整合 ESP32、感測器、控制、雲端的完整 IoT 專案。
一、學習目標
- 系統架構規劃
- 多周邊整合
- Wi-Fi / MQTT 通訊
- 低功耗管理
- OTA 韌體更新
- PCB 設計與量產
二、專案規格
智慧家居節點（單一裝置）：
| 功能 | 說明 |
|---|---|
| 環境監測 | T、RH、CO₂、PM2.5 |
| 燈光控制 | 12V LED 條 PWM |
| 開關 | 4 路 Relay 控制 |
| PIR | 人體感測 |
| 顯示 | 1.3" OLED |
| 連網 | Wi-Fi + BLE |
| 雲端 | MQTT + Home Assistant |
| 電源 | USB-C 5V 或 12V |
| 韌體 | ESP-IDF + FreeRTOS |
| 更新 | OTA |
三、硬體設計
主控
ESP32-S3 模組（內建 PSRAM、Wi-Fi、BLE）。
電源
USB-C 5V ──── ESD ── 5V Bus ── LDO 3.3V ──── ESP32
│
└── Buck 12V→5V（如有 12V 輸入）
Relay 驅動
ESP32 GPIO → ULN2003 / MOSFET → Relay 線圈（含飛輪二極體）
LED Driver
ESP32 PWM → Gate Driver → N-MOSFET → 12V LED Strip
感測器
- BME680：T、RH、IAQ（I²C）
- SCD41：CO₂ 真實量測（I²C）
- PMS5003：PM2.5（UART）
- PIR：HC-SR501（GPIO）
OLED
- SSD1306 1.3"（I²C）
USB-C
- TypeC 24-pin
- CC 電阻 5.1k 兩顆
- ESD 保護
- USB-Serial：透過 ESP32 內建 USB
四、PCB 設計重點
- 天線淨空：模組天線下方無銅皮，保留淨空區
- 電源接地分區：類比 / 數位 / 高電流分開
- 散熱：Buck IC 焊盤打 thermal via 到底層銅皮
- 保護：USB ESD、12V TVS、Reverse polarity
- Debug：JTAG / SWD pad、UART debug pad、Reset / Boot 鈕
- EMC：Y 電容、共模扼流圈（在 USB / 12V 入口）
五、韌體架構（FreeRTOS Tasks）
xTaskCreate(sensor_task, "sensor", 4096, NULL, 5, NULL);
xTaskCreate(display_task, "disp", 4096, NULL, 4, NULL);
xTaskCreate(network_task, "net", 8192, NULL, 6, NULL);
xTaskCreate(control_task, "ctrl", 4096, NULL, 7, NULL);
| Task | 工作 |
|---|---|
| sensor | 每 5 秒讀感測器 |
| display | 每 1 秒更新 OLED |
| network | Wi-Fi 維護、MQTT 收發 |
| control | 處理命令、控制 Relay/LED |
共享資料
用 FreeRTOS Queue 與 Semaphore 同步。
六、MQTT 主題設計
home/livingroom/sensor/temperature
home/livingroom/sensor/humidity
home/livingroom/sensor/co2
home/livingroom/sensor/pm25
home/livingroom/light/state
home/livingroom/light/set
home/livingroom/relay1/set
home/livingroom/online ← LWT
MQTT 範例（ESP-IDF）
esp_mqtt_client_config_t mqtt_cfg = {
.broker.address.uri = "mqtt://192.168.1.10:1883",
.credentials = {
.username = "user",
.authentication.password = "pass",
},
};
esp_mqtt_client_handle_t client = esp_mqtt_client_init(&mqtt_cfg);
esp_mqtt_client_register_event(client, ESP_EVENT_ANY_ID, mqtt_event_handler, NULL);
esp_mqtt_client_start(client);
七、OTA 更新
ESP-IDF 提供 esp_https_ota 函式：
esp_https_ota_config_t ota_config = {
.http_config = &config,
};
esp_err_t ret = esp_https_ota(&ota_config);
if (ret == ESP_OK) {
esp_restart();
}
實作要點： - 雙 Bank（OTA0 / OTA1） - 簽章驗證 - 回滾機制（boot 失敗自動還原）
八、低功耗模式
Deep Sleep
ESP32 < 10 µA。透過 RTC 計時或 EXT0/EXT1 喚醒：
esp_sleep_enable_timer_wakeup(60 * 1000000ULL); // 60s
esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_25, 1); // PIR 喚醒
esp_deep_sleep_start();
Light Sleep
維持 RAM、需要快速喚醒場景。
九、安全考量
- Wi-Fi WPA2/WPA3
- TLS 加密 MQTT（Port 8883）
- Secure Boot（防偽韌體）
- Flash 加密（保護 IP）
- OTA 簽章
- 不在程式碼中硬編密碼，用 Provisioning
十、與 Home Assistant 整合
MQTT 自動發現
ESP32 推送 config 訊息：
{
"name": "Living Room Temperature",
"state_topic": "home/livingroom/sensor/temperature",
"unit_of_measurement": "°C",
"device_class": "temperature"
}
到 homeassistant/sensor/livingroom_temp/config。
HA 會自動加入此實體。
十一、量產 / 開源
- PCB 量產：JLCPCB / PCBA 服務
- 外殼：Fusion 360 + 3D 列印
- 認證：BSMI、CE、FCC（自願 / 強制依市場）
- GitHub 開源：吸引社群改進
- 安全更新長期維護
十二、進階變化
- Matter / Thread 取代 MQTT
- 更小尺寸：用 ESP32-C3 或 ESP32-H2
- 太陽能 + 鋰電池
- 加 LCD 觸控
- AI 邊緣推論：環境異常偵測
十三、本專案重點
✅ 您學到：
- [x] 完整 IoT 系統設計
- [x] FreeRTOS 多任務
- [x] MQTT 通訊
- [x] OTA 與安全
- [x] 低功耗
- [x] PCB 量產考量