第 16 章　ESP32 與無線

本章目標

• 學完你會說出 ESP32 和 Arduino UNO 的四個主要差別，並且知道「3.3V 邏輯」代表什麼。
• 學完你會在 Arduino IDE 裡安裝 ESP32 開發板，上傳第一個程式，並處理「卡在 Connecting」的狀況。
• 學完你會讓 ESP32 連上 Wi-Fi、印出 IP 位址，並用手機打開一個網頁來開關 LED。
• 學完你會把 DHT11 的溫濕度同時顯示在網頁和 OLED 上。
• 學完你會用示波器比較 ESP32 的 3.3V 和 UNO 的 5V 高電位，並能說出 MQTT 與深度睡眠大概是做什麼用的。

開場：那顆會自己上網的小板子

你有沒有想過，家裡的智慧插座、空氣清淨機、掃地機器人，為什麼可以用手機 App 遙控？它們裡面並沒有一台電腦，也沒有插網路線。打開外殼，你多半會看到一片指甲大小、銀色外殼上印著「ESP32」或「ESP8266」的小模組。這些模組來自深圳的一家公司樂鑫（Espressif），價格只要幾十塊台幣，卻內建了 Wi-Fi 和藍牙。

前面幾章我們用 Arduino UNO 讀感測器、控制馬達、跟 OLED 講話。可是 UNO 是一座孤島：它量到的溫度只能印在電腦螢幕上，你人不在電腦前就看不到。想躺在床上用手機看房間溫濕度，或出門前用手機關電風扇，UNO 做不到。

這一章我們換一塊板子：ESP32 DevKit V1。它跟 UNO 一樣用 Arduino IDE 寫程式，同樣有 setup() 和 loop()，同樣用 digitalWrite() 點 LED，但它會上網。本章結束時，你的手機會多出一個「網頁遙控器」，而且是你自己寫的。

核心概念

ESP32 跟 UNO 差在哪裡？

比喻：UNO 像一輛可靠的腳踏車，構造簡單、好修、怎麼摔都不太會壞。ESP32 像一台電動滑板車：速度快、功能多、還有無線通訊，但需要注意的地方也多一點。

「雙核心」的意思是板子裡有兩個處理器同時工作，其中一個通常在忙著處理 Wi-Fi，另一個跑你寫的程式。你暫時不需要管它，Arduino 的函式庫會幫你安排。

最重要的差別是第一列：ESP32 的所有腳位都是 3.3V。它輸出 HIGH 的時候是 3.3V，不是 5V；它的輸入腳也只能承受最高 3.3V。

3.3V 邏輯：為什麼不能接 5V 訊號？

比喻：UNO 的腳位像一條設計給大卡車走的橋，ESP32 的腳位像一條只給機車走的小橋。機車（3.3V）開上大橋沒問題；大卡車（5V）開上小橋，橋會垮。

ESP32 的輸入腳位最高只能承受大約 3.6V。如果你把 UNO 的 5V 輸出直接接到 ESP32 的輸入腳，多出來的電壓會從晶片內部不該走的路衝進去，輕則讀值錯亂，重則腳位燒壞。

反過來卻沒問題：ESP32 輸出 3.3V 給 UNO 讀，UNO 要多高才算 HIGH？第 11 章學過，UNO 的門檻大約是 3V（5V 的 0.6 倍）。3.3V 高於 3V，所以 UNO 讀得到。

那如果非要把 5V 訊號餵給 ESP32 怎麼辦？用第 3 章的分壓器就行。拿兩個相同的電阻串聯：

 UNO 5V 訊號 ──[ 10kΩ ]──┬──[ 10kΩ ]── GND
                         │
                      ESP32 輸入腳（這裡是 2.5V）

算一下：V_out = 5V × 10kΩ ÷ (10kΩ + 10kΩ) = 5V × 0.5 = 2.5V。2.5V 低於 3.3V，安全；而且高於 ESP32 判定 HIGH 的門檻（大約 3.3V × 0.75 ≈ 2.5V，實際上大多數板子 2.5V 已能讀到 HIGH，如果不穩可以把下面那顆換成 15kΩ，得到 3V）。第 17 章的迷你示波器專題就會用到這招。

哪些腳位可以用、哪些不行？

ESP32 DevKit V1 有 30 支腳（有些版本是 36 支）。下面是你最常用的，以及要避開的：

                ┌──────────────────────┐
         3V3 ───┤ 3.3V 輸出（最多約 500mA）  VIN ├─── 5V 輸入（USB 供電時這裡有 5V）
         GND ───┤                          GND ├───
     GPIO 36 ───┤ 只能輸入（VP）         GPIO 23 ├───
     GPIO 39 ───┤ 只能輸入（VN）         GPIO 22 ├─── I2C SCL（OLED）
     GPIO 34 ───┤ 只能輸入 ★類比輸入預設  GPIO 21 ├─── I2C SDA（OLED）
     GPIO 35 ───┤ 只能輸入               GPIO 19 ├───
     GPIO 32 ───┤                        GPIO 18 ├─── ★PWM 輸出預設
     GPIO 33 ───┤                         GPIO 5 ├───
     GPIO 25 ───┤                        GPIO 17 ├───
     GPIO 26 ───┤                        GPIO 16 ├───
     GPIO 27 ───┤                         GPIO 4 ├─── DHT11 預設
     GPIO 14 ───┤                         GPIO 2 ├─── ★板上藍色 LED
     GPIO 12 ───┤ 開機時必須是 LOW          GPIO 15 ├───
         GND ───┤                         GND ├───
     GPIO 13 ───┤                   [EN]  [BOOT] │  ← 兩顆按鈕
                └──────────[ USB ]────────────┘

規則整理：

1. GPIO 34、35、36、39 只能當輸入，不能 digitalWrite()，也沒有內建上拉電阻。它們很適合接光敏電阻、可變電阻這種類比訊號。
2. GPIO 6–11 絕對不要接。它們連到板子內部的快閃記憶體（Flash），一碰程式就會當掉。30 腳的 DevKit V1 根本沒把它們拉出來；如果你的板子有標示 CLK、CMD、SD0–SD3 的腳，那就是它們，跳過。
3. GPIO 2 接著板上的藍色 LED，就像 UNO 的 D13。本書 ESP32 的 LED 預設用它。
4. GPIO 0、2、12、15 在開機瞬間會被板子「偷看」來決定開機模式。平常用沒關係，但不要在這些腳接上拉或下拉電阻（例如 GPIO 12 接上拉會讓板子開不了機）。
5. 兩顆按鈕：EN 是重置（跟 UNO 的 RESET 一樣），BOOT 是上傳程式時用的，等一下會用到。

Wi-Fi 是怎麼連上的？

比喻：Wi-Fi 分享器（路由器）像一棟公寓的管理員。每一台想進公寓的裝置都要先報上名字和密碼（SSID 和密碼），管理員確認後會分配一個「門牌號碼」給它，這就是 IP 位址（IP Address），長得像 192.168.1.57。同一棟公寓裡的住戶，只要知道門牌就能互相敲門。

所以手機要控制 ESP32，條件只有兩個：

1. 手機和 ESP32 連到同一個 Wi-Fi。
2. 你知道 ESP32 的 IP 位址（它會從序列埠印給你）。

注意：ESP32 只支援 2.4 GHz 的 Wi-Fi。很多家用分享器同時有 2.4 GHz 和 5 GHz 兩個名字，連錯就永遠連不上。用手機開熱點也可以，但要在熱點設定裡選「2.4 GHz」或「相容模式」。

網頁伺服器：ESP32 怎麼「給你一個網頁」？

比喻：網頁伺服器（Web Server）像一間小店。瀏覽器（顧客）走進來說「我要 /on 這個東西」，店員（你的程式）就把對應的商品（一段 HTML 文字）遞出去。

你在手機瀏覽器輸入 http://192.168.1.57/on，意思是「敲 192.168.1.57 這個門牌，跟它要 /on」。ESP32 收到後會執行你指定的函式（例如把 LED 點亮），再回傳一段文字給瀏覽器顯示。整個流程只有三步：

1. server.on("/on", handleOn);：告訴伺服器「有人要 /on 時，呼叫 handleOn()」。
2. server.begin();：開店。
3. 在 loop() 裡不停呼叫 server.handleClient();：店員顧店，看有沒有顧客進來。

第三點很重要。loop() 裡如果有一個很長的 delay(5000)，店員就會睡著五秒鐘，顧客怎麼敲門都沒人理。所以後面的程式會用 millis() 來計時，而不是 delay()。

動手做

實驗 16-1：安裝 ESP32 並點亮板上 LED

材料

• ESP32 DevKit V1 ×1
• Micro USB 傳輸線 ×1（要能傳資料的，有些只能充電）
• 電腦（已安裝 Arduino IDE）
• 數位三用電表 ×1

接線

這個實驗只用 USB 線接電腦，不用麵包板。

 電腦 USB ════ Micro USB ════ [ ESP32 DevKit V1 ]
                                   GPIO 2 ──►|── 板上藍色 LED（已內建，不用接）

步驟

1. 打開 Arduino IDE，進入「檔案 → 偏好設定」（Mac 是「Arduino IDE → Settings」）。
2. 找到「額外的開發板管理員網址」欄位，貼上這一行，按「確定」：

   https://espressif.github.io/arduino-esp32/package_esp32_index.json
   

   如果欄位裡已經有別的網址，用逗號隔開再貼。
3. 進入「工具 → 開發板 → 開發板管理員」，在搜尋框輸入 esp32，找到 esp32 by Espressif Systems，按「安裝」。這會下載幾百 MB，請耐心等待。
4. 用 USB 線接上 ESP32。進入「工具 → 開發板 → esp32」，在很長的清單裡選 ESP32 Dev Module。
5. 「工具 → 連接埠」選擇新出現的那一個（Windows 是 COMx，Mac 是 /dev/cu.usbserial-xxxx）。如果沒有出現，你的電腦可能需要安裝 CP2102 驅動程式，請老師協助。
6. 把下面的程式貼進去，按「上傳」。

// 實驗 16-1：ESP32 第一個程式，閃爍板上 LED
const int ledPin = 2;   // ESP32 DevKit V1 的板上藍色 LED 接在 GPIO 2

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);     // 把 GPIO 2 設成輸出
  Serial.begin(115200);        // ESP32 習慣用 115200，比 UNO 的 9600 快
  Serial.println("ESP32 準備好了！");
}

void loop() {
  digitalWrite(ledPin, HIGH);  // 點亮
  delay(500);                  // 等 0.5 秒
  digitalWrite(ledPin, LOW);   // 熄滅
  delay(500);
}

7. 看 IDE 下方的黑色輸出區。當你看到 Connecting........_____....._____ 一直重複時，按住板子上的 BOOT 鍵不放，直到文字變成 Writing at 0x00001000... 再放開。這是 DevKit V1 最常見的小脾氣，不是壞掉。
8. 上傳完成後，打開序列埠監控視窗，右下角鮑率選 115200。

你應該看到

藍色 LED 每秒閃一次。序列埠監控視窗印出「ESP32 準備好了！」。如果看到一堆亂碼，多半是鮑率沒選 115200。

9. 拿三用電表切到直流電壓檔（20V），黑棒接 GND 腳，紅棒分別接 3V3 腳和 VIN 腳，記錄數值。

觀察與記錄

實驗 16-2：連上 Wi-Fi，印出 IP 位址

材料

• 實驗 16-1 的全部
• 一個 2.4 GHz 的 Wi-Fi 名稱與密碼（教室的分享器或手機熱點）

接線

同實驗 16-1，只用 USB 線。

步驟

1. 把程式裡的 你的Wi-Fi名稱 和 你的Wi-Fi密碼 換成真的。大小寫要一模一樣。
2. 上傳，打開序列埠監控視窗（115200）。

// 實驗 16-2：ESP32 連上 Wi-Fi 並印出 IP 位址
#include <WiFi.h>              // ESP32 內建的 Wi-Fi 函式庫

const char* ssid     = "你的Wi-Fi名稱";   // 分享器的名字（SSID）
const char* password = "你的Wi-Fi密碼";   // 密碼，不要把它上傳到網路上給別人看

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(500);                            // 給序列埠一點時間開起來
  Serial.print("正在連線到：");
  Serial.println(ssid);

  WiFi.mode(WIFI_STA);                   // STA 模式 = 當一台「客戶端」去連分享器
  WiFi.begin(ssid, password);            // 開始連線

  int tries = 0;
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { // 還沒連上就一直等
    delay(500);
    Serial.print(".");
    tries++;
    if (tries > 40) {                    // 等了 20 秒還沒連上，印提示
      Serial.println();
      Serial.println("連不上，請檢查名稱、密碼，以及是不是 2.4GHz");
      tries = 0;
    }
  }

  Serial.println();
  Serial.println("連上了！");
  Serial.print("IP 位址：");
  Serial.println(WiFi.localIP());        // 把這串數字記下來，等一下手機要用
  Serial.print("訊號強度 RSSI：");
  Serial.print(WiFi.RSSI());             // 負數，越接近 0 代表訊號越強
  Serial.println(" dBm");
}

void loop() {
  // 這個實驗 loop 不用做事
}

你應該看到

序列埠印出一排點點，幾秒後出現「連上了！IP 位址：192.168.x.x」。RSSI 大約在 -40（很強）到 -80（很弱）之間。

3. 拿手機，確認手機連到同一個 Wi-Fi，打開瀏覽器輸入 ESP32 的 IP。現在會顯示「無法連線」，這是正常的，因為我們還沒開店。下一個實驗就要開了。

觀察與記錄

實驗 16-3：用手機網頁開關 LED

材料

• 實驗 16-2 的全部
• （可選）紅色 LED ×1、220Ω 電阻 ×1、麵包板、杜邦線：想看外接 LED 的話加上這組

接線

用板上 LED 就不必接線。想接外接 LED 的話：

 ESP32 GPIO 2 ──[ 220Ω ]──►|── GND
                          LED

文字說明：ESP32 GPIO 2 → 220Ω → LED 長腳，LED 短腳 → ESP32 GND。GPIO 2 同時會點亮板上 LED 和外接 LED。

步驟

1. 填入 Wi-Fi 名稱和密碼，上傳。

// 實驗 16-3：ESP32 網頁伺服器，用手機開關 LED
#include <WiFi.h>
#include <WebServer.h>          // ESP32 內建的簡易網頁伺服器

const char* ssid     = "你的Wi-Fi名稱";
const char* password = "你的Wi-Fi密碼";

const int ledPin = 2;           // 板上 LED
bool ledOn = false;             // 記住目前狀態，網頁要顯示

WebServer server(80);           // 80 是網頁的標準「門」（埠號）

// 組出一段 HTML 網頁文字，手機瀏覽器會把它畫出來
String makePage() {
  String html = "<!DOCTYPE html><html><head><meta charset='utf-8'>";
  html += "<meta name='viewport' content='width=device-width, initial-scale=1'>";  // 手機上字不會太小
  html += "<title>ESP32 LED</title></head>";
  html += "<body style='font-family:sans-serif;text-align:center;margin-top:40px'>";
  html += "<h1>ESP32 LED 遙控器</h1>";
  html += "<p style='font-size:1.5em'>目前狀態：";
  html += ledOn ? "<b style='color:orange'>亮</b>" : "<b style='color:gray'>暗</b>";
  html += "</p>";
  // 兩顆按鈕，按下去會連到 /on 或 /off
  html += "<p><a href='/on'><button style='font-size:2em;padding:20px'>開燈</button></a> ";
  html += "<a href='/off'><button style='font-size:2em;padding:20px'>關燈</button></a></p>";
  html += "</body></html>";
  return html;
}

// 有人連到「/」（首頁）時執行
void handleRoot() {
  server.send(200, "text/html; charset=utf-8", makePage());  // 200 代表「成功」
}

// 有人連到「/on」時執行
void handleOn() {
  ledOn = true;
  digitalWrite(ledPin, HIGH);                  // 真的點亮 LED
  Serial.println("收到 /on，開燈");
  server.send(200, "text/html; charset=utf-8", makePage());
}

// 有人連到「/off」時執行
void handleOff() {
  ledOn = false;
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  Serial.println("收到 /off，關燈");
  server.send(200, "text/html; charset=utf-8", makePage());
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  digitalWrite(ledPin, LOW);

  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(ssid, password);                  // 連 Wi-Fi，跟實驗 16-2 一樣
  Serial.print("連線中");
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println();
  Serial.print("請用手機瀏覽器打開：http://");
  Serial.println(WiFi.localIP());

  server.on("/", handleRoot);                  // 登記三條路：誰來要什麼，就叫誰處理
  server.on("/on", handleOn);
  server.on("/off", handleOff);
  server.begin();                              // 開店
  Serial.println("網頁伺服器已啟動");
}

void loop() {
  server.handleClient();                       // 顧店：一直檢查有沒有人敲門
  // 注意：這裡不要放長的 delay()，不然店員會睡著
}

2. 打開序列埠監控視窗，記下 IP。
3. 手機瀏覽器輸入 http:// 加上那個 IP（例如 http://192.168.1.57）。
4. 按「開燈」、「關燈」，同時看板子和序列埠。

你應該看到

手機出現一個有兩顆大按鈕的網頁。按「開燈」，網址列變成 .../on，藍色 LED 亮，序列埠印「收到 /on，開燈」。按「關燈」則相反。同學的手機只要連同一個 Wi-Fi，也能控制你的 LED。

觀察與記錄

實驗 16-4：溫濕度顯示在網頁與 OLED

材料

• ESP32 DevKit V1 ×1
• DHT11 溫濕度感測器 ×1（三腳或四腳模組皆可）
• 0.96 吋 OLED（SSD1306，I2C）×1
• 10kΩ 電阻 ×1（如果 DHT11 是裸元件四腳版才需要；三腳模組已內建）
• 麵包板、杜邦線

接線

                 ┌─────────────────┐
     3V3 ────────┤ VCC    DHT11    │
     GPIO 4 ─────┤ DATA            │   （裸元件版：DATA 與 VCC 之間加 10kΩ 上拉）
     GND ────────┤ GND             │
                 └─────────────────┘

                 ┌─────────────────┐
     3V3 ────────┤ VCC    OLED     │
     GND ────────┤ GND   SSD1306   │
     GPIO 21 ────┤ SDA             │
     GPIO 22 ────┤ SCL             │
                 └─────────────────┘

文字說明：

• DHT11 VCC → ESP32 3V3；DHT11 DATA → ESP32 GPIO 4；DHT11 GND → ESP32 GND。
• OLED VCC → ESP32 3V3；OLED GND → ESP32 GND；OLED SDA → ESP32 GPIO 21；OLED SCL → ESP32 GPIO 22。
• 兩個元件都用 3V3，不要接 VIN 的 5V。OLED 模組雖然多半能吃 5V，但它的 SDA/SCL 訊號會回到 ESP32，統一用 3.3V 最安全。

步驟

1. 確認已安裝函式庫：「工具 → 管理程式庫」搜尋並安裝 DHT sensor library（Adafruit）、Adafruit SSD1306、Adafruit GFX Library。第 13 章和第 15 章應該已經裝過。
2. 填入 Wi-Fi 名稱和密碼，上傳。

// 實驗 16-4：DHT11 溫濕度同時顯示在網頁和 OLED
#include <WiFi.h>
#include <WebServer.h>
#include <DHT.h>                 // Adafruit 的 DHT 函式庫
#include <Wire.h>                // I2C
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>

const char* ssid     = "你的Wi-Fi名稱";
const char* password = "你的Wi-Fi密碼";

#define DHTPIN  4                // DHT11 資料腳接 GPIO 4
#define DHTTYPE DHT11
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

#define OLED_SDA 21
#define OLED_SCL 22
Adafruit_SSD1306 display(128, 64, &Wire, -1);  // 128×64 像素，沒有 reset 腳

WebServer server(80);

float temperature = 0.0;         // 最近一次讀到的溫度（°C）
float humidity    = 0.0;         // 最近一次讀到的濕度（%）
unsigned long lastReadTime = 0;  // 上次讀感測器的時間（毫秒）

// 讀 DHT11，讀失敗就保留上一次的值
void readSensor() {
  float t = dht.readTemperature();
  float h = dht.readHumidity();
  if (!isnan(t) && !isnan(h)) {  // isnan = 不是數字，代表讀失敗
    temperature = t;
    humidity = h;
  } else {
    Serial.println("DHT11 讀取失敗，用上一次的值");
  }
}

// 把數值畫到 OLED 上（OLED 預設字型沒有中文，所以用英文）
void showOnOled() {
  display.clearDisplay();
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 0);
  display.print("IP: ");
  display.println(WiFi.localIP());        // 第一行顯示 IP，手機要用

  display.setTextSize(2);                 // 字放大兩倍
  display.setCursor(0, 20);
  display.print("T:");
  display.print(temperature, 1);          // 小數一位
  display.println(" C");
  display.setCursor(0, 44);
  display.print("H:");
  display.print(humidity, 0);             // 整數
  display.println(" %");
  display.display();                      // 真的送到螢幕
}

// 網頁：每 5 秒自動重新整理一次
void handleRoot() {
  String html = "<!DOCTYPE html><html><head><meta charset='utf-8'>";
  html += "<meta name='viewport' content='width=device-width, initial-scale=1'>";
  html += "<meta http-equiv='refresh' content='5'>";   // 瀏覽器每 5 秒自己重新載入
  html += "<title>ESP32 氣象站</title></head>";
  html += "<body style='font-family:sans-serif;text-align:center;margin-top:40px'>";
  html += "<h1>教室溫濕度</h1>";
  html += "<p style='font-size:3em'>" + String(temperature, 1) + " &deg;C</p>";
  html += "<p style='font-size:3em'>" + String(humidity, 0) + " %</p>";
  html += "<p style='color:gray'>每 5 秒自動更新</p>";
  html += "</body></html>";
  server.send(200, "text/html; charset=utf-8", html);
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  dht.begin();                                  // 啟動 DHT11

  Wire.begin(OLED_SDA, OLED_SCL);               // 指定 I2C 腳位
  if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) {  // OLED 位址 0x3C
    Serial.println("找不到 OLED，檢查接線或位址");
    while (true) delay(10);                     // 停在這裡
  }
  display.clearDisplay();
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 0);
  display.println("Connecting WiFi...");
  display.display();

  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println();
  Serial.print("網頁在 http://");
  Serial.println(WiFi.localIP());

  server.on("/", handleRoot);
  server.begin();

  readSensor();                                 // 先讀一次，網頁才有東西
  showOnOled();
}

void loop() {
  server.handleClient();                        // 顧店

  // 每 2 秒讀一次感測器（DHT11 最快只能每 1–2 秒讀一次）
  if (millis() - lastReadTime >= 2000) {
    lastReadTime = millis();
    readSensor();
    showOnOled();
    Serial.print("T=");
    Serial.print(temperature);
    Serial.print("  H=");
    Serial.println(humidity);
  }
}

3. 看 OLED，第一行會出現 IP，手機瀏覽器輸入它。
4. 用手指捏住 DHT11 十秒鐘，或對它呵氣，同時看 OLED 和手機。

你應該看到

OLED 顯示 IP 和大字的溫度、濕度。手機網頁每 5 秒自動更新。對 DHT11 呵氣後，濕度會明顯上升（可能從 60% 跳到 80% 以上），溫度慢慢上升一兩度，再慢慢回來。

觀察與記錄

概念介紹：MQTT，物聯網的「公布欄」

剛才的網頁伺服器有個限制：手機必須主動去「敲門」才拿得到資料，而且手機和 ESP32 要在同一個 Wi-Fi 底下。如果你想在學校看家裡的溫度，網頁伺服器就不夠了。

物聯網（IoT, Internet of Things）常用另一種方法：MQTT。

比喻：MQTT 像學校的公布欄。公布欄放在一個大家都能到的地方（這台機器叫代理人，Broker，通常在網路上）。ESP32 把溫度寫在「教室溫度」這一欄（這叫發布，Publish，欄位名稱叫主題，Topic）。任何想知道教室溫度的人，只要跟公布欄說「教室溫度這欄有更新就通知我」（這叫訂閱，Subscribe）。ESP32 不需要知道誰在看，看的人也不需要知道 ESP32 在哪裡，大家只要都找得到公布欄就好。

 ESP32 ──發布「教室/溫度 = 27.5」──►┌──────────┐
                                   │  Broker  │──通知──► 手機 App
 手機 ──發布「教室/風扇 = 開」──────►│ （公布欄）│──通知──► ESP32（開風扇）
                                   └──────────┘

MQTT 的優點是訊息很小、很省電，而且 ESP32 可以放在任何有網路的地方。Arduino 有現成的 PubSubClient 函式庫，網路上也有免費的公開 Broker（例如 test.mosquitto.org）讓你練習。本書不深入教，但你已經會 Wi-Fi 了，剩下的只是多裝一個函式庫、多學三個指令：connect()、publish()、subscribe()。

概念介紹：深度睡眠，讓電池撐幾個月

ESP32 開著 Wi-Fi 的時候大約吃 80–160 mA。用第 4 章學的方法算一下：一顆 9V 電池大約 500 mAh，500 ÷ 100 = 5 小時就沒電了。這樣的氣象站放在陽台撐不過一個下午。

比喻：深度睡眠（Deep Sleep）像冬眠的熊。熊醒著一天要吃很多東西，但冬眠時幾乎不消耗能量，只留一個「生理時鐘」等春天叫醒牠。ESP32 進入深度睡眠時幾乎把所有東西都關掉，只剩一個小小的計時器，耗電降到大約 0.01 mA，是醒著的萬分之一。

典型用法：醒來 → 連 Wi-Fi → 讀溫度 → 送出去 → 睡 10 分鐘 → 醒來……。醒著 5 秒、睡 600 秒，平均電流大約 100 mA × 5 ÷ 605 ≈ 0.8 mA，同一顆 9V 電池可以撐 500 ÷ 0.8 ≈ 625 小時，差不多 26 天。

有兩件事要知道：

1. 深度睡眠醒來時，程式會從 setup() 重新開始，像按了一次重置。一般變數的值會不見。
2. 想跨越睡眠記住東西，變數前面要加 RTC_DATA_ATTR，它會存在那個不會關掉的小角落裡。

下面是一個最小的範例，每 10 秒醒來閃一下 LED，並記錄自己醒來第幾次：

// 深度睡眠示範：醒來閃一下 LED、印出次數，再睡 10 秒
#define SLEEP_SECONDS 10
RTC_DATA_ATTR int wakeCount = 0;   // 這個變數睡覺時不會被清掉

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(300);
  wakeCount++;                     // 每醒來一次加 1
  Serial.print("第 ");
  Serial.print(wakeCount);
  Serial.println(" 次醒來");

  pinMode(2, OUTPUT);              // 閃一下板上 LED 表示「我醒了」
  digitalWrite(2, HIGH);
  delay(300);
  digitalWrite(2, LOW);

  Serial.println("要去睡了...");
  esp_sleep_enable_timer_wakeup((uint64_t)SLEEP_SECONDS * 1000000ULL);  // 單位是微秒
  esp_deep_sleep_start();          // 從這一行開始，板子就睡著了
}

void loop() {
  // 永遠不會執行到這裡，因為 setup() 最後就睡著了
}

上傳後你會看到序列埠每 10 秒印一次「第 N 次醒來」，N 一直增加。如果把 RTC_DATA_ATTR 拿掉，N 會永遠是 1。

用儀器看看

示波器：3.3V 和 5V 擺在一起看

這是本章最值得看的一個畫面。我們讓 UNO 和 ESP32 各閃一顆 LED，用示波器的兩個通道同時看它們的腳位電壓。

接線

1. 把第 12 章的 Blink 程式上傳到 UNO，但把腳位改成 D9，delay 改成 500 毫秒。ESP32 跑實驗 16-1 的程式。
2. 用一條杜邦線把 UNO 的 GND 和 ESP32 的 GND 接在一起（兩塊板子要有共同的 0V，才能比較）。
3. 探棒 CH1 鉤 UNO D9，CH2 鉤 ESP32 GPIO 2。兩支探棒的黑色鱷魚夾都夾到 GND（夾任何一塊板子的 GND 都可以，因為剛才接在一起了）。

 UNO D9 ───────────── CH1 探棒尖端
 UNO GND ──┬───────── CH1 鱷魚夾
           │
 ESP32 GND ┴───────── CH2 鱷魚夾
 ESP32 GPIO 2 ─────── CH2 探棒尖端

設定

• 兩個通道都 1 V/div，探棒 10×（記得示波器通道設定也要選 10×）。
• 把 CH2 的基準線往下移一點，讓兩條線不要疊在一起。
• 時間 200 ms/div。
• 觸發：CH1，上升緣，觸發電位 2.5V。

畫面應該像這樣

電壓
 5V ┤ ┌─────┐     ┌─────┐     ┌─────┐       ← CH1：UNO D9
    │ │     │     │     │     │     │
 0V ┼─┘     └─────┘     └─────┘     └────
    │
3.3V┤   ┌────┐    ┌────┐    ┌────┐         ← CH2：ESP32 GPIO 2
    │   │    │    │    │    │    │
 0V ┼───┘    └────┘    └────┘    └─────── 時間
      ◄──────────►
         1 秒（一個週期）

兩條都是方波，週期都是 1 秒，但高度差了 1.7V。用示波器的自動量測功能量 CH1 和 CH2 的「最大值（Max）」，把數字填進去：

ESP32 的 HIGH 可能只有 3.2V 左右而不是剛好 3.3V，這是正常的，腳位內部有一點點電阻。兩塊板子的方波起點不會對齊，因為它們各自按自己的時鐘走。

示波器：看 Wi-Fi 在吃電

ESP32 跑實驗 16-3。探棒 CH1 鉤 3V3 腳，鱷魚夾接 GND，設定 50 mV/div（有「AC 耦合」就打開，把 3.3V 直流濾掉只看抖動）、10 ms/div。你會看到每隔一段時間出現一小串往下的毛刺，那是 Wi-Fi 發射瞬間抽走大電流、讓 3.3V 下陷的痕跡。毛刺超過 200 mV 代表供電不夠力，這就是「Brownout」錯誤的來源。

邏輯分析儀：看 ESP32 跟 OLED 講話

第 15 章我們看過 UNO 和 OLED 的 I2C 訊號。現在把邏輯分析儀的 CH0 接 GPIO 21（SDA）、CH1 接 GPIO 22（SCL），GND 接 ESP32 GND，跑實驗 16-4，用 PulseView 的 I2C 解碼器看。你應該同樣看到位址 0x3C。不同的是訊號高電位變成 3.3V，邏輯分析儀的門檻（通常 1.5V 左右）仍然輕鬆判斷得出來。

常見錯誤與除錯

• 上傳一直卡在 Connecting........_____ → DevKit V1 沒有自動進入下載模式 → 看到 Connecting 時按住 BOOT 鍵不放，到出現 Writing 再放開。
• 上傳時出現 Failed to connect to ESP32: Timed out → USB 線只能充電不能傳資料，或連接埠選錯 → 換一條線、確認「工具 → 連接埠」選的是 ESP32 的那一個。
• 連接埠裡找不到板子 → 電腦缺 CP2102 或 CH340 驅動程式 → 看板子上 USB 旁邊的小晶片是哪一種，請老師協助安裝驅動。
• 序列埠印一堆亂碼 → 鮑率不對 → 監控視窗右下角改 115200。
• 一直印點點，連不上 Wi-Fi → SSID 或密碼打錯、連到 5 GHz 的名字、或熱點沒開 2.4 GHz → 重新檢查大小寫、改連 2.4 GHz。
• 序列埠印 Brownout detector was triggered 然後一直重開 → 供電不足 → 換短一點的 USB 線、換電腦的 USB 孔、不要透過 USB 集線器。
• IP 印出來了，但手機打不開網頁 → 手機不在同一個 Wi-Fi、或手機用了行動網路 → 手機關掉行動數據、確認連同一個 SSID。有些學校的 Wi-Fi 會禁止裝置互連，改用手機熱點試試。
• 網頁按了沒反應，但序列埠沒印出收到 → loop() 裡有長 delay()，店員睡著了 → 改用 millis() 計時。
• OLED 一片黑，序列埠印「找不到 OLED」 → 接線錯或位址是 0x3D → 用三用電表確認 VCC 有 3.3V；把程式的 0x3C 改成 0x3D 試試。
• DHT11 一直讀取失敗 → DATA 腳接錯、裸元件缺上拉電阻、或讀太頻繁 → 檢查接線、加 10kΩ 上拉、讀取間隔至少 2 秒。
• 把感測器從 UNO 搬到 ESP32 後讀值怪怪的 → 感測器輸出 5V 訊號接進 3.3V 腳 → 改用 3V3 供電，或加分壓器。
• 接了東西之後板子開不了機 → 接在 GPIO 0、2、12、15 的元件影響了開機判斷 → 拔掉重開確認，換別的腳位。

想一想

1. ESP32 的 digitalWrite(2, HIGH) 會讓 GPIO 2 變成幾伏特？UNO 的 digitalWrite(9, HIGH) 呢？

2. 小明想把 UNO 的 D9 訊號接到 ESP32 的 GPIO 34 讀，可以直接接嗎？如果不行，要怎麼改？

3. 下面哪些腳位可以用來 digitalWrite() 點亮 LED？GPIO 2、GPIO 18、GPIO 34、GPIO 6。

4. 手機已經連上 Wi-Fi，也輸入了正確的 IP，但網頁一直轉圈圈打不開。列出三個你會檢查的地方。

5. 一個 ESP32 氣象站用 3 顆 3 號電池（大約 2000 mAh）供電。如果它每小時醒來 10 秒（醒著時 120 mA）、其他時間深度睡眠（0.01 mA），大約可以撐幾天？

6. 開放挑戰：把實驗 16-3 和 16-4 合併，做一個網頁同時顯示溫濕度又能開關 LED。進一步，讓它在濕度超過 80% 時自動點亮 LED（當作「要除濕了」的警示）。想一想，這個「自動」的判斷應該寫在 loop() 的哪裡？

本章小結

• ESP32 是 3.3V 邏輯的板子：輸出 HIGH 是 3.3V，輸入腳不可以接 5V 訊號，需要的話用分壓器降壓。
• 安裝：偏好設定加入 Espressif 的網址 → 開發板管理員安裝 esp32 → 選「ESP32 Dev Module」。上傳卡在 Connecting 就按住 BOOT。
• GPIO 34–39 只能輸入；GPIO 6–11 不能用；GPIO 2 接板上 LED；序列埠用 115200。
• Wi-Fi 連線只支援 2.4 GHz。連上後 ESP32 會拿到一個 IP 位址，手機要在同一個 Wi-Fi 才找得到它。
• 網頁伺服器三步驟：server.on() 登記路徑、server.begin() 開店、loop() 裡不停 server.handleClient()。loop() 不能有長 delay()。
• DHT11 接 GPIO 4、OLED 接 SDA=21、SCL=22，兩者都用 3V3 供電；OLED 位址 0x3C。
• 示波器雙通道對照可以親眼看到 5V 和 3.3V 的差距；兩塊板子要共 GND 才能比較。
• MQTT 是用「公布欄」轉發訊息的物聯網方法；深度睡眠讓 ESP32 平常只吃 0.01 mA，電池可以撐好幾個月。

名詞表