從零打造「智慧喝水管家」：ESP32-C3 硬體設計、3D 列印與全韌體開發實錄

當我想把一個在麵包板上用杜邦線插得像蜘蛛網一樣的原型，變成一個能實用半年的智慧健康穿戴裝置時，會遇到多少坑？感謝全球領先的 PCB 製造與 PCBA 代工廠 JLCPCB 的贊助邀請，讓我有機會記錄下這個專案從初期的靈感發想、電路原理圖繪製、PCB 佈局優化、JLCPCB 工廠打樣/SMT 貼片，到 3D 機構外殼與 ESP32-C3 低功耗韌體的全流程開發記錄。


前言：

當我想把一個在麵包板上用杜邦線插得像蜘蛛網一樣的原型，變成一個能實用半年的智慧健康穿戴裝置時，會遇到多少坑？感謝全球領先的 PCB 製造與 PCBA 代工廠 JLCPCB 的贊助邀請，讓我有機會記錄下這個專案從初期的靈感發想、電路原理圖繪製、PCB 佈局優化、JLCPCB 工廠打樣/SMT 貼片，到 3D 機構外殼與 ESP32-C3 低功耗韌體的全流程開發記錄。

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一、 專案發想與健康科學背景

1.1 為什麼需要一個「智慧喝水管家」？

                 許多人日常工作中常遇到的問題是：工作一忙起來就忘記喝水，或者直到劇烈口渴才一次暴飲暴食般地灌水。在預防醫學與生理學中，大腦脫水  就會引發專注力下滑與認知下降，而人體腎臟每小時處理水分也有其上限。為了實現「少量多次」的科學補水，我需要一個能夠非侵入式感測喝水動作、定時溫和提醒、且具備超長續航力的智慧貼合裝置。

1.2 產品原型與形態演進

  • 原型階段 (Breadboard Prototype)： 使用 ESP32-C3 SuperMini 開發板 + MPU6050 六軸感測器 + 0.96 吋 SSD1306 OLED 螢幕，搭上外接 TP4056 充電模組與鋰電池。
  • 痛點： 杜邦線易鬆脫、體積龐大、電源路徑衝突（拔掉 USB 就斷電，或是充電時電池過熱）。
  • 終極目標： 將所有核心元件整合進一片 的微型雙層 PCB 上，並結合 3D 列印弧形膠囊外殼與高彈性矽膠帶，輕鬆安裝於任何日常水壺上。

二、 電路原理圖與 PCB 佈局

我使用 EasyEDA Pro (嘉立創 EDA Pro) 進行設計，它可以免費使用之外, 也可以一鍵送出圖檔並下單, 完美對接 JLCPCB 的生產與 SMT 代工規範。
由於這是我第一次畫電路板, 所以錯誤很多…哈…過程中也學習了很多!

和 AI 討論畫出的第一個版!! 錯誤很多~~😂
由 Freelancer 修改後, 能正常運作的 schematic~😊

真正最終版目前檔案叫不出來…等 EasyEDA客服解決

2.1 核心模組選型與 LCSC 編號綁定

為了能直接讓 JLCPCB 進行 SMT (自動貼片焊接)，我們在 EasyEDA 的原理圖中，所有關鍵被動元件與主晶片均綁定了 LCSC 零件編號 (Part Number)，實現一鍵報價與自動比對庫存：

零件名稱規格與封裝LCSC 訂購編號設計功能與眉角
ESP32-C3 插座1×7 2.54mm 排母 (x2)C22550保持 15.24 mm (600 mil) 標準跨距，方便插拔模組
充電設定電阻 (R1)3.3k ohm ±1% (0603)C22978TP4056 PROG 腳電阻，設定充電電流為 364 mA，安全保護鋰電池
防倒灌二極體 (D1)SS14 蕭特基二極體 (SMA)C14998低壓降 (0.2V)，防止 USB 5V 與電池電壓倒灌的單向防護閘門
I2C 上拉電阻4.7k ohm x2 (0603)C25900強化 SDA (GPIO9) / SCL (GPIO8) 總線訊號品質，防止螢幕黑屏
分壓檢測電阻100k ohm ±1% (0603)C25891精密分壓路徑，降低微安培級靜態洩漏電流
濾波瓷片電容100nF (0603)C14663並聯於 ADC 腳位與 GND 之間，吸收高頻雜訊維持電量讀數穩定
側按式輕觸開關2-pin SMD 帶固定耳C2906288承受水平側按推力，連接至 GPIO1 作為選單互動鍵
電池連接插座JST-PH-2.0mm 2PC173752標準化防呆插座 (Pin 1=GND, Pin 2=BAT)，避免正負極接反燒毀

2.2 電源路徑管理 (Load Sharing) 的工程血淚與 AI 現實

在可攜式裝置中，電源路徑管理（Load Sharing）一直是一大難關。最初我試圖完全依賴 AI 輔助生成的電源切換電路，但在實際測試中發現：直接將 TP4056 輸出端與系統負載併聯，會導致 TP4056 無法正確判斷「充滿截止電流 (C/10)」，進而引發過熱甚至電池膨脹；當插拔 USB 瞬間，系統也會因為電壓突波而反覆重啟。

這驗證了一個事實：AI 在程式碼編寫與概念發想上非常高效，但在複雜的類比電路、電源管理與硬體細節上，目前依然無法完全取代專業工程師的經驗。(如果你有成功使用AI完成這一塊, 請和大家分享)

為了讓這個產品順利落地，我最終花了不少錢😅，在 Fiverr 上聘請了一位經驗豐富的電子工程師 (EE Freelancer) 幫我重構電源切換電路。

最終工程師協助落實了單向二極體防護與無縫切換機制：

  1. 單向二極體防護： 採用 SS14 蕭特基二極體 (D1)。陽極接電池開關 (VBAT_SW)，陰極接系統主電源 (V_SYS / 5V)。
  2. 無縫電源切換：
    • 插上 USB 時： 外部 5V 直接為 V_SYS 供電，使二極體反向偏壓截止，電池專心接收 TP4056 充電。
    • 拔除 USB 時： 二極體瞬間導通，電池電壓穿過 SS14 (極低壓降 0.2V) 為系統供電，ESP32-C3 不會發生重啟。

2.3 電池電量監測 (High-Impedance Voltage Divider)

為了讓 ESP32-C3 即時讀取 300mAh 鋰電池電壓：

  • 設計一組由 100k ohm 與 100k ohm 精密金屬膜電阻分壓的迴路連至 GPIO3 (ADC1_CH3)。
  • 並聯一顆 100nF MLCC 陶瓷電容濾除高頻雜訊。
  • 採用 100k ohm 大阻值將靜態洩漏電流控制在 (4.2V / 200k ohm) 約等於 21uA，完全不影響睡眠續航。
Battery mangement

2.4 PCB Layout 走線筆記

  1. 電源走線 (Power Traces)：3.3V、VBAT 與 V_SYS 的走線寬度特別加粗至 0.65 mm (25 mil)，確保 ESP32-C3 在 Wi-Fi/藍牙突發發射電流時不掉壓。
  2. 訊號線 (Signal Traces)：I2C 訊號線 (SDA/SCL) 設定為 0.2 mm (8 mil)，保持等長平行，避開高頻開關電源迴路。
  3. RF 天線淨空區 (Antenna Keep-out Area)： ESP32-C3 板載陶瓷天線的正下方與周圍，不論 Top Layer 或 Bottom Layer 均劃定禁止鋪銅區 (Keepout Zone)，禁止任何走線與銅箔，確保無線訊號穿透力。
  4. 地平面大面積鋪銅 (GND Copper Pour)：上下層全板鋪銅，打上記號打孔 (Vias) 連結頂層與底層接地，減少迴路阻抗，提供良好散熱與抗干擾能力。
Thick power path
藍色的箭頭處即為電源走線,使用較粗的電路 0.65mm

2.5 下單 JLCPCB 與 SMT 貼片

JLCPCB 可即時看到 PCB 的排列(layout)線路
PCB 背面

在 EasyEDA Pro 中完成所有設計後：

  1. DRC (Design Rule Check) 點檢： 執行系統 DRC，確保最小線寬/線距符合 JLCPCB 的製造規範 (> 6 mil)，且無未連線網路。
  2. 導出 Gerber 與 BOM/CPL 檔案：
    • 快捷鍵 Shift + M 一鍵導出 Gerber 壓縮檔。
    • 導出 BOM (物料清單) 與 CPL (組裝座標檔/Pick and Place)。
  1. JLCPCB 官網一鍵下單：
    • 上傳 Gerber 檔，選定 紫色 或 經典黑 高質感 PCB 板色。
    • 勾選 SMT Assembly，上傳 BOM 與 CPL 檔。
    • 系統會自動比對 LCSC 零件庫存，連 0603 被動元件與 JST 端子都能精準對位，預覽 SMT 貼片成果！ (有機會一定要試試看…太方便了)

三、 避坑血淚史：PCB 除錯

在研發過程中，我們並非一帆風順。以下記錄幾次關鍵的踩坑：

請高手幫我檢查, 並以跳線方式讓PCB通電
  1. 最重大的錯誤: ESP32-C3 根本就放反了~~ 5V, GND, 3V3 是在對面啦... .OMG?!🥲
  2. D1 二極體極性顛倒地雷：
    • 錯誤： 初版將 SS14 的陰極對準了電池端，導致 USB 輸入的 5V 電壓無法通過二極體進入 V_SYS，開機瞬間系統直接死鎖。
    • 解法： 在原理圖中確認箭頭指向 V_SYS，讓 USB 電壓順利進入系統，同時阻斷電池電流逆流。
  3. 3D 模型的「航空母艦」縮放危機：
    • 錯誤： 嘗試更換 5mm 矮排母時，在 3D 管理器中輸入高度，軟體因預設開啟「等比例縮放 (Uniform Scaling)」，導致整顆排母膨脹成覆蓋全板的「航空母艦」。
    • 解法： 手動解開 X/Y/Z 軸連動鎖定，獨立輸入 Z 軸尺寸。
  4. 不計其數….😅

四、 3D 機構設計與 3D 列印實戰

4.1 從 3D Preview 到 STEP 骨架導出

在 EasyEDA Pro 中完成 PCB 佈局後，點擊「文件 -> 匯出 -> 3D 模型 (STEP)」。
將獲得一個包含所有元件真實尺寸的 3D STEP 檔案，並直接匯入 Fusion 中進行外殼建模。

把 STEP 檔在 Fusion 裡開啟

4.2 貼合曲面膠囊外殼與機構細節

  1. 外殼造型： 採用背弧化膠囊設計，完美貼合直徑 60-85 mm 的圓柱形水壺。
  2. 避讓公差：
    • Type-C 充電口開孔預留 1.2 mm 的插頭外殼沉頭空間，防止因壁厚過厚導致 USB 線無法插到底。
    • OLED 螢幕開孔留有 0.5 mm 微小間隙，並搭配 1.2 mm 厚度的亞克力透明面板防塵。
  3. 高彈性矽膠帶固定： 外殼上的細長溝糟帶，搭配高彈性矽膠束帶或是髮帶，可快速拆卸轉移至不同水壺上。
上下蓋合體
底蓋上視圖
AI 建議後面加兩條肋, 可以讓裝置在圓的水壼的表面維持水平
真的有效呢!
3D 最終完成圖檔

五、 韌體開發與系統架構 (Firmware Development)

我們的韌體採用 Arduino IDE / ESP-IDF 開發，結合了語音/視覺互動與極低功耗機制。

5.1 MPU6050 姿態辨識與 EMA 濾波

為了辨識使用者是「拿起水壺喝水」還是「攜帶水壺走路晃動」，我們導入了指數移動平均濾波 (EMA Filter) 與向量內積角度演算法：

EMA_t = alpha * X_t + (1 – alpha) * EMA_(t-1)
  • 透過計算重力加速度向量與水壺中心軸的夾角，精準判定仰角 > 35度 且持續超過 1.5秒 的動作為有效「飲水行為」。

裝置上的 OLED 顯示出不同時期及表情, 快速知道喝水狀態~

很棒…有持續喝水的好習慣~
嗯..目前有點缺水了, 快點喝一口水
喔…太缺水了, 快點補充水份吧~

5.2 狀態機與 Deep Sleep 低功耗架構

為了讓 300mAh 鋰電池能維持長效續航，系統實作了狀態機管理：

  1. Deep Sleep 進入條件： 無動作超過 10 秒後，ESP32-C3 關閉 OLED 電源，進入 Deep Sleep，靜態電流降至約 5uA。
  2. Wake-on-Motion (WoM) 喚醒： MPU6050 保持低功耗加速度監測，當偵測到震動時，INT 中斷腳（連至 ESP32-C3 GPIO0/D0）拉低電位，瞬間喚醒主控。

5.3 離線與 Wi-Fi/NTP 時間同步雙重機制

  • 配網介面： 開機後啟動 SoftAP 模式提供網頁配網。
  • Dual-Bypass 容錯： 若無 Wi-Fi 訊號，使用者可點擊網頁「Cancel」或長按實體按鈕跳過配網。系統自動切換至內建 millis() 計算的「累積運作計時器」，維持計時與飲水提醒功能不中斷~

6.1 成品展示與 JLCPCB 打樣體驗總結

經過近四個月的研發，這款「智慧喝水管家」最終呈現在我們眼前：

  • 體積輕薄： 雙層板卡結合 3D 列印外殼，總厚度僅 18 mm。
  • 質感優雅： 3D 列印加上高質感紫色 PCB，搭配高對比 OLED 顯示畫面，徹底甩開了傳統創客套件「裸露麵包板與杜邦線」的廉價感。

6.2 JLCPCB 服務評測心得

  1. 極致性價比： 打樣 5 片高品質 PCB 僅需數美元，SMT 貼片服務更是大幅減少了手工焊接 0603 貼片零件的崩潰感。
  2. EasyEDA Pro 無縫整合： 從設計、查看 3D 模型，到直接匯出下單，流程極其順暢。
  3. 交期迅速： 從上傳 Gerber 檔到拿到實體打樣板，僅需短短數個工作天，這對於需要快速迭代的 Maker 專案來說是無可替代的優勢！

結語

從原理圖的一條線，到拿在手上沉甸甸、能精準提醒喝水的智慧產品，這次與 JLCPCB 合作的專案經驗讓我深刻體會到「把想法實體化」的無限魅力。如果你也正在規劃自己的下一個物聯網專案，不妨打開 EasyEDA，讓 JLCPCB 幫你把心中的藍圖變成真實的硬體吧！

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