💧 ESP32-C2 陽台雨水智慧量表 — 完整實作指南

📋 專案概述

七月的某個週二，我提著澆花壺站在水龍頭前，旁邊是三天前下過大雨、裝得滿開的 190 公升省水桶——它就在我看不見的位置，而我對它的認知停留在那聲「咚」的落水聲。水價戶務處級距跳到第三級那個月，我在浴室盯著帳單算了半小時：一家四口夏季每月多繳 400 多元水費，而陽台那桶「免費的水」我這個月一次都用不到——因為我從不知道它剩多少，也從想不起來它存在。省水設備最大的失敗不是漏水，是遺忘。

第二個痛點更噁心，而且是那種要翻開桶蓋才會遇到的：桶底那層放了六七天、晒到微溫的水，白底黑點的孑孓正在裡面集體早自习。斑蚊在 25°C 的水裡，從卵到化蛹只要 5～7 天——「放一周的雨水」和「蚊子育嬰房」是同一個東西的兩個名字。你會倒掉它嗎？不會，那是 190 公升「免費的水」。你會加蓋嗎？桶蓋就靠在牆邊，但每桶都要掀開掀回去，人類做不超過三次。

市售方案我也搜過一圈：

1. 進口雨水桶水位計（透明浮球尺＋刻度貼）：上千台幣，本質是一根會卡垢的塑料尺，還得蹲下去讀。資訊即時性＝你記得去蹲的那個瞬間。
2. 智慧水錶類 App：量的是自來水，它只會提醒你「這個月超用了」，不會告訴你「明明有水你為什麼在用自來水」。
3. 什麼都不裝：零成本，結果就是我上面兩段——繳級距水費＋幫邻居養蚊子。

而這三個數字——水位、水溫、存水天數——其實一顆最便宜的 ESP32 就能全算。這台 ESP32-C2 陽台雨水智慧量表做的事：

• JSN-SR04T 防水超聲波測距：探頭倒裝桶蓋朝下，量探頭到水面的距離；每 30 分鐘醒來量 7 次取中位數，水位＝桶高−距離，1cm 解析度、±1cm 精度，換算成「還剩幾桶花要澆」的直覺單位
• 水位三級警報：低於 20% 推「該開水龍頭補了」；回讀距離大於空桶值＝探頭結藻失鎖，推「去擦探頭」（感測器壞了要自己承認，不能裝死）
• 蚊幼蟲倒數：水位上升事件＝補水，重置計時器；水溫 >20°C 且存水 >3 天 → 「蚊幼蟲倒數中」推播。把「上次下雨」變成「上次換水」，這是整台機器的良心模組
• DS18B20 防水水溫：單線總線、不鏽鋼探針可以長期泡水；水溫同時是蚊蟲風險模型的一半，也是澑花前「這桶水冰不冰」的參考
• 省電架構：超聲波模組醒著就吃 3mA——用 NMOS 電源閘讓它「只在被量的 0.5 秒活著」；深睡 30 分鐘一醒，Wi-Fi＋TLS 只在告警與每日日報時開啟，其餘時間連射頻都是關的
• 每日 21:00 日報：剩餘水量（公升＋百分比）、存水天數、水溫、電池電壓；按鍵按下＝立即索取即時狀態

帳目：進口浮球水位計 ~1,000 元＋你蹲下去讀的勞務；本機 約 540 元。回收計算很簡單：水價第三級與第二級每度差約 6 元，省水桶每月多澑掉兩桶自來水（約 4 度）就回本一半——但真正的回收率是蚊子的帳：一隻在白天的陽台咬你的花斑蚊，不會因為你裝了水位計就餓死，讓它死在孑孓階段的，是你終於記得換水這件事。

為什麼選 ESP32-C2？

🧱 硬體清單

🔌 接線圖

⚙️ 3D 列印

總列印約 2.5 小時。桶身不用列印——賣場 190 公升儲水桶、或機車行免費要的舊油桶（洗淨）都行，打孔時開孔器比探頭直徑大 1mm、硅膠圈密封。

💻 Arduino 韌體

板子選 ESP32C2 Dev Module；Flash 2MB、Partition 選 Minimal（app 約 950KB，TLS＋WiFi＋NVS，關 OTA——2MB 的誠實之選）。DS18B20 用 OneWire 庫＋自建 CRC8 解碼，不塞 DallasTemperature 這整頭大象進 2MB。

/* ============================================================
 * rain_barrel_gauge.ino — ESP32-C2 陽台雨水智慧量表（ESP32 全系列 × 3D 列印 第 25 篇）
 *
 * 功能：JSN-SR04T 測桶內水位（7 次中位數）＋ DS18B20 水溫 →
 *       水位/存水天數/蚊蟲風險 → 低水位・感測失鎖・蚊幼蟲倒數三類告警
 *       ＋ 每日 21:00 Telegram 日報；深睡 30 分鐘一醒、感測器電源閘、
 *       只在回報時開 Wi-Fi＋TLS
 * 硬體：ESP32-C2-DevKitM-1（2MB）
 *       TRIG=GPIO4｜ECHO=GPIO5｜電源閘=GPIO3｜1-Wire=GPIO6
 *       按鍵=GPIO2｜電池 ADC=GPIO0（ADC1 僅 GPIO0–4，選腳已卡位）
 * 供電：太陽能 → TP4056＋SS54 → 18650 → MT3608 5V → 板 5V（VBUS 不接）
 * 相依：Arduino ESP32 core ≥ 3.1（板選 ESP32C2 Dev Module）
 *       OneWire（paulstoffregen）；mbedTLS 走 core 內建 WiFiClientSecure
 * ============================================================ */
#include <Arduino.h>
#include <WiFi.h>
#include <WiFiClientSecure.h>
#include <HTTPClient.h>
#include <OneWire.h>
#include <driver/gpio.h>
#include <nvs.h>
#include <esp_sleep.h>
#include <time.h>

/* --- 0. 使用者設定 --- */
const char* WIFI_SSID = "你家分享器";
const char* WIFI_PASS = "密碼";
const char* TG_TOKEN  = "000000:換成你的_bot_token";   // @BotFather
const char* TG_CHAT   = "換成你的_chat_id";

/* --- 1. 桶身幾何（換桶必改這三行）--- */
const float MOUNT_H   = 55.0f;  // cm：探頭到「空桶底」的距離＝桶高＋蓋高
const float BARREL_H  = 45.0f;  // cm：有效水深上限
const float AREA_CM2  = 2400.0f;// cm²：桶截面積（60×40 長方桶＝2400）
const float DEAD_ZONE = 18.0f;  // cm：JSN-SR04T 近端死區，小於它視為失鎖
/* 每 1cm 水位＝2.4L */

/* --- 2. 腳位 --- */
#define PIN_TRIG  4
#define PIN_ECHO  5
#define PIN_GATE  3    // HIGH＝超聲波模組通電（2N7002 閘極）
#define PIN_1W    6    // DS18B20 單線（4.7k 上拉 3.3V）
#define PIN_BTN   2    // 內部上拉；按下＝立即回報
#define PIN_VBAT  0    // ADC1_CH0：100k×2 分壓（⚠ C2 ADC1 只有 GPIO0–4）

/* --- 3. 策略參數 --- */
const uint32_t SLEEP_MS   = 30UL * 60UL * 1000UL;  // 例行：每 30 分鐘醒一次
const uint8_t  SAMPLE_N   = 7;    // 每次醒來量 7 筆取中位數（抗水面波浪）
const float    LOW_PCT    = 20.0f;// 低於 20% 推「補水」
const float    REFILL_CM  = 1.0f; // 水位上升 >1cm ＝補水事件（下雨或人工加水）
const uint8_t  MOQUITO_D  = 3;    // 存水超過 3 天
const float    MOQUITO_T  = 20.0f;// 且水溫超過 20°C → 蚊幼蟲倒數

OneWire ow(PIN_1W);

/* --- 4. 深睡也活下來的狀態（RTC slow mem）--- */
RTC_DATA_ATTR float  lastDepth = -1;      // 上次水深（-1＝開機首樣本）
RTC_DATA_ATTR uint32_t refillDay = 0;     // 上次補水日（epoch 天）
RTC_DATA_ATTR uint32_t lowSentDay = 0;    // 低水位警報去重：今天已發過？
RTC_DATA_ATTR uint32_t mosqSentDay = 0;   // 蚊蟲警報去重
RTC_DATA_ATTR uint32_t lostSentDay = 0;   // 感測失鎖去重
RTC_DATA_ATTR uint32_t reportDay = 0;     // 21:00 日報去重（跨日鍵）

/* ============================================================
 * 電源閘 ＋ 超聲波測距
 * ============================================================ */

/**
 * 開/關超聲波模組電源（2N7002 電源閘）。
 * 參數：on＝true 通電
 * 為什麼：JSN-SR04T 靜態電流 ~3mA，比整台 ESP32 深睡還兇 600 倍——
 *         省電架構的本體就是這個開關，不是深睡本身。
 */
void sensorPower(bool on) {
  digitalWrite(PIN_GATE, on ? HIGH : LOW);
  delay(on ? 300 : 5);        // 模組上電需約 300ms 穩定（datasheet 建議值）
}

/**
 * 單次測距。
 * 回傳：探頭到水面距離（cm）；0＝本次無回波
 * 說明：TRIG 10µs 脈衝＋ECHO 高電位 ×340m/s÷2；
 *       13500µs 上限＝2.25m，桶內絕對夠。pulseIn 逾時回 0，原樣丟給上層當失鎖訊號。
 */
float pingCm() {
  digitalWrite(PIN_TRIG, LOW);
  delayMicroseconds(5);
  digitalWrite(PIN_TRIG, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(PIN_TRIG, LOW);
  uint32_t us = pulseIn(PIN_ECHO, HIGH, 13500);
  return us * 0.0343f / 2.0f;   // µs → cm（聲速除以來回）
}

/**
 * 量一輪水位。
 * 參數：n＝取樣次數（建議 7）
 * 回傳：距離中位數（cm）；-1＝感測失鎖（多數樣本為 0 或落入死區）
 * 中位數而非平均：大雨時水面是波浪場，偶發的早回波/無回波會把平均數拉歪，
 * 中位數天然免疫。
 */
float medianPing(uint8_t n) {
  float v[9]; uint8_t good = 0;
  for (uint8_t i = 0; i < n && i < 9; i++) {
    float d = pingCm();
    if (d > DEAD_ZONE && d < MOUNT_H + 15.0f) v[good++] = d;  // 死區與超量程都丟掉
    delay(60);
  }
  if (good < n / 2 + 1) return -1;              // 過半失敗＝失鎖（探頭髒了/結藻）
  // 泡沫排序 7 個數：為了 7 個數引入 qsort 是對 2MB Flash 的挑釁
  for (uint8_t i = 0; i < good - 1; i++)
    for (uint8_t j = 0; j < good - 1 - i; j++)
      if (v[j] > v[j + 1]) { float t = v[j]; v[j] = v[j + 1]; v[j] = t; }
  return v[good / 2];
}

/* ============================================================
 * DS18B20 水溫（單線＋自建 CRC8，不帶大庫進 2MB）
 * ============================================================ */

/**
 * CRC8（Maxim 單線多項式 x^8+x^5+x^4+1，反射型）。
 * 參數：dat＝暫存器內容陣列、n＝長度
 * 回傳：true＝CRC 正確
 * 為什麼：單線總線在潮濕環境位翻轉很常見，沒 CRC 你會把雜訊讀成水溫。
 */
bool crc8ok(const uint8_t* dat, uint8_t n) {
  uint8_t crc = 0;
  for (uint8_t i = 0; i < n; i++) {
    uint8_t b = dat[i];
    for (uint8_t r = 0; r < 8; r++) {
      uint8_t mix = (crc ^ b) & 0x01;
      crc >>= 1;
      if (mix) crc ^= 0x8C;
      b >>= 1;
    }
  }
  return crc == 0;   // 含 CRC byte 在內整包同餘 0
}

/**
 * 讀水溫。
 * 回傳：攝氏溫度；-999＝總線無回應／CRC 失敗
 * 流程：Skip ROM→ConvertT(12bit, 750ms)→再 Skip→讀 9-byte scratchpad。
 *       兩段之間不睡死：12-bit 轉換要 750ms，用 delay 換程式可讀性，
 *       本機每個 wake 週期只讀一次，遲得起。
 */
float readWaterTemp() {
  uint8_t sp[9];
  ow.reset();
  ow.skip();
  ow.write(0x44, 1);                 // Convert T, 外部供電無需 parasite power
  delay(760);
  ow.reset();
  ow.skip();
  ow.write(0xBE, 0);                 // Read Scratchpad
  for (uint8_t i = 0; i < 9; i++) sp[i] = ow.read();
  if (!crc8ok(sp, 9)) return -999.0f;
  int16_t raw = (int16_t)((sp[1] << 8) | sp[0]);
  if (raw == 0x0750) return -999.0f; // 上電預設 85.0°C 鬼碼（剛上電沒轉換過）
  return raw * 0.0625f;
}

/* ============================================================
 * Telegram（只在必須說話時開 Wi-Fi）
 * ============================================================ */

/**
 * 發送 Telegram。
 * 參數：msg＝內文
 * 回傳：true＝送達
 * 逾時重試 3 次、指數退避；setInsecure 見第 24 篇安全性框——
 * 正式部署改 setCACert 或自家伺服器中轉；token 權限只開「發訊息」。
 */
bool sendTg(String msg) {
  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) return false;
  WiFiClientSecure client;
  client.setInsecure();
  HTTPClient http;
  http.begin(client, String("https://api.telegram.org/bot") + TG_TOKEN + "/sendMessage");
  http.addHeader("Content-Type", "application/json");
  for (int t = 0; t < 3; t++) {
    String body = "{\"chat_id\":\"" + String(TG_CHAT) + "\",\"text\":\"" + msg + "\"}";
    int code = http.POST(body);
    if (code == 200) { http.end(); return true; }
    delay(500 << t);
  }
  http.end();
  return false;
}

/** 連網→校時→發訊息→射頻關光光。回傳：是否送出 */
bool talk(String msg) {
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS);
  bool sent = false;
  if (WiFi.waitForConnectResult() == WL_CONNECTED) {
    configTime(8 * 3600, 0, "pool.ntp.org");   // 醒著才校時，深睡靠 RTC 走
    getLocalTime(nullptr, 2000);               // 把系統時鐘拉起來給 time() 用
    sent = sendTg(msg);
    WiFi.disconnect(true);
    WiFi.mode(WIFI_OFF);                        // 射頻是省電大頭，用完關
  }
  return sent;
}

/* ============================================================
 * 主邏輯
 * ============================================================ */
float vbat() { return analogReadMilliVolts(PIN_VBAT) * 2.0f / 1000.0f; }

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(PIN_GATE, OUTPUT); digitalWrite(PIN_GATE, LOW);
  pinMode(PIN_TRIG, OUTPUT); digitalWrite(PIN_TRIG, LOW);
  pinMode(PIN_ECHO, INPUT);
  pinMode(PIN_BTN, INPUT_PULLUP);
  // ECHO 在模組斷電時是浮動的——先拉低幾輪，防止深睡喚醒殘留脈衝誤判
  for (uint8_t i = 0; i < 3; i++) { digitalWrite(PIN_TRIG, HIGH); delay(1);
                                    digitalWrite(PIN_TRIG, LOW); delay(1); }
  Serial.println(F("\n=== rain_barrel_gauge 雨水量表啟動 ==="));
}

void loop() {
  uint32_t today = (uint32_t)(time(nullptr) / 86400);   // epoch 天
  bool btnNow = digitalRead(PIN_BTN) == LOW;
  bool first = (lastDepth < 0);

  /* --- 1. 量水位（電源閘開→中位數→關）--- */
  sensorPower(true);
  float dist = medianPing(SAMPLE_N);
  sensorPower(false);
  float depth = constrain(MOUNT_H - dist, 0.0f, BARREL_H);
  float pct = depth / BARREL_H * 100.0f;
  float litres = depth * AREA_CM2 / 1000.0f;            // cm³→L
  Serial.printf("[level] dist=%.1fcm depth=%.1fcm %.0f%% %.0fL\n",
                dist, depth, pct, litres);

  /* --- 2. 補水事件偵測：水位明顯上升＝下雨或人工加水 → 重置存水計時 --- */
  if (!first && depth > lastDepth + REFILL_CM) {
    refillDay = today;
    Serial.println(F("[refill] 補水事件：存水計時器歸零"));
  }
  lastDepth = depth;

  /* --- 3. 量水溫（探針常電，不需要電源閘）--- */
  float tempC = readWaterTemp();
  uint32_t ageD = (today >= refillDay && refillDay > 0) ? (today - refillDay) : 0;

  /* --- 4. 組裝訊息：三類告警各自去重（同一天同一類只轟一次）--- */
  String msg;
  bool urgent = false;
  if (dist < 0 && lostSentDay != today) {
    lostSentDay = today; urgent = true;
    msg = "🧽 雨水量表：超聲波回讀失鎖——探頭可能結藻/沾水珠，請擦一下探頭。在那之前「水位」欄位是玄學。";
  } else if (pct < LOW_PCT && lowSentDay != today) {
    lowSentDay = today; urgent = true;
    msg = "🚱 省水桶見底：" + String((int)pct) + "%（剩 " + String((int)litres)
        + "L）。要澆水的話，今天就開水龍頭吧，別讓花在等。";
  } else if (ageD >= MOQUITO_D && tempC >= MOQUITO_T && mosqSentDay != today) {
    mosqSentDay = today; urgent = true;
    msg = "🦟 蚊幼蟲倒數：桶內水已 " + String(ageD) + " 天沒換、水溫 "
        + String(tempC, 1) + "°C——斑蚊的育嬰房正在量產中。澆完就把它用掉，或整桶換水。";
  }

  /* --- 5. 每日 21:00 日報（跨日鍵去重）--- */
  struct tm t;
  bool clockOK = getLocalTime(&t, 500);
  bool daily = clockOK && t.tm_hour == 21 && reportDay != today;

  /* --- 6. 要說話才連網（連網＝本機最貴的動作）--- */
  bool btnPress = btnNow;
  if (btnPress) { while (digitalRead(PIN_BTN) == LOW) delay(10); }  // 放鍵防連發
  if (urgent || daily || btnPress) {
    String rep = "💧 陽台省水桶：" + String((int)litres) + "L（" + String((int)pct)
               + "%）· 水溫 " + (tempC > -500 ? String(tempC, 1) + "°C" : "讀不到")
               + " · 存水 " + String(ageD) + " 天 · 電池 " + String(vbat(), 2) + "V";
    bool ok = talk(msg.length() ? (msg + "\n" + rep) : rep);
    Serial.printf("[tg] %s\n", ok ? "已送達" : "發送失敗（下次喚醒補發）");
    if (daily) reportDay = today;
  }

  /* --- 7. 回家睡覺（30 分鐘；電壓過低拉長到 2 小時保命）--- */
  Serial.flush(); delay(10);
  esp_sleep_enable_timer_wakeup((vbat() < 3.40f ? 2UL * 3600UL : 1800UL) * 1000000ULL);
  esp_deep_sleep_start();
}

🔧 組裝步驟

1. 桌面通電測試：先不裝電源閘（GPIO3 直接接 3.3V 旁通），跑 Serial 看 ping 正常後，再接回 MOSFET——先分清「感測器壞」和「電源閘壞」兩種病。
2. 電源閘驗證：GPIO3 拉低後量模組 VCC 應 <0.1V、整機待機電流 <0.2mA；拉高後 300ms 內可量到回波。待機電流超標先查 LED 與上拉電阻漏電。
3. 水位校準：長尺量實際水深對 Serial 讀值，誤差 >1.5cm → 查探頭是否垂直水面、桶蓋是否傾斜。改 MOUNT_H 前先懷疑物理安裝。
4. 蚊蟲模式演練：Serial 指令把 refillDay 灌成 5 天前（或直接把水溫探針含在手心加熱到 25°C）→ 推播觸發＝良心模組上崗。
5. 入盒與防水：電路進盒、探頭穿孔打硅膠、透氣膜貼最低點對角；線材出口做防滴彎。盒蓋鎖緊前再量一次水位（開蓋測過＝沒測過）。
6. 上架：桶蓋側面固定盒體、探頭懸在桶內中央（離桶壁 >15cm 防壁反射）；太陽能板夾欄桿朝北 30°；按鍵拉到桶蓋正面。澆花壺沖淋 3 分鐘無滲水＝正式上崗。

🧪 驗證

🆘 問題排除

📁 專案檔案結構

rain-barrel-gauge/
├── firmware/
│   └── rain_barrel_gauge.ino     # 上方完整韌體
├── stl/
│   ├── lid-sensor-mount.stl      # 桶蓋感測器座（含滴水簷）
│   ├── rain-shroud.stl           # 防雨罩＋透氣圈
│   ├── solar-clip.stl            # 太陽能板夾座
│   └── probe-bushing.stl         # TPU 探頭軟套
├── f3d/
│   └── rain-barrel.f3d           # Fusion 360 原始檔
├── manual/
│   └── assembly.html             # 圖文組裝說明書
└── README.md                     # 說明文件

🎯 結語

這個專案最值錢的不是那顆 75 元的晶片，是「把遺忘外包出去」這個架構決定：水位計不會讓你變成更好的園丁，它只是把你忘記的那件事——桶裡還有沒有水、水放了幾天、蚊子開不開班——在正確的時間推到你手机上。省水帳要算一年才好看，但蚊子帳當天就回本：存水第 3 天那則「蚊幼蟲倒數中」的推播，是這台機器替你家陽台做的最好的一次公共衛生。而當水費級距下次跳級、你看著 App 裡自己給的「這個月省了 11 桶」的日報時，會想起這句話：最好的感測器，是幫你記得起的那一個。