🔋 ESP32-C6 電動車充電安全哨兵 — 完整實作指南

📋 專案概述

天氣轉涼後，機車電池又開始下午沒電。我家那顆用了四年的鋰電池撐不過今年的寒流，換了組新電池＋附贈的「快速充電器」——说明书上那行小字我盯了十秒：「充電時請保持通風，遠離易燃物，請勿無人看管」。問題是：誰家充電不是無人看管？充電器插在玄關插座上，腳邊就是瑜珈墊、牛皮紙袋，以及每週五都會出現在那的紙箱——這不是恐嚇行銷，這是一場還沒發生的火。我認真去看了消防署的新聞稿：單一個鋰電池熱失控從冒煙到全燒，常常只有 60～90 秒，而第一陣煙比第一道火早了 2～5 分鐘。那 2～5 分鐘，就是本專案存在的全部理由。

市面上的選擇我全部想過一遍：

1. 社區共享充電柜：一度電加服务费实質上一學期就够回本一台本機，更重要的是它假設你永遠在樓下充電——但我的車進不了電梯、更進不了充電柜。
2. 定時插座：假設電池永遠從完全放電充到滿要恰好 6 小時。實際上從 40% 充到 98% 只要 1.5 小時，定時器讓它繼續 400mA 涓流到明天早上——這正是新聞裡「過充起火」的标准剧。
3. 工業充電柜＋七氟丙烷：对，那是答案，一萬五起。我一個公寓玄關不需要哈龍。

這台 ESP32-C6 充電哨兵把充電器插頭管成一段可稽核的流程：

• ACS712 電流窗：用交流電流判定「真的在充」還是「插著沒充」——涓流跌到 0.3A 以下維持 30 秒即認定充電完成，自動切斷輸出，把過充窗口直接關掉
• MQ-2 前置預警：充電期間煙霧／可燃氣體偵測分兩級——第一級先嗶 5 下＋Telegram 推播（預警期），第二級立即斷電＋連續爆嗶，把那 2～5 分鐘的煙預警換成人趕回家的時間
• 超溫斷電：C6 內建溫度sensor＋外置充電器表面 NTC，任一超過 65°C 直接切輸出（充電器燙手本身就是熱失控前兆之一）
• 8 小時硬上限：無論電流曲線多漂亮，充電超過 8 小時強制斷電並推播——軟體再聰明也要有保險絲
• 每次充電日報：開始／結束時間、耗電量（VAh 積分）、峰值溫度、有無警報事件，全部推播——一個學期下來你會比你老婆更了解那顆電池

帳目很單純：共享充電柜一年約 1,500～2,500 元、玄關火災保險理賠免賠額 30,000 元起、而本專案 640 元。它不保證不失火——它做的是把「無人看管的過充」從失火原因清單裡刪除，並在真的開始冒煙的頭幾秒內讓你知道。

為什麼選 ESP32-C6？

🧱 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

• 材質全場 PETG：這不是美觀件是安全件——PLA 的玻璃轉化溫度約 60°C，萬一充電器外殼真的高溫輻射到殼體，PLA 會先軟；PETG 撐到 75°C 以上且自熄性較好。能買到阻燃級（UL94 V-0 標稱）耗材更好
• 主殼四面通風柵：MQ-2 需要擴散對流才能「聞到」煙——密閉殼體裡的感測器是擺設；柵條縫 5mm（防手指、通煙）
• 採樣腔 0° 圓盤紋＋底部 6 入孔：煙比空氣重？錯——熱煙上升、冷煙貼地，玄關充電情境取離地 30cm 是兩者的平流層交集，腔體讓煙在感測頭周圍多留 0.5 秒
• SSR 座加散熱鰭片：SPC5821 在 2A 連續耗散約 1.6W，PETG 座背面貼 20mm 鋁散熱塊（列印件預留卡槽）

設計要點

1. 高低壓分艙：殼內一隔板，SSR 與 110V 端子台獨佔一艙（僅一條低壓信號線穿越），低壓艙走線再亂也亂不到強電側
2. MQ-2 恆溫預熱窗:感測頭下方挖 15mm 空隙，讓它呼吸——MQ-2 內建加熱絲本來就要 5V 常溫，悶住會讀到「自己的氣味」
3. ACS712 夾在進線正中央：穿孔固定夾讓火線垂直穿模組圓孔，線材歪斜會造成 ±2% 的耦合誤差——校準時也要以安裝後的姿態校
4. 燈條導光條沿殼底緣：從玄關一眼看到的是整條燈帶顏色而不是 8 顆燈珠——狀態語言要在 3 公尺外可讀

💻 程式碼

/* ============================================================
 *  ESP32-C6 電動車充電安全哨兵  |  EV Charge Sentry
 *  ------------------------------------------------------------
 *  功能：ACS712 電流窗判充電狀態 + MQ-2 二級煙霧預警（二級直接斷電）
 *        + NTC 超溫切斷 + 8 小時硬上限 + 每次充電日報（Telegram）
 *  硬體：ESP32-C6-DevKitM-1 + ACS712-20A(GPIO0) + MQ-2(GPIO2)
 *        + NTC10K(GPIO3) + SSR(GPIO10) + 蜂鳴器(GPIO11) + 燈條(GPIO7,8顆)
 *  供電：獨立 5V 火牛 → USB-C（與充電器不同插座，火燒不到哨兵）
 *  相依：Arduino core for ESP32 v3.x（板型 ESP32C6 Dev Module）/ Adafruit_NeoPixel
 *  安全模型：所有警報路徑「斷電優先於通知」——推播可能失敗，GPIO 不會。
 *  ============================================================ */

#include <WiFi.h>
#include <HTTPClient.h>
#include <time.h>
#include <Adafruit_NeoPixel.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";

/* ------------------------------------------------------------
 * 2. 腳位
 * ------------------------------------------------------------ */
const uint8_t PIN_ACS   = 0;   // ADC1_CH0：ACS712 OUT（唯一必須 ADC1 的通道）
const uint8_t PIN_MQ2   = 2;   // ADC1_CH2：MQ-2 AOUT
const uint8_t PIN_NTC   = 3;   // ADC1_CH3：NTC 分壓中點
const uint8_t PIN_SSR   = 10;  // 高=插座通電
const uint8_t PIN_BUZ   = 11;  // 高=叫
const uint8_t PIN_STRIP = 7;
const uint8_t STRIP_LEDS = 8;

/* ------------------------------------------------------------
 * 3. 判準參數（以 48V/2A 充電器 + 玄關 26°C 環境調過）
 * ------------------------------------------------------------ */
const float   ACS_ZERO      = 2.470;  // 出廠是 2.500V——實際零點校準後覆寫這個值
const float   ACS_SENS      = 0.100;  // 20A 版：100mV/A
const float   I_START       = 0.8;    // >0.8A 且穩定 5 秒 ＝ 開始充電
const float   I_STOP        = 0.3;    // <0.3A 穩定 30 秒 ＝ 充電完成
const uint32_t CHARGE_LIMIT_MS = 8UL*3600000;  // 8 小時硬上限（保險絲邏輯）
const float   TEMP_CUTOFF   = 65.0;   // NTC 表面溫度切斷線
const uint16_t MQ2_ALARM1  = 60;      // 預警增量（ADC 原始值，高於校準零點）
const uint16_t MQ2_ALARM2  = 150;     // 斷電增量（≈明火前 2 分鐘的顆粒濃度）

/* ------------------------------------------------------------
 * 4. 全域狀態
 * ------------------------------------------------------------ */
enum Sentry { STATE_IDLE, STATE_CHARGING, STATE_ALARM1, STATE_ALARM2 };
Sentry state = STATE_IDLE;
uint32_t chargeStartMs = 0, idleSinceMs = 0, stateSinceMs = 0;
uint16_t mq2Zero = 0;                 // 上電 6 秒校準的 MQ-2 零點
float    ampsNow = 0, ntcNow = 0;
float    vahAcc = 0;                  // 本次充電 VAh 積分
float    peakTemp = 0;
bool     outputOn = false;            // SSR 實際狀態（≠ 允許充電：警報會切輸出但狀態留在充電中）
uint32_t lastRmsMs = 0, lastSlowMs = 0, lastBlinkMs = 0, lastPushMs = 0;
uint8_t  rmsSamples = 0; float rmsAccum = 0;
float    instPeak = 0;                // 320ms 窗內峰值，再對 5 秒做滑動
uint32_t chargeStartWall = 0;         // 墙上時間（日報用）
char     report[260];

Adafruit_NeoPixel strip(STRIP_LEDS, PIN_STRIP, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

/* ------------------------------------------------------------
 * readAmps —— 半週期取樣算 RMS
 *   16 點/週 × 2 週 ≈ 320ms：交流 60Hz 下「一次 reading」毫無意義，
 *   不取 RMS 的話 0.8A 門檻會被 50Hz 過零線打得亂跳
 *   回傳：本次 320ms 窗的等效電流（A）
 * ------------------------------------------------------------ */
float readAmps() {
  float sumSq = 0;
  for (int i = 0; i < 32; i++) {
    float v = analogReadMilliVolts(PIN_ACS) / 1000.0;
    sumSq += (v - ACS_ZERO) * (v - ACS_ZERO);
    delayMicroseconds(5200);           // 60Hz 半週 8.3ms，5.2ms ≈ 1/6 週期步距
  }
  return sqrtf(sumSq / 32.0) / (ACS_SENS * 1000.0) * 1.4142 / 1.0; // 平均值→約 RMS（正弦近似）
}

/* ------------------------------------------------------------
 * readNTC —— B 值換算
 *   NTC 對數曲線只在常用區間近似線性，B 值式才是正解
 *   回傳：攝氏溫度
 * ------------------------------------------------------------ */
float readNTC() {
  float v = analogReadMilliVolts(PIN_NTC);
  if (v < 30) return 999;               // 探頭脫落（拉到 0mV）＝故障安全側：視為高溫
  if (v > 3250) return -99;             // 探頭斷線（拉到 3V3）
  float r = 10000.0 * v / (3300.0 - v); // 10K 上拉、NTC 下分壓
  return 1.0 / (logf(r / 10000.0) / 3950.0 + 1.0 / 298.15) - 273.15; // B=3950
}

/* ------------------------------------------------------------
 * setOutput —— 輸出級（唯一動 SSR 的出入口）
 *   參數：on 通電與否；reason 寫入序列日誌（事後稽核用）
 *   為什麼包函式：警報路徑手滑直接 digitalWrite 繞過日誌 = 事後查無原因
 * ------------------------------------------------------------ */
void setOutput(bool on, const char* reason) {
  if (on == outputOn) return;
  outputOn = on;
  digitalWrite(PIN_SSR, on ? HIGH : LOW);
  Serial.printf("[OUT] %s（%s）\r\n", on ? "ON " : "OFF", reason);
}

/* ------------------------------------------------------------
 * alarmHandler —— 二級警報：先斷電、再通知、無限爆嗶直到人工復歸
 *   為什麼「先斷再報」：HTTPS 握手的 300ms 裡火可能已經著了
 * ------------------------------------------------------------ */
void alarmHandler(byte level) {
  if (level >= 2 && state != STATE_ALARM2) {
    state = STATE_ALARM2; stateSinceMs = millis();
    setOutput(false, "MQ-2 二級警報");
    sendTelegram("🔥 充電哨兵【二級警報】偵測到濃煙，輸出已切斷！請立即查看玄關！");
  } else if (level == 1 && state == STATE_CHARGING) {
    state = STATE_ALARM1; stateSinceMs = millis();
    sendTelegram("⚠️ 充電哨兵預警：偵測到氣體／煙霧前兆，請查看充電器與電池。");
  }
}

/* ------------------------------------------------------------
 * sendTelegram —— 警報與日報推播（HTTP over Wi-Fi；失敗由呼叫端重試）
 *   注意：警報等級的訊息會以 60 秒間隔重試直到送達（見 loop 末段）
 * ------------------------------------------------------------ */
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();
  return st == 200;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(PIN_SSR, OUTPUT); pinMode(PIN_BUZ, OUTPUT);
  digitalWrite(PIN_SSR, LOW);          // 開機安全側：先斷輸出再說任何話
  digitalWrite(PIN_BUZ, LOW);
  analogSetPinAttenuation(PIN_ACS, ADC_11db);  // 0~3.3V 全量程
  strip.begin(); strip.clear(); strip.show();

  /* MQ-2 零點校準：加熱絲穩定需數秒，上電先讀 6 秒取中位數當零點
     （真正的老化校準是連續通電 24 小時後重跑一次——見問題排除） */
  Serial.print("MQ-2 零點校準");
  uint16_t buf[40];
  for (int i = 0; i < 40; i++) { buf[i] = analogRead(PIN_MQ2); delay(150); Serial.print("."); }
  // 簡易排序取中位數（泡沫濾除感測器冷啟的跳動值）
  for (int i = 0; i < 40; i++) for (int j = i + 1; j < 40; j++)
    if (buf[j] < buf[i]) { uint16_t t = buf[i]; buf[i] = buf[j]; buf[j] = t; }
  mq2Zero = buf[20];
  Serial.printf(" 零點=%u\r\n", mq2Zero);

  configTzTime("CST-8", "pool.ntp.org", "time.google.com");
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD);
  Serial.print("連線 Wi-Fi");
  for (int i = 0; i < 40 && WiFi.status() != WL_CONNECTED; i++) { delay(500); Serial.print("."); }
  Serial.println(WiFi.status() == WL_CONNECTED ? " OK" : " 失敗（將持續重試；警報不受影響）");
  snprintf(report, sizeof(report), "充電哨兵上線｜MQ2 零點 %u｜按狀態燈色確認", mq2Zero);
  sendTelegram(report);
}

void loop() {
  uint32_t now = millis();
  int mq2Delta = analogRead(PIN_MQ2) - mq2Zero;   // 主迴路每圈都聞：警報延遲 < 一圈
  ntcNow = readNTC();
  if (ntcNow > peakTemp) peakTemp = ntcNow;

  /* --- 1. 警報優先級：任何時刻，MQ2 二級或超溫立即切輸出 --- */
  if (state == STATE_ALARM2) {
    digitalWrite(PIN_BUZ, (now / 120) % 2);       // 120ms 爆嗶直到人工復歸（重開機）
    if (now - lastPushMs > 60000) { lastPushMs = now; sendTelegram(report); }
    strip.fill(strip.Color(255, (now / 120 % 2) * 60, 0)); strip.show();
    return;                                        // 二級狀態不回應任何狀態機邏輯
  }
  if (ntcNow > TEMP_CUTOFF && state != STATE_IDLE) {
    setOutput(false, "NTC 超溫切斷");
    snprintf(report, sizeof(report), "⚠️ 充電中斷：充電器表面 %.0f°C 超過 %.0f°C，輸出已切。", ntcNow, TEMP_CUTOFF);
    sendTelegram(report);
    state = STATE_ALARM1; stateSinceMs = now;
  }
  if (mq2Delta >= MQ2_ALARM2) alarmHandler(2);
  else if (mq2Delta >= MQ2_ALARM1) alarmHandler(1);

  /* --- 2. 電流窗：每 320ms 一個 RMS 樣本 --- */
  if (now - lastRmsMs >= 320) { lastRmsMs = now; ampsNow = readAmps(); }

  /* --- 3. 狀態機（1 秒節流） --- */
  if (now - lastSlowMs >= 1000) {
    lastSlowMs = now;
    switch (state) {
      case STATE_IDLE:
        if (ampsNow > I_START) {
          static uint32_t overSince = 0;
          if (overSince == 0) overSince = now;
          if (now - overSince >= 5000) {          // 連續 5 秒 >0.8A ＝ 真的在充
            overSince = 0;
            state = STATE_CHARGING; stateSinceMs = now;
            chargeStartMs = now; chargeStartWall = (uint32_t)time(nullptr);
            vahAcc = 0; peakTemp = ntcNow;
            setOutput(true, "偵測到充電電流");   // 正常路徑輸出本該是通的，這裡是防禦性重宣示
            snprintf(report, sizeof(report), "🔌 開始充電｜%.2fA｜表面 %.0f°C", ampsNow, ntcNow);
            sendTelegram(report);
          }
        } else stateSinceMs = now;
        break;

      case STATE_CHARGING:
        if (ampsNow < I_STOP) {
          if (idleSinceMs == 0) idleSinceMs = now;
          if (now - idleSinceMs >= 30000) {       // 涓流跌平 30 秒 ＝ 充滿
            state = STATE_IDLE; idleSinceMs = 0;
            snprintf(report, sizeof(report),
              "✅ 充電完成｜耗 %.1f Wh｜峰值 %.0f°C｜自動斷電避免過充", vahAcc, peakTemp);
            sendTelegram(report);
          }
        } else idleSinceMs = 0;
        if (now - chargeStartMs > CHARGE_LIMIT_MS) {   // 8 小時保險絲
          state = STATE_ALARM1; stateSinceMs = now;
          setOutput(false, "8 小時硬上限");
          snprintf(report, sizeof(report), "🛑 充電超過 8 小時仍未完成（%.1fWh），已強制斷電——請檢查電池健康度", vahAcc);
          sendTelegram(report);
        }
        if (state == STATE_CHARGING && WiFi.status() == WL_CONNECTED)
          vahAcc += 110.0 * ampsNow / 3600.0;     // 1 秒積一分：W×s→Wh（以 110V 名值近似 PF=1）
        break;

      case STATE_ALARM1:                          // 預警態：輸出切著，人工復歸=重開機或按殼側復歸鍵（進階版）
        if (mq2Delta < MQ2_ALARM1 / 2 && now - stateSinceMs > 600000) {
          state = STATE_IDLE; stateSinceMs = now; // 10 分鐘煙散且逾 10 分鐘：自動回待機（不自動復電）
          sendTelegram("🌬 濃度已降回安全區。輸出維持關閉，確認安全後請手動重啟裝置。");
        }
        break;

      case STATE_ALARM2: break;                   // 於上方優先段處理
    }
  }

  /* --- 4. 輸出守則：非充電態不允許通電（警報／待機都切） --- */
  if (state == STATE_ALARM1 && outputOn) setOutput(false, "預警態禁止輸出");

  /* --- 5. 狀態燈與蜂鳴（燈：3 公尺可讀；嗶：僅預警 5 下） --- */
  if (now - lastBlinkMs >= 30) {
    lastBlinkMs = now;
    uint32_t c; uint8_t n = STRIP_LEDS;
    strip.clear();
    switch (state) {
      case STATE_IDLE:     c = strip.Color(18, 18, 22); strip.fill(c, 0, n); break;
      case STATE_CHARGING: {                       // 呼吸跑馬：8 顆輪走＝「電正在進去」
        uint8_t head = (now / 90) % n;
        for (uint8_t i = 0; i < n; i++)
          strip.setPixel(i == head ? 0 : (i == (head + n - 1) % n ? 1 : 2),
                         i == head ? 120 : 50, i == head ? 60 : 20);
        break; }
      case STATE_ALARM1:   c = strip.Color(255, (now / 200 % 2) * 120, 0); strip.fill(c, 0, n);
                           static bool beeped = false;
                           if (!beeped) { for (int i = 0; i < 5; i++) { digitalWrite(PIN_BUZ, HIGH); delay(160); digitalWrite(PIN_BUZ, LOW); delay(160); } beeped = true; }
                           if (state == STATE_IDLE || state == STATE_CHARGING) beeped = false;
                           break;
      default:             strip.fill(strip.Color(40, 40, 40), 0, n);
    }
    strip.show();
  }

  /* --- 6. Wi-Fi 自癒（2 分鐘重試；警報不等 Wi-Fi） --- */
  static uint32_t lastWifiTry = 0;
  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED && now - lastWifiTry > 120000) {
    lastWifiTry = now; WiFi.reconnect();
  }
}

🏗️ 組裝步驟

1. MQ-2 先熟成 24 小時再校準：出廠的 MQ-2 加熱絲需要第一次連續通電 24 小時老化，零點才會穩。跳過這步，你的零點校準值會在一週內慢慢漂移，然後某一天燻一根蚊香它裝死
2. 強電改延長線（唯一步驟）：拿一條現成 3 孔延長線剪開中段，火線走 SSR、中性與地走端子台直連；全部接點進阻燃盒、盒蓋鎖平再通電。不碰牆壁插座、不改家裡的固定配線——這台裝置拔掉，你家就恢復原樣，這是公寓住户的修車道德
3. ACS712 穿孔方向：延長線火線垂直穿過模組圓孔（P 端朝插座側）。穿反不會壞，但電流符號相反——好在 RMS 運算取平方，方向只影響你日後的直流擴展
4. 感測器擺位：MQ-2 吸煙口朝下離地 30cm 壁裝（玄關平面流層）；NTC 用鋁帶綁在充電器散熱格外殼（貼金屬面、別貼塑膠外殼空腔）
5. 三情境驗證：①接手機充電器（<0.8A）確認「不會誤判充電」；②接充電池看呼吸燈與推播；③充滿後（或手動拔載具）30 秒內自動斷電。三題全過才算完成

🔧 問題排除

🎯 進階延伸

• 搬上 Thread：C6 的 802.15.4 開邊界router／節點模式，用 OpenThread 把警報接進 Home Assistant——玄關沒 Wi-Fi 訊號的最終解，也是 Matter 生態的門票；協定堆疊請參考 ESP-IDF 的 openthread 範例
• 復歸按鍵：殼側加一顆防水微動（GPIO1，上拉），警報解除不再靠拔拔插插——但復歸只清狀態、不自動復電，復電仍要長按 3 秒確認，誤觸防護
• 真·功率積分：ACS712 只量電流，VAh 以 110V 名值近似；要真瓦時數換扎 ZMPT101B 電壓模組＋同相同步取樣算 PF——日報的「耗 Wh」從近似變計量級
• 多車版：C6 剩餘 GPIO 還有 5 根，加一顆 2 路 SSR 模組管兩台充電器，ACS712 兩顆——電流窗邏輯完全複用

📦 檔案清單

ev-charge-sentry/
├── src/
│   └── charge-sentry.ino      # ESP32-C6 程式碼（本頁完整程式）
├── stl/
│   ├── sentry-shell.stl       # 主殼（PETG 通風柵版）
│   ├── mq2-chamber.stl        # MQ-2 採樣腔
│   ├── acs-clip.stl           # ACS712 穿孔固定夾
│   ├── ssr-heatsink-cover.stl # SSR 散熱座＋阻燃盒蓋
│   ├── wall-mount.stl         # 壁裝支架（離地 30cm）
│   └── light-diffuser.stl     # 燈條導光條
├── f3d/
│   └── charge-sentry.f3d      # Fusion 360 原始檔
├── manual/
│   └── assembly.html          # 圖文組裝說明書
└── README.md                  # 說明文件