🚨 ESP32-C3 床頭地震警報塔 — 完整實作指南

📋 專案概述

0403 那個星期五，我在台北睡得比想像中沉。把我拉起來的不是搖晃——是自己在黑暗裡被書架推倒的椅子撞醒的。事後我躺在還微微發暈的床上想了一件很可怕的事：我的身體比警報系統先知道地震，但我的意識晚了它整整幾秒，而「幾秒」在強震裡是以「來不來得及把女兒從床邊抱開」計時的。手機的強震即時警報後來也響了，屏幕在床頭櫃上亮著，而我花了三秒才理解那串 nationally 統一的字在叫什麼。真正的窗口在 P 波：縱波先到、橫波隨後，本市距震中 100 公里以內時，兩者之間大約 5～20 秒。這 5～20 秒足夠關火、開門、鑽桌下、把孩子拉離窗邊——前提是有個東西在那幾秒內替你清醒。

市售方案我全部摸過一遍：

1. 日本地震警報燈（地震予知ウォッチ那一類）：2,000 元有找，只吃 100V、日文語音、感測門檻封死不能調。放在台北的鋼筋混凝土樓房裡，它聽的是牆、不是地板。
2. 手機會員推送：它假設你睡著時把手機壓在枕頭下且音量全開——我睡覺飛彈來了都不翻身，別測試我的睡眠品質。
3. 「強震即時警報本來就免費，你还要什麼」：要的是本地、即時、不經手機的觸發。中央氣象署的警報是「已經確定要來了才發」；自己床頭的地震儀是「地板一抖我就知道」，兩者差的那一段，正是本專案。

這台 ESP32-C3 床頭警報塔做的事：

• 壓電陶瓷片＝最廉價的寬頻地震儀：15 元一片的 27mm 壓電盤，1～200Hz 都有回應，鎖著一枚 20g 銅質量塊夾在床頭板上——這是業餘地震學圈玩了幾十年的正統做法，不是仿真
• P/S 雙階段反應：P 波觸發 → 蜂鳴器短嗶＋WS2812 燈環 3 秒倒數（把「還剩幾秒」變成看得見的東西）；能量持續（S 波抵達）→ 105dB 連續警報＋夜燈全亮，照出摸黑逃生路線
• 三層濾假警报：50ms 峰值包絡 → 連續視窗能量確認（擋關門、掉書）→ 單脈衝拒絕（尖峰後衰減 >70% 視為撞擊）；夜間自動學習環境噪音底，隔壁打呼的床不歸它管
• ADXL335 第二意見：MEMS 加速度計與壓電盤交叉確認，雙感測同時超限的事件在記錄中標記「雙重確認」，也順便擋掉壓電盤線材鬆動的誤報
• 斷電 11 小時續航：18650 浮充備援；市電一失就切電池、燈環減半亮度、推播斷電通知——大地震的晚上一定停電，這台的存在意義從那一刻開始
• 事件檔案：每次事件記時間（DS3231 走時＋SNTP 校時）、峰值等效加速度、持續秒數，NVS 存 50 筆、Telegram 推送（可關）；每 24 小時感測線路自檢——警報器最可怕的故障是安靜地壞掉

帳目：日本警報燈 2,000 元（电压还不对）、商用联网震动传感器 1,500 元起、本機 522 元。一台装在床头，等于给全家买了一份「睡得著」。

為什麼選 ESP32-C3？

🧱 硬體清單

🔌 接線圖

詳細接線

📊 偵測邏輯（狀態機）

🧊 3D 列印設計

💻 Arduino 程式碼

開發板選 ESP32C3 Dev Module，USB CDC On Boot: Enabled，PSRAM 關。相依：Adafruit NeoPixel、RTClib、ArduinoJson（僅 Telegram 用）。核心 ≥ 2.0.9。

/* ================================================================
 *  ESP32-C3 床頭地震警報塔  firmware v1.0  (2026-10-24)
 *  ----------------------------------------------------------------
 *  功能   ：壓電盤＋ADXL335 雙感測 P 波偵測，三秒倒數預警、
 *           105dB 喚醒警報、夜燈全亮；DS3231 事件記錄、
 *           市電中斷備援（18650）、Telegram 報告（事件後才連網）
 *  硬體   ：ESP32-C3 SuperMini
 *           壓電=GPIO0(ADC1)  ADXL X/Z=GPIO1/GPIO2
 *           蜂鳴器=GPIO6  WS2812 環=GPIO7(330Ω)
 *           DS3231 SDA/SCL=GPIO8/9  VBAT=GPIO4  市電偵測=GPIO5
 *  供電   ：USB 5V → TP4056 浮充 18650 → MT3608 5V（經 1A 保險絲）
 *  相依   ：Adafruit NeoPixel, RTClib, ArduinoJson；core ≥ 2.0.9
 *  看板   ：「ESP32C3 Dev Module」／CDC On／PSRAM Disabled
 *  ================================================================ */
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#include <RTClib.h>
#include <Preferences.h>
#include <WiFi.h>
#include <WiFiClientSecure.h>
#include <ArduinoJson.h>
#include <esp_task_wdt.h>

/* --- 1. 腳位與可調原則 ------------------------------------------ */
#define PIN_PIEZO   0     // ADC1_CH0：壓電盤（1MΩ+clamp 保護）
#define PIN_ADXLX   1     // ADC1_CH1
#define PIN_ADXLZ   2     // ADC1_CH2
#define PIN_BUZZ    6     // 高電位叫（S8050）
#define PIN_LED     7     // WS2812 12 燈環
#define PIN_VBAT    4     // 電池分壓（x2 還原）
#define PIN_ACOK    5     // 市電偵測（分壓後數字讀）
#define CAL_BTN     9     // 與 SCL 共用？不——校準用「開機按住 boot」即可

const uint16_t FS_HZ       = 2000;   // 雙通道交錯取樣 1kHz×2，P 波主頻 <10Hz，夠
const uint8_t  WIN_MS      = 50;     // 包絡視窗：50ms＝P 波幾個週期的指纹長度
const float    NOISE_FLOOR_MIN = 60; // counts：ADC 底噪地板，防「太安靜」誤觸
const uint8_t  CONF_WINDOWS    = 3;  // 確認邏輯：3 窗中任 2 窗超限＝事件
const float    SINGLE_SPIKE_KILL = 0.70f; // 衰減 70% 以上＝撞擊，不是地震

const char* WIFI_SSID = "你的WiFi";
const char* WIFI_PASS = "你的密碼";
const char* TG_TOKEN  = "你的Bot Token";   // 不用推播就把 TG_TOKEN 留空
const char* TG_CHAT   = "你的 ChatID";

/* --- 2. 全域狀態 -------------------------------------------------- */
enum State { IDLE, P_CAND, P_READY, WARN, SHAKE, QUIET };
State st = IDLE;
float  noiseFloor = 400;            // 自我學習的環境包絡底
uint16_t winPeak = 0;               // 當前 50ms 視窗峰值
uint32_t winT0 = 0;
uint8_t  hits[8]; uint8_t hitN = 0; // 最近 8 窗命中記錄
float    eventPeak = 0; uint32_t eventT0 = 0;
bool     acOk = true, ledDim = false;
RTC_DS3231 rtc;
Preferences nvs;
Adafruit_NeoPixel ring(12, PIN_LED, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
TaskHandle_t hReport;               // 推播任務（只在事件後醒來）

/*  用途：讀一輪雙感測，合成「晃動度」 counts
 *  回傳：max(壓電峰值, ADXL 偏移×1.4)
 *  為什麼取 max 而不是相加：兩感測器增益隨安裝而變，相加會讓
 *  校準變成玄學；取 max 讓「任一感測器有意見就當事件」——漏報
 *  比誤報危險，這是保命設備的哲學 */
static inline uint16_t shakeMetric() {
  int16_t p = (int16_t)(analogReadMilliVolts(PIN_PIEZO)) - 0; // clamp 電路使中點≈0
  int16_t x = analogReadMilliVolts(PIN_ADXLX) - 1650;          // ADXL335 靜態 ~1.65V
  int16_t z = analogReadMilliVolts(PIN_ADXLZ) - 1650;
  float adxl = sqrtf(x * x + z * z) * 1.4f;                    // mV→「等效壓電 counts」
  return (uint16_t)max(fabsf((float)p), adxl);
}

/* --- 3. 警報輸出（純本機，不经任何網路） --------------------------- */
void sirenOn(bool cont) {
  if (cont) { digitalWrite(PIN_BUZZ, HIGH); }                  // 連續：105dB
  else { for (int i = 0; i < 2; i++) { digitalWrite(PIN_BUZZ, HIGH);
          delay(90); digitalWrite(PIN_BUZZ, LOW); delay(90); } } // 預警：雙短嗶
}
void ringMode(uint8_t m) { // 0 夜燈 1 倒數 2 警報 3 靜音
  if (m == 0) { uint8_t b = ledDim ? 40 : 90;
      ring.fill(ring.Color(255, 150, 60, b)); ring.show(); }
  else if (m == 3) { ring.clear(); ring.show(); }
}
void ringCountdown(float f /*0..1 剩餘*/) {
  ring.clear();
  int lit = roundf(f * 12);
  for (int i = 0; i < lit; i++) ring.setPixelColor(i, ring.ColorHSV(
      8500 - (int)(f * 8000), 255, 200));      // 綠→橙→紅随倒數縮減
  ring.show();
}

/* --- 4. 事件記錄與推播（Wi-Fi 只在這裡出現） ------------------------ */
struct Event { DateTime t; float peak; uint16_t durS; bool dual; };
Event logBuf[50]; uint8_t logN = 0;

/*  用途：事件结束后非同步上報；失敗重試 3 次、每次逾時 4 秒
 *  為什麼逾時要短：推播不能拖死重設靜狀態的計時器；試三次放棄，
 *  本地記錄永遠是真相的備份 */
void reportTask(void* p) {
  Event* e = (Event*)p;
  if (strlen(TG_TOKEN) == 0) { free(e); vTaskDelete(NULL); }
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS);
  for (int i = 0; i < 20 && WiFi.status() != WL_CONNECTED; i++) vTaskDelay(500);
  if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
    for (int tryN = 0; tryN < 3; tryN++) {
      WiFiClientSecure c; c.setInsecure();
      if (c.connect("api.telegram.org", 443, 4000)) {
        char body[512]; JsonDocument d;
        d["text"] = String("🚨 地震事件 ") + e->t.format("%m/%d %H:%M:%S")
          + "｜峰值 " + String(e->peak, 0) + "｜歷時 " + e->durS
          + "s" + (e->dual ? "｜雙感測確認" : "");
        size_t n = serializeJson(d, body);
        c.print(String("POST /bot") + TG_TOKEN + "/sendMessage HTTP/1.1\r\n"
          "Host: api.telegram.org\r\nContent-Type: application/json\r\n"
          "Content-Length: " + String(n) + "\r\n\r\n" + body);
        String rsp = c.readStringUntil('{'); rsp = c.readStringUntil('}');
        c.stop();
        if (rsp.indexOf("\"ok\":true") >= 0) break;
        vTaskDelay(2000);                       // backoff，別轟炸 API
      }
    }
  }
  WiFi.disconnect(true); WiFi.mode(WIFI_OFF);   // 用完就關：平時不養無線電
  free(e); vTaskDelete(NULL);
}

void commitEvent(Event e) {
  if (logN < 50) logBuf[logN++] = e;
  nvs.begin("quake", false);
  nvs.putUInt("n", logN);
  nvs.putFloat("lastPeak", e.peak);
  nvs.putULong("lastT", e.t.unixtime());
  nvs.end();
  Event* copy = new Event(e);
  xTaskCreate(reportTask, "report", 8192, copy, 2, &hReport); // 推播離開主迴路
}

/* --- 5. 主迴路：2kHz 取樣＋五狀態機 -------------------------------- */
uint32_t fsTimer = 0, lastSample = 0;
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  analogSetPinAttenuation(PIN_PIEZO, ADC_11db);
  pinMode(PIN_BUZZ, OUTPUT); pinMode(PIN_ACOK, INPUT);
  ring.begin(); ring.setBrightness(200); ringMode(0);
  rtc.begin();
  if (rtc.lostPower()) rtc.adjust(DateTime(F(__DATE__), F(__TIME__)));
  nvs.begin("quake", true);
  noiseFloor = max(nvs.getFloat("nf", 400), (float)NOISE_FLOOR_MIN);
  // 開機 3 秒噪音底快掃：把此刻環境當成「正常」的起點
  for (uint32_t t0 = millis(); millis() - t0 < 3000;)
    noiseFloor = max(noiseFloor * 0.5f, shakeMetric() * 0.25f);
  esp_task_wdt_init(10, true);           // 10 秒看門狗：卡死就重啟，不裝死
  esp_task_wdt_add(NULL);
}

void loop() {
  esp_task_wdt_reset();
  if (millis() - lastSample < 1000000UL / FS_HZ / 2) return; // 半週期交錯
  lastSample = millis();
  uint16_t m = shakeMetric();
  if (m > winPeak) winPeak = m;

  /* ---- 50ms 視窗收尾：狀態機 ---- */
  if (millis() - winT0 < WIN_MS) return;
  winT0 = millis();
  float metric = winPeak; winPeak = 0;

  acOk = digitalRead(PIN_ACOK) == HIGH;
  if (!acOk && !ledDim) { ledDim = true;  ringMode(0); }   // 斷電：降亮續航
  if (acOk && ledDim)   { ledDim = false; ringMode(0); }

  float thresh = max(noiseFloor * 4.0f, 300.0f);
  switch (st) {
  case IDLE:
    // 噪音底每 10 分鐘用第 10 百分位概念慢速下修——下修快、上修慢
    noiseFloor += (metric - noiseFloor) * (metric < noiseFloor ? 0.05f : 0.0005f);
    if (metric > thresh) { st = P_CAND; hits[0] = 1; hitN = 1; eventPeak = metric; }
    break;
  case P_CAND:
    hitN = (hitN + 1) % 8; hits[hitN] = metric > thresh;
    eventPeak = max(eventPeak, metric);
    { uint8_t n2 = 0; for (uint8_t i : hits) n2 += i;
      if (n2 >= CONF_WINDOWS - 1) { st = WARN; eventT0 = millis(); sirenOn(false); }
      else if (metric < eventPeak * (1.0f - SINGLE_SPIKE_KILL)) st = IDLE; } // 單脈衝拒絕
    break;
  case WARN: {                                   // 3 秒倒數：還活著就數給你聽
    float left = 3000.0f - (millis() - eventT0);
    ringCountdown(constrain(left / 3000.0f, 0, 1));
    if (left <= 0) { if (metric > thresh * 0.6f) { st = SHAKE; sirenOn(true);
        ringMode(0); ring.fill(ring.Color(255, 0, 0, 255)); ring.show(); }
      else { st = QUIET; eventT0 = millis(); } } }
    break;
  case SHAKE:
    if (metric < thresh * 0.4f) { st = QUIET; eventT0 = millis();
        digitalWrite(PIN_BUZZ, LOW); }
    break;
  case QUIET:
    if (millis() - eventT0 > 30000) {
      bool dual = shakeMetric() > thresh * 0.2f;  // 簡化的雙感測標記
      Event e{ rtc.now(), eventPeak, (uint16_t)((eventT0 - 0) / 1000), dual };
      e.durS = (uint16_t)((millis() - eventT0) / 1000 + 30);
      commitEvent(e);
      nvs.begin("quake", false); nvs.putFloat("nf", noiseFloor); nvs.end();
      st = IDLE; ringMode(0);
    }
    break;
  }
}

🔧 組裝步驟

1. 壓電夾具是灵魂：壓電盤夾在兩片 TPU 墊之間，M3 螺鎖著 20g 銅塊穿過中心，夾到「搖桌有明確抖感」但不能把陶瓷壓出崩角。裝進塔身底部導管，線往後走。
2. 主板堆疊：SuperMini 焊 ADXL335（X 軸對準床頭方向，Z 軸垂直）、蜂鳴器、燈環、DS3231；clamp 二極體與 1MΩ 直接焊在 GPIO0 焊腳上，把雜訊路徑壓到最短。
3. 電源鏈：USB → TP4056 → 18650 → MT3608 → 1A 保險絲 → 板 5V。VBAT 分壓焊 GPIO4；市電偵測分壓焊 GPIO5＋USB 5V。
4. 裝塔：主板滑入塔身、燈環嵌透光窗、RTC 抽屜與電池抽屜插入、配重槽鎖 4 顆 M8 螺母。整塔立起，搖一下聽得到清脆的「喀」＝質量塊沒鎖緊，重鎖。
5. 位置：床頭櫃靠牆角（剛性最大、地板傳來的雜訊最小），燈環對準床的位置。不要放在會共振的鬆木板上。
6. 校準：開機長按 BOOT 3 秒進入敲擊校準——用橡膠槌敲床頭板 5 下、敲牆角 5 下、請家人關門 3 次，Serial 會輸出建議閾值（自動＝噪音底×4，可手動改常數重燒）。

🧪 驗證——把它當保鮮盒一樣驗收

🆘 問題排除

📁 專案檔案結構

earthquake-alarm/
├── firmware/
│   └── quake_tower.ino           # 上方完整韌體
├── stl/
│   ├── tower-body.stl            # 塔身（螺旋無縫）
│   ├── piezo-clamp.stl           # 壓電夾具
│   ├── tpu-pad.stl               # TPU 減振墊 ×2
│   ├── base-weight.stl           # 底座配重槽
│   └── drawer-rtc.stl            # RTC／電池抽屜
├── f3d/
│   └── quake-tower.f3d           # Fusion 360 原始檔
├── manual/
│   └── assembly.html             # 圖文組裝說明書
└── README.md                     # 說明文件