🚿 ESP32-S3 浴室潮氣哨兵 — 完整實作指南

📋 專案概述

去年秋天我打開浴室燈，天花板角落那一片蜘蛛網狀的黑黴第一次讓我認真計算一件事：台灣一間標準衛浴除黴＋磁磚縫重新拷膠的行情是 3,000～8,000 元，而整件事的起因只是「排風扇有人記得開、沒人記得關」。洗澡後鏡面起霧只是表象——真正的傷害是牆面與矽利康在 75～95% 相對濕度裡泡的那兩三個鐘頭，黴變反應在这个區間跑得最歡。

市售方案我用了兩套，都翻車：

1. 濕度感應排風模組（600～900 元）：邏輯是「濕度超標→轉、到達→停」。問題在於它完全不知道人在不在——泡澡時濕度爬到最高點、也是你最需要排風的時刻，它常常剛好選擇停機休息；而且它只看當下濕度，回南天那種 68% 悶整天的「不超標但一直在發黴」狀態，它完全無感。
2. 定時插座：洗澡時間從來不準時，本質上是賭博。

這個專案用 ESP32-S3 + 毫米波雷達 + 高精度濕度計，把排風扇交給三個互相兜底的判據：

• 人在就轉：LD2410 毫米波抓到移動（淋浴的小動作也算），人進去 2 秒內排風啟動，不用等濕度慢慢爬
• 濕度滯回：RH ≥75% 強制排、一路降到 60% 才停——停在 70% 以下，是把牆面帶離黴變甜蜜點，不是「感覺乾了」就好
• 後吹乾燥 12 分鐘：人離開後再多轉 12 分鐘趕走牆面殘留水汽——這 12 分鐘是整台裝置的價值核心，市售款最捨不得給的就是它
• 潮浸積分日報：每天累計「RH>70% 秒數」，超過門檻就 Telegram 提醒你開除濕／開窗，把「會不會發黴」變成一個可以被管理的數字
• WS2812 環燈語言：青色呼吸＝除濕中、綠＝有人在、藍＝乾燥安全、紅＝潮浸超標；夜間自動滅燈

成本帳：一台濕度感应排風模組 600～900 元、外加除黴工班 3,000 元起跳；本專案 613 元，而且韌體在你手上——滯回區間、後吹時間、日報文案，全是可以改一行的事。

為什麼選 ESP32-S3？

🧱 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：浴室頂部環境溫不超过 40°C，PLA 足夠；但鎖孔與受潮環境的 86 鎖套用 PETG——PLA 長期高濕環境會吸濕變韌變脆反覆交替，受力件不賭
• 面蓋用 0° 圓盤紋（concentric）列印：直線紋的縫隙會讓水氣直進 SHT40 進氣縫，圓盤紋把擴散路徑變成迷宮
• 層厚：主殼 0.2、面蓋 0.16 加四層實心頂（雷達窗 1.6mm 厚度對 24GHz 衰減約 0.8dB，實測比 ABS 好透波）
• 進氣縫 4×1mm ×6 條：SHT40 感測窗正下方，縫口朝下防淋浴水簾

設計要點

1. 雷達窗正對淋浴區：面蓋上無開孔（防水），24GHz 直接穿 1.6mm PLA；LD2410 天線面貼窗內側，外殼-metal 件（螺絲）離天線 10mm 以上
2. 散熱欄柵朝下＋滴水彎道：殼體進出氣走 L 形迷宮，淋浴水霧進不來、SHT40 讀的是被動擴散的室溫濕度而不是淋到的水
3. 電路板豎插導槽：DevKitC-1 長邊插進導槽再鎖兩顆 M3，检修時整片「抽屜式」抽出，不用拆殼翻線
4. 環燈導光圈懸浮卡裝：燈環貼圈內側、圈卡進面蓋凹槽——狀態燈從整個面蓋透出，看不出有任何 LED 顆粒

💻 程式碼

/* ============================================================
 *  ESP32-S3 浴室潮氣哨兵  |  Bathroom Moisture Guard
 *  ------------------------------------------------------------
 *  功能：毫米波人在即排風 + SHT40 濕度滯回 + 後吹乾燥 12 分
 *        + 潮浸積分日報（Telegram）+ WS2812 狀態環燈
 *  硬體：ESP32-S3 DevKitC-1 + LD2410(OUT=GPIO7) + SHT40(GPIO8/9)
 *        + 過零SSR(GPIO15) + WS2812環燈(GPIO48, 49顆)
 *  供電：燈座降壓 5V → USB-C（恆供電，無深睡）
 *  相依：Arduino core for ESP32 v3.x / Adafruit_SHT4X / Adafruit_NeoPixel
 *  設計核心：發黴的充分條件是「濕度停留時間」，不是瞬間峰值——
 *        所以本機同时管「現在」（三判據排風）與「昨天」（潮浸積分）。
 *  ============================================================ */

#include <WiFi.h>
#include <HTTPClient.h>
#include <time.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_SHT4X.h>
#include <Adafruit_NeoPixel.h>

/* ------------------------------------------------------------
 * 1. 使用者設定區
 * ------------------------------------------------------------ */
const char* WIFI_SSID     = "YOUR_WIFI_SSID";       // 僅 2.4GHz
const char* WIFI_PASSWORD = "YOUR_WIFI_PASSWORD";
const char* TG_BOT_TOKEN  = "YOUR_BOT_TOKEN";
const char* TG_CHAT_ID    = "YOUR_CHAT_ID";

/* ------------------------------------------------------------
 * 2. 腳位
 * ------------------------------------------------------------ */
const uint8_t PIN_RADAR   = 7;    // LD2410 OUT（移動=HIGH）
const uint8_t PIN_SSR     = 15;   // 高=風扇轉（過零 SSR）
const uint8_t PIN_RING    = 48;   // WS2812 DIN
const uint8_t RING_LEDS   = 49;

/* ------------------------------------------------------------
 * 3. 控制參數（全部經一個雨季實測調過）
 *    滯回上下限：75 轉 / 60 停。停在 70 是發黴甜蜜區，要停就停穿它
 * ------------------------------------------------------------ */
const float    RH_FORCE_ON   = 75.0;    // 絕對濕度門檻（有人與否都轉）
const float    RH_STOP       = 60.0;    // 降到此值才允許停機
const float    SHOWER_RATE   = 4.0;     // 10 分鐘升 4%RH ＝「有人在洗澡」
const float    SOAK_RH       = 70.0;    // 潮浸積分計時門檻
const uint16_t SOAK_ALERT_MIN = 90;     // 昨日潮浸超此分鐘數 → 建議除濕
const uint32_t HOLD_MS     = 8UL*60000; // 雷達最後動作後的「還在裡」推定
const uint32_t PURGE_MS    = 12UL*60000;// 人走後的後吹乾燥
const uint32_t MIN_ON_MS   = 5UL*60000; // 最短運轉（保護電機、排透牆面）
const uint32_t MIN_OFF_MS  = 10UL*60000;// 最短停機（防頻繁啟停）
const uint8_t  DARK_START  = 22, DARK_END = 7; // 環燈夜間滅燈時段

/* ------------------------------------------------------------
 * 4. 全域物件與狀態
 * ------------------------------------------------------------ */
Adafruit_SHT4X sht40 = Adafruit_SHT4X();
Adafruit_NeoPixel ring(RING_LEDS, PIN_RING, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

float    rhNow = 0, tNow = 0;
uint32_t lastMotionMs = 0, lastShowerMs = 0;
bool     fanOn = false;
uint32_t fanSinceMs = 0, lastFanToggleMs = 0, purgeUntilMs = 0;
uint32_t soakSecToday = 0;              // 今日 RH>70% 累計秒
float    rhMinDay = 100, rhMaxDay = 0;
uint16_t fanMinToday = 0;               // 今日排風分鐘（整分累加）
bool     soakAlerted = false;           // 今日已提醒過（每日只洗版一次）
uint32_t lastSecMs = 0, lastMinuteMs = 0, lastSampleMs = 0;
bool     yesterdayDone = true;          // 跨日後待發日報旗標
char     dayStats[220] = "";

/* 10 分鐘濕度趨勢環形緩衝：30 秒一格 × 20 格
 * 為什麼要趨勢：雷達偶尔漏掉「淋浴中靜止」的人，濕度陡升不會說謊 */
float    humRing[20]; uint8_t humIdx = 0; bool humRingFull = false;

/* ------------------------------------------------------------
 * sendTelegram —— Telegram 推播（失敗不重試：日报错过比洗版討厭，
 *   但推播失敗代表斷網，下小時狀態循環會自己補上重要性更高的警訊）
 *   參數：msg 訊息本文；回傳：HTTP 200 與否
 * ------------------------------------------------------------ */
bool sendTelegram(const String& msg) {
  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) return false;
  HTTPClient http;
  http.begin(String("https://api.telegram.org/bot") + TG_BOT_TOKEN + "/sendMessage");
  http.addHeader("Content-Type", "application/json");
  String json = String("{\"chat_id\":\"") + TG_CHAT_ID +
                "\",\"text\":\"" + msg + "\"}";
  int st = http.POST(json);
  http.end();                            // HTTPS 資源必釋（避免堆積）
  return st == 200;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * readSensors —— 讀 SHT40 並更新潮積日統計
 *   SHT40 I2C 讀取 <1ms，每 2 秒一讀對匯流排毫無壓力
 * ------------------------------------------------------------ */
void readSensors() {
  sensors_event_t hum, temp;
  if (!sht40.getEvent(&hum, &temp)) return;   // 感測器失聯：保留舊值繼續控制
  rhNow = hum.relative_humidity;
  tNow  = temp.temperature;
  if (rhNow < rhMinDay) rhMinDay = rhNow;
  if (rhNow > rhMaxDay) rhMaxDay = rhNow;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * trendTick —— 每 30 秒存一格濕度，並偵測「洗澡斜率」
 *   回傳：是否刚侦測到洗澡事件（10 分鐘升 >4%RH）
 * ------------------------------------------------------------ */
bool trendTick() {
  bool shower = false;
  float old = humRing[humIdx];             // 寫入前先取「10 分鐘前」那格
  humRing[humIdx] = rhNow;
  humIdx = (humIdx + 1) % 20;
  if (humIdx == 0) humRingFull = true;
  if (humRingFull && old > 0 && (rhNow - old) >= SHOWER_RATE && rhNow > 60)
    shower = true;                          // 陡升且已進入潮區＝熱水正在流
  return shower;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * wantFan —— 三判據決定「想不想轉」（不考慮最短鎖）
 *   A 雷達推定在場 B 洗澡斜率推定 C 絕對濕度
 *   停機則用滯回：轉起來就要一路降到 RH_STOP 才罷休
 * ------------------------------------------------------------ */
bool wantFan() {
  bool presence = (millis() - lastMotionMs) < HOLD_MS;
  bool shower   = (millis() - lastShowerMs)  < HOLD_MS;
  bool force    = rhNow >= RH_FORCE_ON;
  if (presence || shower || force) return true;
  return fanOn && rhNow > RH_STOP;          // 停機滯回（轉著未達乾目標不松手）
}

/* ------------------------------------------------------------
 * fanControl —— 帶最短啟停鎖與後吹乾燥的輸出級
 *   為什麼要 purge：人離開≠牆面乾了，淋浴水霧在磁磚縫的毛細水
 *   還要再蒸發十幾分鐘，這才是黴能吃到的飯
 * ------------------------------------------------------------ */
void fanControl(bool want) {
  uint32_t now = millis();
  if (want && !fanOn) {
    if (now - lastFanToggleMs >= MIN_OFF_MS) {   // 停機鎖未滿：再等一下
      fanOn = true; fanSinceMs = now; lastFanToggleMs = now;
      digitalWrite(PIN_SSR, HIGH);
      Serial.println("[FAN] ON");
    }
  } else if (!want && fanOn) {
    if (now - fanSinceMs < PURGE_MS) return;     // 後吹乾燥未滿：轉著
    if (now - lastFanToggleMs >= MIN_ON_MS) {    // 運轉鎖未滿：轉著
      fanOn = false; lastFanToggleMs = now;
      purgeUntilMs = now;
      digitalWrite(PIN_SSR, LOW);
      Serial.println("[FAN] OFF");
    }
  }
}

/* ------------------------------------------------------------
 * lightEffect —— 環燈語言（20ms 刷新）
 *   青呼吸=除濕中 綠=有人在 藍慢脈衝=乾燥 紅=潮浸超標
 *   夜間時段全滅：浴室半夜不該有燈，感測器不靠看
 * ------------------------------------------------------------ */
void lightEffect() {
  struct tm t; bool dark = false;
  if (getLocalTime(&t, 10))
    dark = (t.tm_hour >= DARK_START || t.tm_hour < DARK_END);
  if (dark) { ring.clear(); ring.show(); return; }

  bool presence = (millis() - lastMotionMs) < HOLD_MS;
  uint8_t breath = 90 + 80 * sinf(millis() / 700.0f);
  uint32_t c;
  if (!soakAlerted && presence)        c = ring.Color(0, breath, 0);
  else if (fanOn)                      c = ring.Color(0, breath, breath);
  else if (soakAlerted || rhNow > 80)  c = ring.Color(breath, 0, 0);
  else                                 c = ring.Color(0, 0, breath / 2 + 30);
  ring.fill(c);
  ring.show();
}

/* ------------------------------------------------------------
 * dayTick —— 每日 00:01 結算昨日、07:50 發日報
 *   沒有 NTP 同步前不結算（沒時間就沒有「昨天」）
 * ------------------------------------------------------------ */
void dayTick() {
  static uint8_t lastHour = 99;
  struct tm t;
  if (!getLocalTime(&t, 10)) return;
  if (lastHour == 23 && t.tm_hour == 0) {          // 跨日結算
    snprintf(dayStats, sizeof(dayStats),
      "📅 浴室日報｜濕度 %.0f~%.0f%%｜潮浸 %lu 分｜排風 %u 分",
      rhMinDay, rhMaxDay, soakSecToday / 60, fanMinToday);
    yesterdayDone = false;
    if (soakSecToday / 60 > SOAK_ALERT_MIN) soakAlerted = true;  // 今天亮紅燈
    rhMinDay = 100; rhMaxDay = 0; soakSecToday = 0; fanMinToday = 0;
  }
  lastHour = t.tm_hour;
  if (!yesterdayDone && t.tm_hour == 7 && t.tm_min >= 50) {
    sendTelegram(String(dayStats) +
      (soakAlerted ? "\n⚠️ 潮浸超標，建議開除濕機或開窗通風半日" : "\n✅ 狀態良好，繼續保持"));
    yesterdayDone = true;
    soakAlerted = false;                            // 新的一天重新觀察
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(PIN_RADAR, INPUT_PULLUP);      // LD2410 OUT 推挽輸出，上拉無害防悬空
  pinMode(PIN_SSR, OUTPUT);
  digitalWrite(PIN_SSR, LOW);            // 開機預設停機（安全側）
  ring.begin(); ring.clear(); ring.show();

  Wire.begin();
  if (!sht40.begin()) Serial.println("[SHT40] 未回應，以預設值續跑");
  sht40.setSpeed(SHT4X_HIGH_SPEED);
  sht40.setResolution(SHT4X_HIGH_RES);

  configTzTime("CST-8", "pool.ntp.org", "time.google.com"); // POSIX 的時區寫法：CST-8
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD);
  Serial.print("連線 Wi-Fi");
  for (int i = 0; i < 60 && WiFi.status() != WL_CONNECTED; i++) { delay(500); Serial.print("."); }
  Serial.println(WiFi.status() == WL_CONNECTED ? " OK" : " 失敗，將持續重試");
}

void loop() {
  delay(20);
  uint32_t now = millis();

  /* --- 1. 秒級：雷達 + 控制 --- */
  if (now - lastSecMs >= 1000) {
    lastSecMs = now;
    if (digitalRead(PIN_RADAR) == HIGH) lastMotionMs = now;
    if (WiFi.status() != WL_CONNECTED && now % 30000 == 0) WiFi.reconnect();
    fanControl(wantFan());
    if (fanOn) { /* 分鐘統計在下面 lastMinuteMs */ }
  }

  /* --- 2. 兩秒：濕度取樣 --- */
  if (now - lastSampleMs >= 2000) {
    lastSampleMs = now;
    readSensors();
    if (rhNow > SOAK_RH) soakSecToday++;   // 潮積秒計（1Hz 與取樣同週期，誤差 <2s）
    Serial.printf("RH %.1f%% T %.1fC fan=%d presence=%d\r\n",
      rhNow, tNow, fanOn, digitalRead(PIN_RADAR));
  }

  /* --- 3. 30 秒：趨勢環 + 洗澡偵測；60 秒：排風分鐘累計 --- */
  if (now - lastSecMs >= 1000 && (now / 1000) % 30 == 0) {
    if (trendTick()) { lastShowerMs = now; Serial.println("[SHOWER] 濕度斜率判定了一个人"); }
  }
  if (now - lastMinuteMs >= 60000) { lastMinuteMs = now; if (fanOn) fanMinToday++; }

  /* --- 4. 環燈與日報 --- */
  lightEffect();
  static uint32_t lastDayMs = 0;
  if (now - lastDayMs >= 60000) { lastDayMs = now; dayTick(); }
}

🏗️ 組裝步驟

1. 先驗雷達再封殼：tmp 版韌體先跑「雷達 LED 直读」——LD2410 板載指示燈閃爍對應 OUT，站在預裝位置模仿洗澡小動作，確認 3 公尺內穩定觸發才鑽孔
2. 強電交給安全流程：斷電→驗電→SSR 串火線→阻燃盒鎖閉→通電→用電燈測試開關。風扇接回前，SSR 端絕對絕緣膠布暫封
3. 感測器位置：雷達窗對淋浴區中心（別對著窗戶，窗外樹枝搖曳會誤報）；SHT40 進氣縫朝下、離門縫對流路徑 30cm 以內，讀的是「浴室的濕度」而不是「殼裡的濕度」
4. 封殼前整機測試：熱水放 5 分鐘對照手機濕度計（偏差 <5% 合格）、人進出看環燈與 Telegram、把 RH_FORCE_ON 暫時改成 40 驗證 SSR 開關與風扇
5. 上線觀察 48 小時：看日報數字與你對浴室的直覺是否吻合，再微調滯回參數重燒

🔧 問題排除

🎯 進階延伸

• LD2410 UART 深用水區：並上 TX/RX（GPIO17/18）後可用官方協定讀「微動能量值」，把「淋浴中靜止」與「洗澡後靜止」分開——OUT 腳方案的天花板，協定解析請參考 ESPHome 的 ld2410 元件原始碼
• 攝像頭黴斑比對：S3 攝像頭併口接 OV2640，每週拍一次角落，用影像差異當「黴變面積」長期指標——本專案換主板之外的硬體都不用動
• 聯動除濕機：IR 發射模組（GPIO 一條線）讓潮浸超標時自動開除濕機 2 小時，把「建議」變成「執行」
• 多浴室版：一台 S3 掃兩組 SHT40 + 兩路 SSR（GPIO 還剩一大把），雙衛浴共用一個日報

📦 檔案清單

bathroom-moisture-guard/
├── src/
│   └── moisture-guard.ino     # ESP32-S3 程式碼（本頁完整程式）
├── stl/
│   ├── guard-shell.stl        # 防滴主殼（PLA）
│   ├── face-cover.stl         # 透波面蓋（圓盤紋）
│   ├── ring-diffuser.stl      # 環燈導光圈
│   ├── wall-clip.stl          # 86 盒適配鎖套（PETG）
│   └── ssr-cover.stl          # SSR 阻燃盒適配蓋（PETG）
├── f3d/
│   └── moisture-guard.f3d     # Fusion 360 原始檔
├── manual/
│   └── assembly.html          # 圖文組裝說明書
└── README.md                  # 說明文件