🛡️ 【セキュリティ強化版】超低消費電力・高信頼性な窓防犯 IoT システム構築ガイド：電源断・破壊・誤検知を徹底排除！

【DIY】ホームセーフティ実践

「無線型 IoT で完璧な防犯をしたい！」「でも、バッテリーが切れたら？ センサーを壊されたら？」

この記事では、窓からの侵入検知に特化し、従来の誤検知対策に加え、システムの弱点である電源断や破壊行為にも対応した、超高信頼性の自作 IoT システムの設計を解説します。ESP32 $\text{ディープスリープを活用した電源監視と、物理的防御を組み込んだ完全版スケッチを公開します。

🎯 IoT 防犯システムの 5 つの設計目標（セキュリティ強化）

  1. 超低消費電力設計: IQ​ を μA 級に抑え、電池寿命を最大化する。
  2. 高信頼性センサー: ツインミラー PIR で熱源・虫の誤検知を防ぐ。
  3. 電源監視: バッテリー残量を監視し、システム断前に低電圧アラートを発報する。
  4. 破壊対策: 物理的防御と検知ロジックにより、センサー破壊・無効化に対応する。
  5. 賢いソフトウェアロジック: 2 センサーの時間差 1.0 秒以内を判定し、確実な通過のみを「侵入」と確定する。

I. 🛠️ 必要な部品リストと電源監視戦略

1. 主要部品リスト（低電圧監視機能を追加）

カテゴリ部品名数量選定のポイント
制御/通信ESP32 DevKit1ADC（アナログ・デジタル変換）ピンを使用し、電圧監視を可能とする。
センシングツインミラー (PIR 二素子) センサーモジュール2高温ノイズ、虫の熱に強いモデル。
アクションアクティブブザー（5V 駆動）1侵入確定時の警告音出力。
電源リチウムイオンバッテリー (Li-ion または Li-Po)1大容量。
ソーラー充電モジュール（TP4056 など）1バッテリーの充電と保護。
分圧抵抗（例：100 kΩ と 200 kΩ）1 set低電圧監視のためにバッテリー電圧を ESP32 の ADC 範囲内に下げる。
筐体/その他汎用プラスチックケース1虫対策のメッシュと物理的な強度を確保。

2. 電源供給とシステム断対策

🔋 システム断（バッテリー切れ）対策

  • 電圧監視: ESP32 の ADC ピン（例：GPIO35）とバッテリー間に分圧抵抗を接続し、システム起動直後にバッテリー電圧を測定します。
  • 低電圧アラート: 電圧がクリティカルレベル（例：3.5 V）を下回った場合、侵入検知よりも優先して「バッテリー残量低下」の通知を行い、ユーザーに交換を促します。これにより、監視システムが突然停止する事態を防ぎます。
  • IQ​ 対策: ESP32 は通常ディープスリープで待機し、PIR の外部割り込みでのみ起動します。

🔨 センサー破壊・無効化対策

  • 物理的防御: センサーを収める筐体には、頑丈な素材を使用し、ネジが外から見えない構造（裏側から固定など）にします。
  • 無効化対策（遮蔽）: 侵入者がセンサーのレンズを遮蔽（テープなどで覆う）しようとすると、近距離で熱源が急激に変化するため、瞬間的に PIR が ON になる可能性が高まります。
    • 遮蔽物による瞬時の ON 信号を 「無効化の試み」として捉えることもできますが、本システムでは、2 センサーロジックの厳格な時間チェック により、人間の通過速度を伴わない異常な PIR 信号は自動的にノイズとして無視されます。これにより、緩慢な遮蔽行為を侵入として誤検知するリスクを減らします。

II. 💻 【完全版】ESP32 Arduino スケッチ（電源監視追加）

1. 侵入確定ロジック（再確認）

条件設定値（推奨）ロジックの目的
順序の確認PIR1（窓際）→ PIR2（室内）の順に ON侵入の方向を確定。
時間差の確認1.0 秒以内人間の速度に限定し、虫や熱源の不規則な動きを排除。
継続性のチェックセンサー ON 信号が 0.5 秒以上継続 一瞬のノイズや電気的なスパイクを無視。

2. ESP32 Arduino スケッチの主要部分

C++

#include <WiFi.h>
#include "esp_sleep.h"

// --- 定数とピン設定 ---
const int PIR1_PIN = 32;        
const int PIR2_PIN = 33;        
const int BUZZER_PIN = 4;
const int BATTERY_ADC_PIN = 35; // バッテリー電圧測定用ADCピン

// 誤検知防止のための時間設定 (ms単位)
const long MAX_TIME_DIFF = 1000;      // 侵入確定の最大時間差 (1.0秒)
const int CONTINUOUS_CHECK_MS = 500;  // 継続性のチェック時間 (0.5秒)
const long COOLDOWN_TIME_S = 120;     // 侵入後のクールダウン時間 (120秒)

// 電源監視設定
const float CRITICAL_VOLTAGE = 3.5;   // 低電圧アラートのしきい値 (V)
const float ADC_VOLTAGE_RATIO = 3.0;  // 分圧抵抗の比率 (例: 100kΩ/200kΩの場合、R1+R2/R2 = 3)

// --- RTCメモリに保存する変数 ---
RTC_DATA_ATTR unsigned long last_alarm_time = 0; // 最終警報時刻 (秒単位)
RTC_DATA_ATTR bool low_battery_notified = false; // 低電圧通知済みフラグ

// --- 関数プロトタイプ宣言 ---
float readBatteryVoltage();
void sendNotification(const char* message);
void enterDeepSleep(uint64_t wakeup_pins);
void checkAndExecuteAlarm();

// --- バッテリー電圧測定関数 ---
float readBatteryVoltage() {
  // ADC値の読み取りと平均化
  int adc_value = analogRead(BATTERY_ADC_PIN);
  
  // ADC値 (0-4095) を電圧 (V) に変換
  // (3.3V / 4095) * ADC値 * 分圧比
  float voltage = (3.3 / 4095.0) * adc_value * ADC_VOLTAGE_RATIO;
  return voltage;
}

// --- LINE通知関数（Wi-Fi接続が必要） ---
void sendNotification(const char* message) {
  // Wi-Fi接続処理...
  if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
    // LINE Notify APIなどへHTTPリクエスト送信...
  }
  // Wi-Fi切断処理（省電力のため必須）...
}

// --- 侵入判定ロジックとアクション実行 ---
void checkAndExecuteAlarm() {
  unsigned long now_s = millis() / 1000;

  // 1. クールダウン期間中のチェック
  if (now_s - last_alarm_time < COOLDOWN_TIME_S) {
    return;
  }

  // ... (PIR1 -> PIR2の侵入判定ロジックは前述の通り) ...
  // ... 侵入が確定した場合の処理: ...
  {
    last_alarm_time = now_s;
    // ブザー鳴動...
    sendNotification("【🚨 侵入確定】窓からの侵入を検知しました！");
    return;
  }
}

// --- セットアップ（ディープスリープ復帰時に毎回実行される） ---
void setup() {
  // ピン設定...
  
  // 1. 電源監視の実行
  float battery_v = readBatteryVoltage();
  if (battery_v < CRITICAL_VOLTAGE && !low_battery_notified) {
    // 低電圧アラートを最優先で通知
    sendNotification("【⚠️ 低電圧アラート】バッテリー残量が低下しています。交換してください。");
    low_battery_notified = true; // 通知フラグをセット
  } else if (battery_v >= CRITICAL_VOLTAGE) {
    low_battery_notified = false; // 電圧が回復したらフラグをリセット
  }
  
  // 2. 侵入判定ロジックの実行
  checkAndExecuteAlarm(); 

  // 3. 処理完了後、再びディープスリープへ
  uint64_t wakeup_pins = (1ULL << PIR1_PIN) | (1ULL << PIR2_PIN);
  enterDeepSleep(wakeup_pins);
}

void loop() {
  // ディープスリープ運用のため、この関数には処理を記述しない。
}

III. 🌡️ 窓際特有の誤検知・セキュリティ対策の徹底

1. 🐛 虫と熱源による誤反応対策

  • ツインミラー PIR: 広範囲な熱変化（エアコン、日光）を相殺し、誤検知を抑制。
  • 高所配置: 虫が這う 床や壁際から離れた高い位置（1.5 m 以上） にセンサーを設置し、虫の検知を回避。
  • 物理的防御: センサーのレンズ開口部に目の細かいメッシュを張り付け、虫のレンズへの張り付きを物理的に防ぐ。
  • ソフトウェアフィルタ: 2 センサーの 時間差 1.0 秒以内と0.5 秒継続 という厳しい条件により、虫の不規則な動きや瞬間的なノイズを排除。

2. 🔨 センサー破壊・無効化対策（最終防御）

このシステムでは、2 センサーロジックが破壊行為に対する主要な防御機構となります。

  • 物理的強度: センサーは頑丈なケースに収納し、簡単に破壊されないようにする。
  • 遮蔽行為への対応: 侵入者が窓際 PIR1 をテープなどで覆った場合、PIR1 は ON 信号を出せなくなります。
    • その後の侵入で PIR2 のみが反応しても、「PIR1→PIR2 の順序」という絶対条件が満たされないため、システムは侵入を確定しません。
    • ただし、システムは 2 センサーのロジックが成立しない異常 をログに記録し、侵入確定時ではないものの、ユーザーへ「PIR の動作異常の可能性」を通知する機能を追加検討することで、セキュリティをさらに高めることができます。
  • 電源断通知: バッテリー監視機能により、侵入者が電源を物理的に切断する前に、システム断の警告をユーザーに発報します。

このセキュリティ強化版 IoT システムは、自作ならではの多層的な防御機構により、非常に高い信頼性と堅牢性を実現します。

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