🌬️ ESP32-C6 陽台風速風向塔 — 完整實作指南

📋 專案概述

去年蘇拉颱風警報，我人在北投工作，太太傳訊息：「陽台那盆兩千塊的天堂鳥要不要收？」我看著氣象署 App 的「最大陣風風向：東北東、陣風 9 級」——那是全北台灣的平均值。我住汐止河谷側的 14 樓，陽台朝西北、正好吃峽谷效應的風口。收，還是賭？賭輸的結算單：天堂鳥 2,000＋陶盆 800＋鐵窗防墜網被砸的 1,500，外加樓下鄰居的車。而那顆「要不要收」的決策，氣象署永遠答不了——因為它量的是 10 公尺高的標準場，不是你家陽台。

風這種東西殘酷在它的在地性：氣象站測到 9 級，你的轉角可能是 11 級——陽台的陣風可以是開闊地的 1.5 倍，而砸花盤的恰好就是多出來的那 2 級。反之也真實：警報報得嚇死人、你家陽台風平浪靜，收了一下午的花盆純屬白工。「你家陽台的風」和「氣象站的風」根本是兩個世界，中間隔著整棟建築的渦流。

市售方案搜過一圈：

1. Davis Vantage 級專業氣象站：兩萬起跳，風向風速計要架屋頂拉線——管理員第一個不答應，租房族直接出局。
2. 業餘「風速計模組＋樹莓派」：光風杯＋風向計模組就要 900 元，樹莓派再 2,000，然後你獲得一台 5W 的伺服器只為了讀兩顆感測器——這是在用遊艇送快餐。
3. 問鄰居：資訊延遲取決於鄰居的閒暇時間，準確度取決於他對「很大風」三個字的詞彙量。

這台 ESP32-C6 陽台風速風向塔把決策還給你：自己印風杯、用乾簧片數脈衝、可變電阻讀風向，整組 400 元有找。功能清單：

• 風杯＋乾簧片脈衝計數：自印 ASA 風杯、磁珠軸承；脈衝→轉頻→風速（校準常數 K 用「騎車 25km/h 標定法」實地量，文章給完整流程）；1 秒陣風值＋10 秒持續風值雙軌——陣風永遠不能用 10 秒平均冒充，那是砸花盤的那一級
• 可變電阻風向牌：10kΩ 線性可變電阻＋ADC 讀八方位校準表，中位數＋滯帶濾波，風向不會在「西北／北」之間反覆橫跳
• 四級風力警報：平均 ≥10.8m/s 黃、≥17.2 橙、陣風 ≥24.5 紅、≥32.7 颶風通報；WS2812 燈條＋蜂鳴器同級跟燈，陽台走過就知道今天能不能晒衣
• 三種清醒策略：無風＝light sleep 2 秒輪詢＋脈衝 ext1 中斷喚醒（裝死但耳朵豎著）；有風＝持續取樣；3 分鐘無風自動回落。颱風模式：級別到橙以上轉常醒，每 10 分鐘推最高陣風——暴風夜它比你清醒
• Telegram：各級「進入／解除」各推一次（同級不轟炸）、每日 21:00 風況日報、按鍵即詢；配第 24 篇雷暴哨兵讀就是完整的天際線情報網：雷公管天頂，風伯管水平
• 風速歷史：RTC RAM 10 分鐘滑動窗＋NVS 每日極值，斷電不丢當日紀錄——颱風走後你問「最兇幾點」，它有答案

帳目：一盆天堂鳥的賭注是 4,300 元起跳（還沒算樓下的車）；本機 約 730 元。一次「提前四十分鐘收花」的正確決策就回本一半，剩下的年份當它免費。

為什麼選 ESP32-C6？

🧱 硬體清單

🔌 接線圖

⚙️ 3D 列印

總列印約 5 小時。整塔裝在 1.2m 不鏽鋼立桿上，桿底夾陽台欄桿內側＋配重袋——這台機器自己不能先成為墜落物：所有夾具用 M5 不鏽鋼螺栓＋防鬆螺母，風杯端用開口銷保底，每週擰一圈是它的保養。

💻 Arduino 韌體

板子選 ESP32C6 Dev Module；Partition 用預設即可（8MB 吃不完）。WS2812 走 Adafruit_NeoPixel 的 RMT 輸出。校準常數 K 存 NVS，改 K 不用重燒。

/* ============================================================
 * balcony_wind_tower.ino — ESP32-C6 陽台風速風向塔（ESP32 全系列 × 3D 列印 第 26 篇）
 *
 * 功能：風杯乾簧片測風速（1 秒陣風＋10 秒持續雙軌）＋可變電阻八方位風向 →
 *       WS2812 四級風力燈＋蜂鳴器＋Telegram 各級推播／21:00 日報／颶風通報；
 *       無風 light sleep 輪詢＋ext1 脈衝喚醒、有風持續取樣、橙級以上颶風模式常醒
 * 硬體：ESP32-C6-DevKitM-1
 *       風速脈衝=GPIO4（ext1 喚醒，⚠限 GPIO0–7）｜風向 ADC=GPIO2
 *       WS2812=GPIO0｜蜂鳴器=GPIO1｜按鍵=GPIO3｜電池 ADC=GPIO6
 * 供電：太陽能 → TP4056＋SS54 → 18650 → MT3608 5V → 板 5V（VBUS 不接）
 * 相依：Arduino ESP32 core ≥ 3.1（板選 ESP32C6 Dev Module）
 *       Adafruit_NeoPixel（RMT 輸出）；TLS 走 core 內建 WiFiClientSecure
 * ============================================================ */
#include <Arduino.h>
#include <WiFi.h>
#include <WiFiClientSecure.h>
#include <HTTPClient.h>
#include <Adafruit_NeoPixel.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. 腳位（pulse 腳的選腳理由見文章，動它之前先讀兩遍）--- */
#define PIN_PULSE 4     // 風速脈衝：⚠ 必須 GPIO0–7（ext1）且非 GPIO9（Boot）
#define PIN_DIR   2     // 風向 ADC1_CH2
#define PIN_LED   0     // WS2812
#define PIN_BUZZ  1     // 蜂鳴器（S8050）
#define PIN_BTN   3     // 按鍵（內部上拉）
#define PIN_VBAT  6     // 電池 ADC1

/* --- 2. 策略參數 --- */
float    WIND_K   = 2.7f;    // 校準常數：m/s ÷ 轉頻Hz（騎車標定法改這裡→NVS）
const float ZERO_FLOOR = 0.5f;  // m/s 零死區：軸承摩擦造成的假風歸零
const uint32_t CALM_MS   = 2000;    // 平靜模式 light sleep 輪詢週期
const uint32_t ACTIVE_MS = 180000;  // 有風持續取樣窗（3 分鐘無風回落平靜）

/* --- 3. 四級警戒（蒲福風級臨界：4/7/10/14 級）--- */
const float LV_YELLOW = 10.8f, LV_ORANGE = 17.2f,
            LV_RED    = 24.5f, LV_HURR    = 32.7f;
const char* LV_NAMES[5] = { "平靜", "黃威", "橙強", "紅暴", "颶風" };

Adafruit_NeoPixel strip(8, PIN_LED, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

/* --- 4. 中斷域狀態（volatile 是誠實問題不是選配）--- */
volatile uint32_t pulseCnt = 0;
RTC_DATA_ATTR uint16_t dayMaxGustX10 = 0;   // 今日最大陣風×10（跨重設保留）
RTC_DATA_ATTR uint32_t dayKey = 0;          // 跨日鍵
uint32_t lastWindMs = 0;                    // 上次「有意義風速」時刻
uint8_t  curLevel = 0;                      // 目前級別（推播去重基準）

/* ============================================================
 * 風速：脈衝中斷 → 轉頻 → m/s
 * ============================================================ */

/**
 * 乾簧片脈衝 ISR（下降緣觸發）。
 * 只做一件事：計數。消抖不在中斷裡做——中斷裡 sleep 是犯罪，
 * 機械彈跳的雙計由「1 秒視窗＋中位數」稀釋，代價可接受（見問題排除）。
 */
void IRAM_ATTR onPulse() { pulseCnt++; }

/**
 * 讀 1 秒風速。
 * 回傳：陣風風速（m/s），已扣零死區
 * 算法：1 秒脈衝數 ÷ 脈衝/轉(=1) × K。風杯每轉一脈衝是本篇自印件的規格；
 *       買現成模組常是 1 轉 N 脈衝，改 PPR 常數即可。
 */
const float PPR = 1.0f;      // pulses per revolution
float gust1s() {
  noInterrupts();
  uint32_t n = pulseCnt; pulseCnt = 0;
  interrupts();
  float v = (n / PPR) * WIND_K;
  return (v < ZERO_FLOOR) ? 0.0f : v;
}

/* ============================================================
 * 風向：ADC → 八方位（中位數＋滯帶）
 * ============================================================ */
const char* DIR_NAMES[8] = { "北", "東北", "東", "東南", "南", "西南", "西", "西北" };
// 八方位 ADC 中值校準表（mV）：開機八方位轉一圈後把實測值貼回這裡
uint16_t dirCal[8] = { 270, 700, 1150, 1600, 2000, 2450, 2900, 3260 };
int8_t dirLatched = -1;

/**
 * 讀風向。
 * 回傳：0–7（北起順時針）；-1＝無效
 * 濾波：9 次取樣去頭去尾取平均（ADC 滑片震盪是高頻雜訊，平均有效）；
 * 滯帶：新舊方位 ADC 差距 <120mV 時維持舊值——沒有它，微風天風向
 *       每秒在兩方位間跳，推播變成刷屏。
 */
int8_t readDir() {
  uint16_t s[9];
  for (uint8_t i = 0; i < 9; i++) { s[i] = analogReadMilliVolts(PIN_DIR); delay(6); }
  // 泡沫排序去極值（9 個數，引入 qsort 才是過度工程）
  for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
    for (uint8_t j = 0; j < 8 - i; j++)
      if (s[j] > s[j + 1]) { uint16_t t = s[j]; s[j] = s[j + 1]; s[j + 1] = t; }
  uint32_t mv = 0;
  for (uint8_t i = 2; i < 7; i++) mv += s[i];
  mv /= 5;
  // 找最近的校準點
  int8_t best = -1; uint16_t bd = 0xFFFF;
  for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
    uint16_t d = abs((int)mv - (int)dirCal[i]);
    if (d < bd) { bd = d; best = i; }
  }
  if (dirLatched >= 0 && abs((int)mv - (int)dirCal[dirLatched]) < 120)
    return dirLatched;                       // 滯帶：沒走出 120mV 就不換向
  dirLatched = best;
  return best;
}

/* ============================================================
 * 顯示與聲音
 * ============================================================ */

/**
 * 按級別刷燈。
 * 參數：lv＝0–4；dir＝風向 0–7（燈條兼風向箭頭：對應燈亮起）
 * 燈語：0 綠／1 黃／2 橙／3 紅呼吸／4 紅白閃——從陽台往下看就是交通號誌。
 */
void showLevel(uint8_t lv, int8_t dir) {
  uint32_t c[5] = { strip.Color(0, 40, 0), strip.Color(80, 80, 0),
                    strip.Color(90, 30, 0), strip.Color(120, 0, 0),
                    strip.Color(150, 150, 150) };
  for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) strip.setPixelColor(i, c[lv]);
  if (dir >= 0) { strip.setPixelColor(dir & 7, strip.Color(255, 255, 255));
                  strip.setPixelColor((dir + 1) & 7, strip.Color(255, 255, 255)); }
  strip.setBrightness(lv ? 120 : 20);
  strip.show();
  digitalWrite(PIN_BUZZ, lv >= 3);   // 紅級以上才嗶；颶風級的長嗶在推播迴路裡加碼
}

/* ============================================================
 * Telegram（與第 24/25 篇同款套路：要說話才開射頻）
 * ============================================================ */

/** 發送 Telegram（逾時重試 3 次；setInsecure 安全性見第 24 篇框註） */
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 */
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");
    getLocalTime(nullptr, 2000);
    sent = sendTg(msg);
    WiFi.disconnect(true);
    WiFi.mode(WIFI_OFF);
  }
  return sent;
}

/* ============================================================
 * 狀態與持久化
 * ============================================================ */

/** 校準常數 K 從 NVS 載入（改了不用重燒，Serial 指令 k=2.65 即存） */
void loadK() {
  nvs_handle_t h;
  uint32_t kx100 = 0;
  if (nvs_open("wind", NVS_READONLY, &h) == ESP_OK) {
    if (nvs_get_u32(h, "kx100", &kx100) == ESP_OK && kx100 > 50 && kx100 < 1000)
      WIND_K = kx100 / 100.0f;          // 範圍保險：K 落在 0.5–10 之外視為髒值
    nvs_close(h);
  }
}

/** 級別判定（輸入平均風與陣風，紅級以上看陣風） */
uint8_t levelOf(float avg, float gust) {
  if (gust >= LV_HURR) return 4;
  if (gust >= LV_RED)  return 3;
  if (avg  >= LV_ORANGE) return 2;
  if (avg  >= LV_YELLOW) return 1;
  return 0;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(PIN_BUZZ, OUTPUT); digitalWrite(PIN_BUZZ, LOW);
  pinMode(PIN_BTN, INPUT_PULLUP);
  pinMode(PIN_PULSE, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(PIN_PULSE), onPulse, FALLING);
  strip.begin(); strip.show();
  loadK();
  Serial.println(F("\n=== balcony_wind_tower 風向塔啟動 ==="));
}

void loop() {
  /* --- 1. 1 秒取樣、10 秒滑動平均（环形緩衝，10 個 float 是全部家當）--- */
  static float win[10]; static uint8_t wIdx = 0;
  float gust = gust1s();
  win[wIdx] = gust; wIdx = (wIdx + 1) % 10;
  float avg = 0; for (uint8_t i = 0; i < 10; i++) avg += win[i]; avg /= 10;
  if (gust > ZERO_FLOOR) lastWindMs = millis();

  /* --- 2. 跨日重置今日極值（RTC 值跨重設，但跨日要人來清）--- */
  uint32_t today = (uint32_t)(time(nullptr) / 86400);
  if (today != dayKey && today > 20000) { dayKey = today; dayMaxGustX10 = 0; }
  if (gust * 10 > dayMaxGustX10) dayMaxGustX10 = (uint16_t)(gust * 10);

  /* --- 3. 風向＋級別顯示 --- */
  int8_t dir = readDir();
  uint8_t lv = levelOf(avg, gust);
  showLevel(lv, dir);

  /* --- 4. 級別變化推播：進入與解除各一次（同級不轟炸）--- */
  if (lv != curLevel) {
    String tag[5] = { "🍃", "💛", "🧡", "❤️", "🌀" };
    String msg = String(tag[lv]) + " 陽台風力進入「" + LV_NAMES[lv]
               + "」（前級 " + LV_NAMES[curLevel] + "）：" + String(gust, 1)
               + "m/s 陣風／" + String(avg, 1) + "m/s 平均·風向 "
               + (dir >= 0 ? DIR_NAMES[dir] : "?")
               + "·今日最大陣風 " + String(dayMaxGustX10 / 10.0f, 1) + "m/s";
    talk(msg);
    if (lv == 4) talk("🌀🌀 颶風通報：陽台陣風已達 32.7m/s。人別出去了，陽台的东西也别要了。");
    curLevel = lv;
  }

  /* --- 5. 每日 21:00 日報（跨日鍵去重）--- */
  struct tm t;
  static uint32_t reportDay = 0;
  if (getLocalTime(&t, 200) && t.tm_hour == 21 && reportDay != today) {
    reportDay = today;
    talk("🌬️ 風況日報：今日最大陣風 " + String(dayMaxGustX10 / 10.0f, 1)
       + "m/s·目前 " + String(avg, 1) + "m/s·電池 " + String(analogReadMilliVolts(PIN_VBAT) * 2.0f / 1000.0f, 2) + "V");
  }

  /* --- 6. 按鍵即詢 --- */
  if (digitalRead(PIN_BTN) == LOW) {
    while (digitalRead(PIN_BTN) == LOW) delay(10);
    talk("📟 即時風況：" + String(gust, 1) + "m/s 陣風·" + String(avg, 1)
       + "m/s 平均·風向 " + (dir >= 0 ? DIR_NAMES[dir] : "?") + "（級別："
       + LV_NAMES[lv] + "）");
  }

  /* --- 7. 睡眠策略：三檔清醒度 ---
   * 橙級以上＝颶風模式常醒＋10 分鐘推最高陣風（lastPushMs）；
   * 有風＝全速取樣；平靜＝light sleep 2 秒，脈衝 ext1 中斷提前喚醒。
   * light sleep 保留 RAM：脈衝計數器與滑動窗都不死，醒來無縫接軌。
   */
  static uint32_t lastPushMs = 0;
  if (curLevel >= 2) {
    if (millis() - lastPushMs > 600000UL) {
      lastPushMs = millis();
      talk("🌪️ 颶風模式更新：10 分鐘內最高陣風 " + String(dayMaxGustX10 / 10.0f, 1) + "m/s，持續監控中。");
    }
    delay(1000);
    return;
  }
  bool windy = (millis() - lastWindMs) < ACTIVE_MS;
  if (windy) { delay(1000); return; }          // 有風：全速 1 秒迴圈

  // 平靜：arm ext1（G4 低電位喚醒）＋ 2 秒定時，雙保險進 light sleep
  esp_sleep_enable_ext1_wakeup(1ULL << PIN_PULSE, ESP_EXT1_WAKEUP_ANY_LOW);
  esp_sleep_enable_timer_wakeup(CALM_MS * 1000ULL);
  Serial.flush();
  esp_light_sleep_start();
  // 醒來：若是脈衝喚醒，代表風回來了——重連中斷計數繼續轉（中斷未拆，pulseCnt 累積中）
}

🔧 組裝步驟

1. 軸承手術：拆風速計模組，換磁珠軸承或縫紉機油重潤＋0.1mm 軸向間隙調整。手撥空轉 >8 秒才算合格——這 8 秒是這台機器未來十年最準的校準。
2. 風杯平衡：三杯裝上轉塔後空轉，看有沒有單側偏摆（印件重量差異）；重的那杯砂紙磨 0.1g 級別地修。高轉速下的不平衡＝軸承壽命削減計畫。
3. 脈衝驗證：手撥一圈、Serial 計數必 +1；輕撥到停全過程無漏計。漏計先修機械（磁鐵距離/乾簧片靈敏度），不要調大消抖視窗硬拗。
4. 風向校準：把風向牌依序指向北／東北／…八方位（指南 App 對北），每方位讀 10 秒 ADC 中值，貼回 dirCal[] 重燒。誤差 ≤1 方位過關。
5. 警報鏈演練：Serial 灌假風速序列 11→18→25→33（把 gust1s() 暫時改回傳常數），四級按序觸發、燈語對、Telegram 收得到、解除也各推一則。
6. 立桿上架：盒體在桿底（配重）、風杯尾翼在桿頂，感測端離牆 >1.5 倍尾翼半徑；所有夾具 M5 不鏽鋼＋開口銷保底；太陽能板夾欄桿。拉一遍「搖晃測試」：整桿用力搖，不能有任意一顆螺絲有聲音。

🧪 驗證

🆘 問題排除

📁 專案檔案結構

balcony-wind-tower/
├── firmware/
│   └── balcony_wind_tower.ino    # 上方完整韌體
├── stl/
│   ├── anemometer-cup.stl        # 風杯（ASA ×3）
│   ├── shaft-bushing.stl         # 轉軸套筒（磁珠軸承座）
│   ├── wind-vane-fin.stl         # 尾翼風向牌
│   ├── mast-bracket.stl          # 軸承立架
│   └── solar-clip.stl            # 太陽能板夾座
├── f3d/
│   └── wind-tower.f3d            # Fusion 360 原始檔
├── manual/
│   └── assembly.html             # 圖文組裝說明書
└── README.md                     # 說明文件

🎯 結語

這台風向塔最動人的輸出不是那個 730 元，是某一句它替你發的訊息：「陽台現況陣風 11 級，那盆天堂鳥今天必收。」它不預測天氣——預測天氣是氣象署的工作，而且他們做得比你好；它做的事是把你家轉角這十平方公尺的風變成可以決策的數字。天氣應用裡最昂貴的從來不是感測器，是「那裡的風到底有多強」這個資訊在你需要的當下的可得性——市售兩萬塊的氣象站賣你整條數據曲線，這台 400 塊的風杯塔只賣你一個當下能拍板的句子。下次警報特報來的時候，看著陽台燈柱從橙轉紅、手機同時震動，你會確認一件事：雷公和風伯現在都替你上著班，而你只需要負責收花。