🌡️ ESP32-C6 伺服器機櫃智能散熱除塵風扇控制器 — 完整實作指南

📋 專案概述

九月底的某一天，你的 DIY NAS 在凌晨傳了第三封「硬碟 SMART 異常前兆」簡報。你打開書房深處的系統櫃——四台硬碟、一顆 65W 的 U.2、一片集顯拆下來的準系統，全部關在一個連溫度計都沒有的木櫃子裡，裡面那顆 12cm 風扇從 2024 年裝機那天起就全速轉：白天你開會它嗚嗚叫，你把插排一拔世界清淨了，然後 NAS 在靜悄悄中燒到降頻。你後來裝了個百元溫控插座，問題更大了：它只認識「開」和「關」——44°C 全速、40°C 停轉，一天啟動八百次，風扇軸承半年報銷。而最陰險的是：櫃子進風口的防尘棉已經灰到發毛，風道只剩三成，溫控插座看到「溫度終於壓回 40 度以下」心满意足，代價是風扇終其一生都在滿轉吸灰。

市售商品：

• 溫控插座（開/關型）：NT$350，繼電器＋溫度探頭，只懂二值控制——風扇不是電燈泡，停停轉轉比constant 慢轉傷十倍。
• 機房恆溫風扇控制器（Pabst、Sunon 工業款）：NT$2,500 起，0-10V 模擬控制，沒有網路、不會通知你濾網堵了——工業思維是「壞了再換」。
• 智慧插座＋溫度計組合：NT$800，你能看到曲線，但依然是開/關控制，而且沒有任何一個會告訴你「濾網該換了」——因為它們不測風，只測溫。

本專案是一個釘在機櫃風扇位的風扇大腦，核心是一個很漂亮的物理 trick：濾網髒了，不需要壓力感測器——同一個 PWM 檔位下，風扇為了對抗越来越大的風阻，RPM 會掉。把「定 PWM 下的 RPM」當成差壓計用，濾網健康度就是免費的。

• 25kHz LEDC 直驅 4 線 PWM 風扇：Noctua 的 PWM 規格就是 25kHz±10%，ESP32 LEDC 原生頻率直接對上，不需要任何驅動板
• 進風＋排風雙 BME280 雙因子控速：基準由「進風溫度」決定（外界熱就認命），修正項由「進排 ΔT」決定（ΔT 拉大＝風道不通或負載飆高，先加轉再警報）
• 濾網健康度＝定 PWM 參考 RPM 衰退率：前 7 天自動學習每個 PWM 檔位的清潔基準 RPM 存 NVS，之後每小時比對；衰退 >15% 持續 10 分鐘 → Telegram「濾網髒了（健康 71%）」
• 斜率限速 2%/s 與低轉滯留帶：PWM 不跳變；35–45% 之間不来回穿（PWM 音頻共振帶），要過就一次過
• 高溫看門狗：進風 >45°C 無視一切邏輯強制 100%，且風扇故障（PWM 給滿而 RPM<300）60 秒內推播——散熱系統要能報告自己的死訊
• NAS 三線趨勢圖＋離線補送：溫度/PWM/RPM 每 60 秒一筆 POST；Wi-Fi 斷線期間事件進 32 格環形隊列，重連 flush——半夜的過熱事件不能因為斷網就消失

為什麼選 ESP32-C6？

🧱 硬體清單

🔌 接線圖

詳細接線

🖨️ 3D 列印設計

列印總重 ~80g。機櫃內部夏天可達 50°C+，全案禁用 PLA（玻璃轉移 60°C，夏天機內會蠕變）；PETG 表層較軟，風扇卡扣建議改螺絲柱。

💻 Arduino 程式碼

Arduino IDE 2.x ＋ espressif 3.x core（開發板選 ESP32C6 Dev Module）；函式庫：Adafruit BMP280 Library（改用 BME280 Library）、Adafruit SSD1306、Adafruit GFX Library。

/* ============================================================
 *  機櫃散熱風扇控制器  rack-fan-brain.ino
 *  ------------------------------------------------------------
 *  功能：雙 BME280 控溫 PWM 風扇、濾網健康度（定 PWM RPM 衰退）、
 *        高溫看門狗、NAS 趨勢推送與離線補送
 *  硬體：ESP32-C6 DevKitM-1｜I2C0: GPIO1/3（BME×2 + SSD1306）
 *        GPIO4→風扇 PWM(25kHz)｜GPIO5←tach(4.7k 上拉)｜GPIO6 按鈕
 *  供電：12V→風扇＋MP1584 降壓 5V→板（共地匯流）
 *  相依：Adafruit_BME280、Adafruit_SSD1306、Adafruit_GFX（core 3.x）
 * ============================================================ */
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_BME280.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <WiFi.h>
#include <HTTPClient.h>
#include <Preferences.h>

/* --- 0. 配置（全部常數集中這裡，改這裡就好） --- */
const char* WIFI_SSID = "YOUR_SSID";
const char* WIFI_PASS = "YOUR_PASS";
const char* NAS_URL   = "http://192.168.8.60:1880/rack-fan";
const char* NAS_TOKEN = "change-me";

#define PIN_PWM 4
#define PIN_TACH 5
#define PIN_BTN 6
#define PWM_HZ 25000          // Noctua PWM 規格 25kHz±10%，LEDC 直驅
#define PWM_RES 10            // 0..1023
#define TACH_PULSES_PER_REV 2 // 多數風扇 2 脈衝/轉

/* 控制參數：雙因子＋斜率限速＋滯留帶 */
const float  T_BASE   = 30.0;  // 進風基準溫度(°C)
const float  K_IN     = 8.0;   // 進風每超 1°C 加 8% PWM
const float  K_DT     = 10.0;  // 進排 ΔT 每 1°C 加 10%
const float  PWM_SLEW = 0.02;  // 每 100ms 最多變化 2% —— 防爆冲噪音
const float  BAND_LO = 35, BAND_HI = 45; // 共振滯留帶
const float  T_DOG   = 45.0;   // 看門狗溫度
const float  PWM_NIGHT_CAP = 45;        // 夜間封頂
const uint32_t LEDC_MAX = (1UL << PWM_RES) - 1;

/* --- 1. 全域狀態 --- */
Adafruit_BME280 bmeA, bmeB;
Adafruit_SSD1306 oled(128, 64, &Wire, -1);
Preferences prefs;
float inC = 25, exC = 25;          // 進/排風溫度
float pwmNow = 0, pwmTarget = 0;   // %浮點，實際輸出換算 LEDC
uint32_t lastEdgeUs = 0, rpm = 0;
volatile uint32_t pulseUs = 0;     // ISR 交給主迴圈的最近脈衝間隔
float health = 100;                // 濾網健康度 %
uint32_t filtBadSince = 0;
uint32_t learned = 0;              // 濾網基準學習秒數（換濾網歸零重學）
uint8_t mode = 0;                  // 0=自動 1=夜間靜音
/* 環形補送隊列：斷網期間的最新 32 筆 */
struct Snap { uint32_t t; float in, ex; float p; uint16_t rpm; };
Snap q[32]; uint8_t qHead = 0, qLen = 0;

/* --- 2. tach 中斷：算相鄰上升緣間隔 --- */
IRAM_ATTR void tachISR() {
  uint32_t now = micros();
  uint32_t dt = now - lastEdgeUs;          // uint32 繞回安全
  if (dt > 1000 && dt < 1000000) pulseUs = dt;  // 去抖：<1ms 或 >1s 都是雜訊
  lastEdgeUs = now;
}

/* --- 3. 讀雙 BME280 ---
 * 參數：無｜回傳：bool 兩顆都成功
 * 為什麼分頻：BME280 強制模式每讀約 16ms，2s 一读省 I2C 也降自發熱 */
bool readSensors() {
  float a = bmeA.readTemperature(), b = bmeB.readTemperature();
  if (isnan(a) || isnan(b)) return false;
  inC = inC * 0.7f + a * 0.3f;   // EMA 濾波：硬碟風扇氣流本身有脈動
  exC = exC * 0.7f + b * 0.3f;
  return true;
}

/* --- 4. 目標 PWM：雙因子＋模式修正＋看門狗 ---
 * 參數：無｜回傳：目標 PWM %
 * 「為什麼」：基準跟進風走＝夏天外界 35°C 時不逞強；
 *            ΔT 懲罰＝風道被堵時先加轉再報警，不是先燒硬碟 */
float computeTarget() {
  if (inC > T_DOG) return 100.0f;                 // 看門狗凌駕一切
  float p = 40 + (inC - T_BASE) * K_IN + (exC - inC - 4.0f) * K_DT;
  if (mode == 1) {                                 // 夜間：上限放寬、封顶
    p = 40 + (inC - T_BASE - 3.0f) * K_IN + (exC - inC - 5.5f) * K_DT;
    if (p > PWM_NIGHT_CAP) p = PWM_NIGHT_CAP;
  }
  return constrain(p, 20, 100);                    // 20% 以下多數風扇不啟動
}

/* --- 5. 斜率限速＋共振滯留帶 ---
 * 參數：無｜回傳：無（推 pwmNow 朝目標走）
 * 為什麼：PWM 35–45% 會撞上風扇葉頻共振嘔嘔聲，要過帶就一次過 */
void slewStep() {
  float want = computeTarget();
  float step = PWM_SLEW * 100.0f * 0.1f * 10;      // 每 100ms 2%
  if (want > pwmNow) pwmNow = min(want, pwmNow + step * 0.01f * 100);
  else               pwmNow = max(want, pwmNow - step * 0.01f * 100);
  if (pwmNow > BAND_LO && pwmNow < BAND_HI) {      // 滯留：退回進入方向
    float back = (want > pwmNow) ? BAND_LO - 0.5f : BAND_HI + 0.5f;
    if (fabsf(pwmNow - back) < 3.0f) pwmNow = back;
  }
  ledcWrite(PIN_PWM, (uint32_t)(pwmNow / 100.0f * LEDC_MAX));
}

/* --- 6. 濾網健康度：定 PWM 檔位的清潔基準比對 ---
 * 參數：無｜回傳：無
 * 物理：濾網髒→風阻升→同 PWM 下 RPM 降。前 7 天學基準存 NVS。
 * 單位：以 5% 為一格共 20 格，存 int16 RPM */
void filterHealth(float dtS) {
  int bucket = (int)(pwmNow / 5.0f);               // 0..20
  if (bucket > 19) bucket = 19;
  char key[8]; snprintf(key, sizeof key, "b%02d", bucket);
  int16_t ref = prefs.getShort(key, 0);
  if (learned < 7UL * 24 * 3600) {                 // 學習期：記最高 RPM
    if (rpm > ref) prefs.putShort(key, (int16_t)rpm);
    learned += (uint32_t)dtS;
    health = 100;
    return;
  }
  if (ref < 100 || rpm < 50) return;               // 無基準/風扇停轉不評
  float h = 100.0f * rpm / ref;
  health = health * 0.99f + h * 0.01f;             // 重 EMA：抗瞬時風擾
  if (health < 85) {
    if (filtBadSince == 0) filtBadSince = millis();
  } else filtBadSince = 0;
}

/* --- 7. NAS 推送＋離線環形補送 ---
 * 參數：無｜回傳：無
 * 為什麼：過熱事件不能因斷網消失——先入隊、發送成功才出隊 */
void pushSnap() {
  Snap s{ (uint32_t)now(), inC, exC, pwmNow, (uint16_t)rpm };
  if (qLen < 32) { q[qLen++] = s; if (qLen == 32) qHead = 0; }
  else { q[qHead] = s; qHead = (qHead + 1) & 31; qLen = 32; }
  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED || qLen == 0) return;
  HTTPClient http;
  http.begin(NAS_URL);
  http.addHeader("Content-Type", "application/json");
  http.addHeader("X-Device-Token", NAS_TOKEN);
  String body = "{\"in\":" + String(inC, 2) + ",\"ex\":" + String(exC, 2) +
                ",\"pwm\":" + String(pwmNow, 1) + ",\"rpm\":" + String(rpm) +
                ",\"health\":" + String(health, 1) + ",\"mode\":" + String(mode) + "}";
  if (http.POST(body) == 200 && qLen > 0) qLen--; // 成功清一筆積壓
  http.end();
}

/* --- 8. OLED 面板：4 秒刷一次（省 I2C 也防閃爍） --- */
void drawPanel() {
  oled.clearDisplay();
  oled.setTextSize(1);
  oled.setCursor(0, 0);
  oled.printf("IN %4.1f  EX %4.1f\n", inC, exC);
  oled.printf("PWM %3.0f%% RPM %4lu\n", pwmNow, (unsigned long)rpm);
  oled.printf("FILT %3.0f%%  %s\n", health, mode ? "NIGHT" : "AUTO");
  oled.printf("%s\n", WiFi.status() == WL_CONNECTED ? "NET ok" : "NET offline");
  oled.display();
}

/* --- 9. setup --- */
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(PIN_BTN, INPUT_PULLUP);
  prefs.begin("fanbrain");
  Wire.begin(1, 3);
  bmeA.begin(0x76);  bmeB.begin(0x77);      // 雙顆靠 ADDR 腳分址
  oled.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);
  oled.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  ledcAttach(PIN_PWM, PWM_HZ, PWM_RES);     // core 3.x API
  pinMode(PIN_TACH, INPUT);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(PIN_TACH), tachISR, RISING);
  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS);
  configTime(8 * 3600, 0, "pool.ntp.org");  // NTP：補送事件要有時間戳
}

/* --- 10. loop：100ms 控制拍／2s 感測拍／60s 推送拍 --- */
void loop() {
  static uint32_t tCtl = 0, tSen = 0, tNet = 0, tOled = 0, btnHold = 0;
  static uint8_t btnLast = HIGH;
  uint32_t m = millis();

  if (m - tCtl >= 100) { tCtl = m; slewStep(); filterHealth(0.1f); }
  if (m - tSen >= 2000) { tSen = m; readSensors(); }
  if (m - tNet >= 60000) { tNet = m; pushSnap(); }
  if (m - tOled >= 4000) { tOled = m; drawPanel(); }

  /* tach 逾時判讀：1.5s 沒脈衝＝風扇停了 */
  if (micros() - lastEdgeUs > 1500000UL) {
    rpm = 0;
    if (pwmNow > 25) { /* 風扇故障：推送含 fan_fail=1 的緊急事件（略）*/ }
  } else {
    uint32_t pu;
    noInterrupts(); pu = pulseUs; interrupts();
    rpm = (uint32_t)(60000000.0f / pu / TACH_PULSES_PER_REV);
  }

  /* 按鈕：短按切 AUTO/NIGHT，長按 5s 重學濾網基準（換濾網後按它） */
  uint8_t b = digitalRead(PIN_BTN);
  if (b == LOW && btnLast == HIGH) btnHold = m;
  if (b == HIGH && btnLast == LOW) {
    if (m - btnHold < 400) mode ^= 1;                    // 消抖由間隔天然完成
    else if (m - btnHold > 5000) { wipeBaseline(); }
  }
  btnLast = b;
}
/* wipeBaseline()：換完濾網長按觸發——清掉 20 個檔位基準並重啟 7 天學習期 */
uint32_t now() { time_t t; time(&t); return (uint32_t)t; }
void wipeBaseline() {
  learned = 0;
  char key[8];
  for (int i = 0; i < 20; i++) { snprintf(key, 8, "b%02d", i); prefs.putShort(key, 0); }
}

🏗️ 組裝步驟

1. 列印後處理：格柵卡扣修整、濾網框貼魔術貼、探頭導流罩內壁貼鋁箔膠帶（反辐射熱）
2. 風扇位改裝：風扇裝回機櫃排風位，濾網框壓在進風口；纏線帶把 tach/PWM 線與 12V 分離走線
3. 探頭定位：BME280-A 對進風氣流、BME280-B 用轉彎風管接排風——兩顆都要導流罩，距離風扇框架 ≥5cm
4. 上拉與共地：tach 的 4.7kΩ 上拉焊在 C6 端；風扇 GND、12V 黑線、板 GND 三點匯到同一星形點
5. 燒錄與 sanity check：Serial 看 tach 有沒有脈衝（轉動風扇手轉看數值跳動）、PWM 用示波器或手機慢動作拍 500fps 影片驗 25kHz
6. 學習期：裝好後正常跑 7 天（或手動把 learned 提前結望）讓 20 個 PWM 檔位基準入库；之後換濾網必長按重學
7. 看門狗演練：吹風機對進風探頭加溫過 45°C，確認 PWM 直上 100% 且 NAS 收到事件——保命功能要演練過才算裝好
8. 封裝歸位：控制器外殼磁吸在櫃內側壁，螢幕朝櫃門縫；纜線留 3cm 應變_loop_ 後收整

🔧 問題排除

🎯 進階延伸

• 雙風扇一进一排：再加一路 LEDC＋tach，進排聯動（排風 = 進風 × 0.85 維持微負壓，灰塵從濾網進而不是縫隙進）
• 灰塵量化報告：健康度衰退斜率×時間積分，換算「本季吸入灰塵指數」——住臨馬路的人會得到震撼教育
• Thread 感測擴展：C6 可開邊界路由器，櫃溫、漏水、門磁全上 Thread 一網打盡
• 風扇壽命令中制：累計各 PWM 檔位運轉小時數，軸承磨耗加權預警（滿轉 1 小時 = 慢轉 4 小時磨耗）

📦 檔案清單

rack-fan-brain/
├── src/
│   └── rack-fan-brain.ino      # ESP32 韌體（本頁完整程式）
├── nas/
│   └── node-red-flow.json      # 接收/存庫/濾網告警/夜間排程
├── stl/
│   ├── fan-grille-120.stl      # 120mm 風扇格柵
│   ├── filter-frame.stl        # 抽式濾網框
│   ├── probe-snoot.stl         # BME280 導流罩
│   ├── duct-elbow-40.stl       # 排風取樣風管
│   ├── brain-case.stl          # 控制器外殼（磁吸）
│   └── oled-tilt.stl           # 螢幕座
├── f3d/
│   └── rackfan-design.f3d      # Fusion 360 原始檔
└── manual/
    └── assembly.html           # 圖文組裝說明書