }
  return v[ok / 2];
}

/* ------------------------------------------------------------
 * readWater —— 浮球開關去抖
 *   回傳：true=有水。100ms × 3 次取樣全一致才翻態
 *   為什麼：水面晃動時浮球可能在臨界點抖動，單次讀取會
 *   「缺水→報警→有水→恢復」連環誤報
 * ------------------------------------------------------------ */
bool readWater() {
  static bool last = true;
  uint8_t high = 0;
  for (int i = 0; i < WATER_DEBOUNCE_N; i++) {
    if (digitalRead(PIN_WATER) == HIGH) high++;     // HIGH = NC 斷開 = 缺水
    delay(100);
  }
  bool now = (high == 0);                           // 全部 LOW 才判定有水
  if (now == last) return last;
  delay(500);                                        // 邊緣態多等一輪確認
  if (now == last) return last;
  last = now;
  return last;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * sendTelegram —— 推播訊息到 Telegram Bot
 *   參數：message 文字；回傳：是否 HTTP 200
 * ------------------------------------------------------------ */
bool sendTelegram(const String& message) {
  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) return false;  // 離線直接放棄，下輪再試
  HTTPClient http;
  String url = String("https://api.telegram.org/bot") + TG_BOT_TOKEN + "/sendMessage";
  http.begin(url);
  http.addHeader("Content-Type", "application/json");
  String json = String("{\"chat_id\":\"") + TG_CHAT_ID +
                "\",\"parse_mode\":\"Markdown\",\"text\":\"" + message + "\"}";
  int code = http.POST(json);
  bool ok = (code == 200);
  if (!ok) Serial.printf("[TG] HTTP %d\n", code);
  http.end();                                        // C2 RAM 小，務必釋放
  return ok;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * setAtom / setFan —— 功率輸出的唯一出入口
 *   為什麼包函式：所有狀態時間戳在這裡統一更新，
 *   主迴路就不會到處散落 digitalWrite 造成時間戳不一致
 * ------------------------------------------------------------ */
void setAtom(bool on) {
  if (on == atomOn) return;
  atomOn = on;
  digitalWrite(PIN_ATOM, on ? HIGH : LOW);
  if (on) atomOnMsAt = millis(); else atomOffMsAt = millis();
  Serial.printf("[%lus] ATOM %s (RH=%.1f)\n", millis() / 1000, on ? "ON" : "OFF", rhSmooth);
}
void setFan(bool on) {
  if (on == fanOn) return;
  fanOn = on;
  digitalWrite(PIN_FAN, on ? HIGH : LOW);
}

/* ------------------------------------------------------------
 * uiDraw —— OLED 繪製狀態頁
 *   左半：大字号濕度；右半：濕度直方圖（近 24 根柱 = 48 分鐘）
 *   底列：狀態字（RUN/IDLE/DRY/ERR）+ Wi-Fi 圖點
 * ------------------------------------------------------------ */
uint8_t hist[24]; uint8_t histIdx = 0; uint32_t histAt = 0;
void uiDraw(const char* state) {
  display.clearDisplay();
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  display.setTextSize(2);
  if (rhSmooth >= 0) display.printf("%2.0f%%", rhSmooth);
  else display.print("ERR");
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 22);
  display.printf("TARGET 47-52%%");
  display.setCursor(0, 34);
  display.printf("%s  WS:%s", state, waterPresent ? "OK" : "DRY");
  display.setCursor(0, 46);
  display.printf("WIFI:%s", WiFi.status() == WL_CONNECTED ? "ON " : "OFF");
  // 右側直方圖：30 秒一根柱，可視範圍 30~80%RH
  for (int i = 0; i < 24; i++) {
    uint8_t v = hist[(histIdx + i) % 24];
    uint8_t h = map(v, 30, 80, 0, 40);
    if (h) display.drawFastVLine(78 + i * 2, 63 - h, h, SSD1306_WHITE);
  }
  display.display();
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(1000);                                       // 等 USB-CDC 就緒

  pinMode(PIN_ATOM, OUTPUT); digitalWrite(PIN_ATOM, LOW);
  pinMode(PIN_FAN,  OUTPUT); digitalWrite(PIN_FAN,  LOW);
  pinMode(PIN_WATER, INPUT_PULLUP);                  // NC 浮球：有水拉低

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

  Wire.beginTransmission(0x38);                       // AHT20 上電校準指令
  Wire.write(0x21);
  Wire.endTransmission();
  delay(20);

  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD);
  for (int i = 0; i < 60 && WiFi.status() != WL_CONNECTED; i++) {
    delay(500);                                       // 30 秒逾時，之後背景重試
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("\n加濕器控制迴路上線");
}

/* ------------------------------------------------------------
 * loop —— 1 秒一輪的控制狀態機
 *   優先序：感測錯誤 > 缺水 > 強制休息 > 遲滯閉環
 * ------------------------------------------------------------ */
void loop() {
  /* --- 1. 感測：讀濕度，連續 5 輪失敗才升級為錯誤 --- */
  float rh = readHumidity();
  if (rh < 0) {
    if (++sensorErrCnt >= 5) { uiDraw("ERR "); delay(4000); return; }  // 感測掛了先休 4 秒再試
  } else {
    sensorErrCnt = 0;
    rhSmooth = rhSmooth * 0.7f + rh * 0.3f;           // EMA 平滑：顯示不閃但控制反應仍夠快
  }

  /* --- 2. 缺水：最高優先級，立即斷霧 + 吹乾 + 推播 --- */
  waterPresent = readWater();
  if (!waterPresent) {
    setAtom(false);
    if (millis() - atomOffMsAt < 60UL * 1000) setFan(true);   // 缺水也吹殘霧 60 秒
    else setFan(false);
    if (!waterAlertSent && sendTelegram("💧 **加濕器缺水了**\n請補水，補水後自動恢復。"))
      waterAlertSent = true;
    uiDraw("DRY ");
    delay(900);
    return;
  }
  if (waterAlertSent) {                               // 補回水了：推恢復、重置旗標
    if (sendTelegram("✅ **加濕器已補水，恢復運行。**")) waterAlertSent = false;
  }

  /* --- 3. 時間比例上限：連噴滿 40 分鐘強制休息 20 分鐘 --- */
  uint32_t now = millis();
  if (atomOn && now - atomOnMsAt > ATOM_MAX_ON_MS) {
    setAtom(false);
    cooldownUntil = now + ATOM_COOLDOWN_MS;
  }
  bool inCooldown = (now < cooldownUntil);

  /* --- 4. 遲滯閉環：47 開 / 52 停 + 最短運行時間 --- */
  if (!atomOn && !inCooldown && rhSmooth <= RH_START && sensorErrCnt == 0)
    setAtom(true);
  if (atomOn) {
    bool longEnough = (now - atomOnMsAt >= ATOM_MIN_ON_MS);
    if (longEnough && (rhSmooth >= RH_STOP || sensorErrCnt > 0))
      setAtom(false);                                 // 感測失效時預設停噴（濕度不可信=寧可不加濕）
  }

  /* --- 5. 風扇：出霧即吹；停霧後延遲 30 秒吹乾殘霧 --- */
  setFan(atomOn || (now - atomOffMsAt < FAN_DRY_RUN_MS));

  /* --- 6. UI：每 30 秒存一根直方圖柱，每輪刷畫面 --- */
  if (now - histAt >= 30000) {
    histAt = now;
    hist[histIdx] = (uint8_t)constrain(rhSmooth, 0, 100);
    histIdx = (histIdx + 1) % 24;
  }
  uiDraw(atomOn ? "RUN " : (inCooldown ? "REST" : "IDLE"));
  delay(950);                                          // ~1 秒控制週期，讓出 CPU 給 Wi-Fi 堆疊
}

🏗️ 組裝步驟

1. 列印與防水測試：五個零件依設定列印；水箱裝滿水靜置 2 小時，層間滲水就補刷清漆
2. 組霧化浮盤：霧化片振動面朝上裝浮盤（滴水通電應見水花立起，錯面水花軟趴趴），導線套熱縮管打矽膠密封
3. 接線與鎖固：按接線圖接線；驅動板鎖上蓋電子艙內壁，線過隔牆孔後熱縮密封
4. 裝浮球：浮球導線穿底部走線孔進電子艙，浮球掛在水箱導槽內可自由上下
5. 燒錄與驗證：燒錄 → 開序列埠 → 對 AHT20 哈一口氣，濕度應 3 秒內衝上 80%+，鬆手後緩慢回落——跳不動就是裝在乾燥艙外或共地不良
6. 試機定位：裝水加霧，出霧口朝上 45°，離桌面電子產品 1 公尺以上；24 小時後摸出霧口前方桌面，應完全乾燥

🔧 問題排除

🎯 進階延伸

• Home Assistant：把 sendTelegram() 換成 MQTT publish（Wi-Fi 現成），HA 端就能把濕度曲線接進自動化（例如濕度低於 40% 順手關窗型除濕機）
• 電池版：18650 + TP4056 + 升壓板，loop 改 light sleep + GPIO 喚醒，平均電流可壓到 3mA 以下（Wi-Fi 只在推播時開）
• 多房联控：每房一顆 C2 當純感測節點（深睡 30 分鐘醒一次報 MQTT），主機統一開關——感測點離人近、控制點離水近
• 溫補償顯示：AHT20 本體就有溫度欄，OLED 加顯示露點溫度——「離牆壁凝水還剩幾度」比濕度百分比直观得多

📦 檔案清單

smart-humidifier/
├── src/
│   └── smart-humidifier.ino   # ESP32-C2 程式碼（本頁完整程式）
├── stl/
│   ├── tank-body.stl          # 水箱主體（PETG）
│   ├── top-lid.stl            # 上蓋含乾燥艙（PETG）
│   ├── fog-guide.stl          # L 型霧道（PETG 透明）
│   ├── float-plate.stl        # 霧化片浮盤（PLA+TPU 墊）
│   └── panel.stl              # 控制面板
├── f3d/
│   └── smart-humidifier.f3d   # Fusion 360 原始檔
├── manual/
│   └── assembly.html          # 圖文組裝說明書
└── README.md                  # 說明文件