☔ ESP32-C2 雨天傘架 — 完整實作指南

📋 專案概述

你住汐止，通勤內湖，單程捷運加公車四十五分鐘。十月起東北季風上班，臺北盆地的雨季要下到三月底——這五個月裡，你家玄關發生過這樣的劇本不下十次：早上七點四十你一隻腳跳著穿鞋，手機鬧鐘、賴床、早餐，三道關卡打完，玄關傘架那把黑傘就在你眼皮的縫隙裡消失了。出了捷運站一切還和平，走進內湖科學園區最後一段、雨勢剛好把你沒帶傘這件事宣佈出來的時候，已經來不及了。一把便利商店傘 NT$250，你前年弄丟三把、去年兩把，損失NT$1,250——買的全是在你手上活不過一週的折疊傘。

你試過科技方法：手機天氣 App 推播設在 6:30，但那個時段你在洗澡；設在 7:30，你邊滑手機邊吃飯，推播混在群組訊息裡跟沒有一樣。你認真看過市售商品：日本代購的「智能傘架」NT$2,400，功能是把傘夾住、App 通知你帶傘——但它連雨都不會看，下雨與否要你自己告訴它；氣象聯動款的訂閱一年再加 NT$600。你要的東西其實很笨：早上它自己看天氣，要下雨、而你人已經站在玄關、傘卻不在你手上——就叫到你拿傘為止。不需要 App，不需要雲端的雲端。

市售商品：

• 智能傘架（日本代購）：NT$2,000–2,800，本質是藍牙防丟器加傘夾——它不知道你明天要不要出門，更不會看天氣，且傘夾只吃細傘，你的長柄傘卡不進去。
• 氣象 App 推播：免費，但它的假設是「你會看手機」——早晨七點半這個假設在大多數人身上不成立。你已經用失傘記錄投票了。
• 在公司放備用傘：便宜，但備用傘的存活率取決於它會不會被同事「先用一下」——答案是不會。

本專案功能清單：

• 會看天氣的玄關哨兵：工作日 06:45、假日 07:45 定時醒來，抓氣象資料；當日降雨機率 ≥50% 且傘不在架上 → 紅燈呼吸＋蜂鳴器叫，傘進手立刻變綠燈閉嘴
• 事後攔截：如果你沒聽到警報就拔傘出門——霍爾感測器偵測到傘被拿走，它會再嗶三聲補喊（當天已預報過雨的情況下）；乾天拿走則完全安靜，不騷擾
• 手動一鍵查：按按鈕即顯示今日降雨等級——綠燈<30%、青燈 30–49%、紅燈 ≥50%，出門前不用問 Google
• 深度睡眠電池年度計：ESP32-C2 晶片待機 5µA（資料手冊值），整板加升壓實測約 35µA——18650 兩千多 mAh 電池估用半年以上，一整年不充電是設計目標不是願望
• 低電量抱怨：醒來發現電池剩不到 3.35V 就嗶兩聲＋橘燈，不 silently 死給你

為什麼選 ESP32-C2？

🧱 硬體清單

🔌 接線圖

⚡ 供電與待機預算

這臺機器九成九的人生在睡覺，待機電流就是產品成敗。ESP32-C2 資料手冊的深睡 5µA 是晶片典型值（3V 供電、RTC 保活、喚醒腳待機）；實板要加上板上穩壓與升壓模組的靜電，本機實測路徑如下：

🧊 3D 列印設計

💻 韌體（完整程式）

Arduino IDE 選 ESP32C2 Dev Module、core 3.x；庫裝 ArduinoJson 7.x 與 Adafruit NeoPixel。依賴 ESP32 core 內建的 WiFi/WiFiClientSecure/HTTPClient。

/* ============================================================
 *  rainy_umbrella_guard.ino — 雨天傘架（ESP32-C2 SuperMini）
 *  功能：定時深度睡眠喚醒 → 抓當日降雨機率 → 下雨且傘未拿
 *        則紅燈呼吸＋蜂鳴器；傘進手綠燈閉嘴；乾天安靜。
 *  硬體：A3144 霍爾(GPIO0)／按鈕(GPIO1)／電池ADC(GPIO2)／
 *        被動蜂鳴器(GPIO3)／WS2812 燈環 8 顆(GPIO4)
 *  供電：18650 → 開關 → MT3608 5.1V → 板 5V 腳
 *  相依：arduino-esp32 core 3.x、ArduinoJson 7.x、
 *        Adafruit_NeoPixel（板型 ESP32C2 Dev Module）
 * ============================================================ */
#include <WiFi.h>
#include <WiFiClientSecure.h>
#include <HTTPClient.h>
#include <ArduinoJson.h>
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#include <time.h>
#include <esp_sleep.h>

/* --- 1. 使用者設定 --- */
const char* WIFI_SSID = "家中Wi-Fi名稱（2.4G）";
const char* WIFI_PASS = "你的Wi-Fi密碼";
const float LAT = 25.068, LON = 121.658;      // 汐止；換成你家座標
const int   RAIN_PCT   = 50;                  // 降雨機率門檻（%）
const int   ALARM_WDAY = 6 * 60 + 45;         // 平日 06:45（分鐘）
const int   ALARM_WKND = 7 * 60 + 45;         // 假日 07:45
const uint8_t LED_BRIGHT = 60;                // 亮度上限：省電第一
#define PIN_HALL    0
#define PIN_BTN     1
#define PIN_VBAT    2
#define PIN_BUZZ    3
#define PIN_LED     4
Adafruit_NeoPixel ring(8, PIN_LED, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

/* --- 2. RTC 保持變數（深度睡眠不丟、斷電歸零） --- */
RTC_DATA_ATTR uint8_t rDay   = 0;  // 最近一次預報的「日」戳記
RTC_DATA_ATTR uint8_t rained = 0;  // 0 未知 1 乾 2 雨
RTC_DATA_ATTR uint8_t warned = 0;  // 1 = 今日警報已播過
RTC_DATA_ATTR uint8_t ntpOk  = 0;  // 上次喚醒是否對到時（除錯用）

/* --- 工具：蜂鳴 n 短聲 --- */
void buzz(int n, int on = 70, int off = 110) {
  for (int i = 0; i < n; i++) { tone(PIN_BUZZ, 2700); delay(on);
    noTone(PIN_BUZZ); delay(off); }
}

/* --- 工具：整環單色（帶亮度封頂） --- */
void ringColor(uint32_t c) {
  for (int i = 0; i < 8; i++) ring.setPixelColor(i, c);
  ring.show();
}

/* --- 3. 雨傘狀態：LOW＝磁鐵近＝傘在架上 --- */
bool umbrellaIn() { return digitalRead(PIN_HALL) == LOW; }

/* --- 4. 連線＋對時＋抓預報 ---
 * 回傳：-1 失敗；0–100 當日最大降雨機率
 * 註：示範用 setInsecure() 跳過憑證驗證——被偽造的只有
 *     「讓你在晴天多帶傘」這種等級的風險；介意者自行
 *     setCertificateAuthority() 釘根憑證。 */
int fetchRain() {
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS);
  unsigned long t0 = millis();
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && millis() - t0 < 10000) delay(200);
  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) return -1;

  configTime(8 * 3600, 0, "pool.ntp.org");   // 臺灣 UTC+8
  ntpOk = 0;
  t0 = millis();
  while (!ntpOk && millis() - t0 < 8000) {  // gmtime 拿到 2026 以上＝成功
    time_t t = time(nullptr);
    if (t > 1700000000) ntpOk = 1; else delay(200);
  }

  WiFiClientSecure sec;
  sec.setInsecure();                         // 見上方風險說明
  HTTPClient http;
  String url = "https://api.open-meteo.com/v1/forecast?latitude=" +
               String(LAT, 3) + "&longitude=" + String(LON, 3) +
               "&daily=precipitation_probability_max"
               "&forecast_days=1&timezone=Asia%2FTaipei";
  int prob = -1;
  if (http.begin(sec, url)) {
    http.setTimeout(8000);                   // 逾時就放棄，別耗電死等
    if (http.GET() == HTTP_CODE_OK) {
      JsonDocument doc;                      // ArduinoJson 7.x
      if (!deserializeJson(doc, http.getStream()))
        prob = doc["daily"]["precipitation_probability_max"][0] | -1;
    }
    http.end();
  }
  WiFi.disconnect(true);                     // 關射電再睡，省到最後 1µA
  return prob;
}

/* --- 5. 警報：紅燈呼吸＋每 4 秒三短嗶，傘進手即綠燈 ---
 * 回傳：true＝傘已入手的 happy end */
bool playAlarm() {
  unsigned long end = millis() + 30000;
  unsigned long lastBz = 0;
  while (millis() < end) {
    if (umbrellaIn()) { ringColor(ring.Color(0, 255, 0)); buzz(1); delay(1200); return true; }
    for (int b = 0; b < 20; b++) {           // 一個呼吸 ≈ 1.2s
      if (umbrellaIn()) { ringColor(ring.Color(0, 255, 0)); return true; }
      uint8_t lv = 40 + (uint8_t)(150 * fabsf(sinf((b + (millis() / 60)) * 0.35f)));
      for (int i = 0; i < 8; i++) ring.setPixelColor(i, ring.Color(lv, 0, 0));
      ring.show();
      delay(60);
    }
    if (millis() - lastBz > 4000) { buzz(3); lastBz = millis(); }
  }
  ringColor(0);
  return false;                              // 30 秒叫不動＝今天註定淋雨
}

/* --- 6. 排程下一次喚醒（含週末改點） ---
 * 對時失敗時退化成固定 23.5 小時——寧可早點見客，不可睡過頭 */
void scheduleSleep() {
  int32_t secs = -1;
  if (ntpOk) {
    setenv("TZ", "CST-8", 1); tzset();       // 臺灣時間
    time_t now = time(nullptr);
    struct tm t = *localtime(&now);
    int target = (t.tm_wday == 0 || t.tm_wday == 6) ? ALARM_WKND : ALARM_WDAY;
    int nowMin = t.tm_hour * 60 + t.tm_min;
    int delta = target - nowMin;
    if (delta <= 1) {                        // 今天過了 → 找下一天
      for (int d = 1; d <= 7; d++) {
        int wd = (t.tm_wday + d) % 7;
        int tg = (wd == 0 || wd == 6) ? ALARM_WKND : ALARM_WDAY;
        if (wd != 0 && wd != 6) { delta = tg + 24 * 60 * (d - 1) - nowMin; break; }
        if (d == 7) delta = tg + 24 * 60 * (d - 1) - nowMin;  // 保險絲
      }
    }
    secs = delta * 60L - t.tm_sec + 5;
  }
  uint64_t us = (secs > 60) ? (uint64_t)secs * 1000000ULL : 84600ULL * 1000000ULL; // 兜底 23.5h
  esp_sleep_enable_timer_wakeup(us);

  /* 喚醒腳：按鈕永遠待命；傘在架上時才把霍爾也掛上
   * （EXT1 高準位喚醒：傘被拿走＝OUT 變 HIGH＝叫醒我） */
  uint64_t mask = BIT64(PIN_BTN);
  if (umbrellaIn()) mask |= BIT64(PIN_HALL);
  esp_sleep_enable_ext1_wakeup(mask, ESP_EXT1_WAKEUP_ANY_HIGH);
  ringColor(0); ring.show();
  delay(10);
  esp_deep_sleep_start();
}

void setup() {
  pinMode(PIN_HALL, INPUT);                  // 霍爾自帶上拉，不開內部
  pinMode(PIN_BTN, INPUT_PULLDOWN);
  analogSetAttenuation(ADC_11db);            // 分壓後最大 ~2.1V，11dB 才量得到
  ring.begin();
  ring.setBrightness(LED_BRIGHT);
  ringColor(ring.Color(0, 40, 0));           // 開機微弱綠光＝還活著

  /* --- 電壓檢查：低於 3.35V 先抱怨再繼續 --- */
  uint32_t mv = analogReadMilliVolts(PIN_VBAT) * 2;  // 100k/100k 分壓
  if (mv && mv < 3350) { buzz(2, 200, 150); ringColor(ring.Color(255, 120, 0)); delay(1500); }

  esp_sleepwake_reason_t why = esp_sleep_get_wakeup_cause();
  uint64_t src = esp_sleep_get_ext1_wakeup_status();
  bool btnWake  = (why == ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT1) && (src & BIT64(PIN_BTN));
  bool hallWake = (why == ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT1) && (src & BIT64(PIN_HALL));

  /* --- 7. 事後攔截：已預報有雨、警報也播過，傘卻被拔走 --- */
  if (hallWake && rained == 2 && warned == 1) {
    ringColor(ring.Color(255, 0, 0));
    buzz(3, 90, 90);                          // 「我說過有雨！」
    delay(1500);
    scheduleSleep();
  }

  /* --- 8. 抓資料：定時醒／按鈕查／今日尚未查過 --- */
  int prob = fetchRain();
  if (prob >= 0 && ntpOk) {
    setenv("TZ", "CST-8", 1); tzset();
    uint8_t today = localtime(&(time_t){time(nullptr)})->tm_mday;
    if (today != rDay) { rDay = today; warned = 0; }   // 跨日重置旗標
    rained = (prob >= RAIN_PCT) ? 2 : 1;
  }

  if (prob < 0) {                              // 抓不到：綠閃兩下認命，不重試燒電池
    ringColor(ring.Color(0, 120, 0)); delay(250);
    ringColor(0);               delay(150);
    ringColor(ring.Color(0, 120, 0)); delay(250);
    ringColor(0);
  } else if (btnWake) {                        // 手動查詢：綠<30 青 30–49 紅≥50
    ringColor(prob < 30 ? ring.Color(0, 200, 0)
            : prob < RAIN_PCT ? ring.Color(0, 180, 200) : ring.Color(200, 0, 0));
    buzz(1); delay(4000);
  } else if (rained == 2 && umbrellaIn()) {    // 有雨但傘已在手（備用傘）→ 青燈認可
    ringColor(ring.Color(0, 180, 200)); buzz(1); delay(2000);
  } else if (rained == 2) {                    // 有雨且傘還在架上 → 開演
    playAlarm(); warned = 1;  // 叫不動也算播過，明天繼續
  } else {                                     // 乾天：綠燈早安 2 秒
    ringColor(ring.Color(0, 200, 0)); delay(2000);
  }
  scheduleSleep();
}

void loop() {}                                 // 本機人生都在 setup→deep sleep 往復

😴 睡眠與喚醒邏輯

一個設計上會被問的點：傘放回傘座為什麼不喚醒？ESP32-C2 的 EXT1 只支援高準位喚醒，而「傘放回」是 OUT 變 LOW。代價是放傘不點燈，但換到的是不用在任何狀態下和瞬間脈波搏鬥——這臺機器的本職是叫你拿傘，不是當傘的保全。

🔧 組裝重點速覽

1. 外接 USB-TTL 燒錄（板子絲印 TX/RX，接線時 TTL 端的 TX 接板的 RX）；先用迴轉測試程式確認 TX/RX 沒接反。
2. 霍爾與磁鐵的間隙抓 10–15mm：傘插到底磁鐵正好在霍爾側窗旁；用韌體開機綠燈當「磁場確認燈」。
3. 升壓板先空載調到 5.1V 再焊上去——出廠預設可能衝到 6V 以上，燈環會燒給你。
4. 燈環韌體先跑色彩測試再鎖進罩內，鎖進去才發現焊錯要拆全機。
5. 排程把 06:45 暫時改成「兩分鐘後」實測整條警報鏈，再改回正式時間。

🛠️ 問題排除

🚀 進階延伸

• 改吃政府資料：Open-Meteo 換成中央氣象署 opendata 的「新北市未來 3 天預報」（資料集 F-D0047-069，免費註冊取 Authorization），網址加 &LocationName=汐止區&ElementName=天氣預報綜合描述 就只回你鄉鎮那一小段 JSON；解析把 ProbabilityOfPrecipitation 字串摳出來即可。官方預報與你的通勤圈更貼，但記得多存一個 Open-Meteo 當備援
• NAS 電量上報：醒時順便 publish 電池 mV 到 NAS MQTT，Node-RED 做一條「換電池」推播——比機身那兩聲嗶誠實
• 雙傘座版：傘座×2、霍爾×2，一把長柄一把折疊，並把「帶哪把」的決定權交給風速（>30km/h 強制長柄，韌體加一行）
• PIR 加哨：有人經過才顯示電量/狀態燈，把平均電流再壓三成——但警報鏈不受影響，因為警報發生在固定時段

📦 檔案清單

rainy-umbrella-guard/
├── src/
│   └── rainy_umbrella_guard.ino   # 完整韌體（本頁）
├── test/
│   └── hw-check.ino               # 霍爾/按鈕/燈環/蜂鳴器/ADC 五合一測試
├── stl/
│   ├── umbrella-socket.stl        # 傘座（磁鐵槽＋霍爾側窗）
│   ├── led-diffuser.stl           # 燈環透光罩（2壁柔光）
│   ├── backbox-body.stl           # 背板主機艙
│   └── battery-plate.stl          # 電池艙底蓋
├── f3d/
│   └── umbrella-guard.f3d         # Fusion 360 原始檔
└── manual/
    └── assembly.html              # 圖文組裝說明書