ESP32で自作！ガラス破壊センサーの作り方

はじめに：なぜピエゾ素子とESP32なのか？

自宅やガレージ、大切な工作物を守るためのセキュリティシステムは、市販品もありますが、自分の手で作ることに大きな価値があります。特にガラス破壊を検知するセンサーは、誤作動が少なく、コスト効率が良いことが求められます。

本記事で核となるのは、圧電サウンダー（ピエゾ素子）とESP32です。

圧電素子（ピエゾ）: ガラスが割れる瞬間に発生する微細で鋭い高周波振動を、正確に電気信号（電圧）に変換する能力に優れています。安価で設置が容易なため、ガラス破壊センサーのセンサー部として最適です。
ESP32: 高速な A/Dコンバータ（ADC）と強力な処理能力を持つため、微弱なアナログ信号を高速でサンプリングし、複雑なデジタル処理（ノイズとの識別）を行うのに理想的です。Wi-Fi/Bluetooth機能は、将来的にスマートフォン通知などへの拡張を容易にします。

この記事では、ピエゾ素子の微弱な信号をESP32が正確に捉え、他のノイズと区別してアラーム（ブザー）を鳴らすまでのハードウェア（回路）とソフトウェア（プログラム）のすべてを、詳細な回路図とコードで解説します。

ステップ1：システムの全体設計と必要な部品

自作ガラス破壊センサーのシステムは、大きく以下の3つのブロックで構成されます。

センサー部: 圧電サウンダー。
信号処理部 (アナログ): オペアンプとRCフィルタ回路。
制御・出力部 (デジタル): ESP32とブザー。

1. 必要な部品リスト

部品名	数量	役割	備考
ESP32 Dev Board	1	制御・AD変換・ブザー駆動
圧電サウンダー/素子	1	振動 → 電圧変換	小型で感度の高いものが望ましい
オペアンプ	1	信号増幅とフィルタリング	LM358 または TL072推奨（単電源動作）
電解コンデンサ	1	DCバイアス結合用 (C1)	1μF∼10μF
セラミックコンデンサ	2	フィルタ用 (C_HPF, C_LPF)	0.1μF∼0.01μF
抵抗	5-6	バイアス、ゲイン調整、フィルタリング用	1kΩ および 10kΩ 系統
ブザー/圧電スピーカー	1	アラーム出力	アクティブブザー（電源接続で鳴動）が簡単
トランジスタ	1	ブザー駆動用	NPN型（例：2SC1815）

ステップ2：信号処理回路の極意（ノイズフィルタと増幅）

圧電素子の最大の課題は、その出力信号が非常に微弱（mVレベル）であり、かつノイズが大量に含まれていることです。ESP32のADCに直接入力しても、ノイズに埋もれてしまい、ガラス破壊と風の揺れを区別できません。

そこで、オペアンプを使用したアクティブ・バンドパスフィルタ付き非反転増幅器を構築します。

1. 回路の設計思想

ガラス破壊時に発生する振動・音響信号は、通常数kHzの高周波成分を多く含みます。一方、風、車の通過、通常のドアの開閉による振動は数十Hz〜数百Hzの低周波成分が主です。

目的: 不要な低周波ノイズをカットし、高周波の破壊信号を特異的に増幅する。

2. 圧電素子信号処理回路図

この回路は、単一の電源（ESP32の3.3Vまたは5V）で動作するように設計されています。

3. 各部の詳細解説と定数の目安

A. バイアス回路と入力結合

抵抗 RA,RB（例: 10kΩ）:
- オペアンプの非反転入力（+端子）を電源電圧の半分（3.3V電源の場合1.65V）に固定するDCバイアスを生成します。ESP32のADCが負の電圧を読み取れないため、信号を0V∼3.3Vの範囲に持ち上げるために必須です。
コンデンサ C1（例: 1μF）:
- 圧電素子の出力はAC信号ですが、バイアス電圧にそのまま入力すると、電源電圧と素子のDCオフセットが干渉します。C1は素子のDC成分をカットし、AC信号のみをバイアス基準（1.65V）に入力します。

B. 非反転増幅器とゲイン設定

増幅率（ゲイン G）: G=1+RGainRF
- 圧電素子の信号の最大振幅（例：数mV〜数十mV）を、ESP32のADCの最大電圧（3.3V）を超えないレベル（例：ピークtoピークで3V程度）に調整します。
- 例：素子の最大出力が10mV、目標ゲインが100倍なら、RF=99kΩ、RGain=1kΩ と設定します。

C. ノイズフィルタリングの組み込み

フィルタ機能は、増幅回路の帰還ループにコンデンサを追加することで実現します。

ハイパスフィルタ（HPF）機能（低周波ノイズの除去）
- RGain に並列なコンデンサ CHPF（例: 0.1μF） を追加します。
- 低い周波数では CHPF が高抵抗となるため、増幅率 G は高くなりません。高い周波数になるほど CHPF のインピーダンスが下がり、G が上昇します。
- これにより、低周波ノイズの増幅を抑制し、ガラス破壊特有の高周波成分のみを強調して増幅できます。
- 遮断周波数 fc (Hz): fc=2π⋅RGain⋅CHPF1
ローパスフィルタ（LPF）機能（高周波ノイズの除去）
- RF に並列なコンデンサ CLPF（例: 0.01μF） を追加します。
- オペアンプのノイズやESP32のクロックノイズなど、非常に高い周波数（数10kHz以上）のノイズを除去し、信号を滑らかにします。

ステップ3：ESP32での信号の受け取りと判定ロジック

ハードウェアで増幅・フィルタリングされた信号は、ESP32のADCピンに入力されます。ソフトウェアの役割は、「現在のノイズレベル」と「瞬間的なピーク」を比較し、閾値を超えた場合にのみアラームを作動させることです。

1. ブザー駆動回路

ブザーはESP32のGPIOピンから直接駆動すると電流不足になる可能性があるため、NPNトランジスタを使ったスイッチング回路を推奨します。

接続:
- ESP32のGPIO 2 → トランジスタのベース (B)（間に1kΩ程度の抵抗を入れる）
- ブザー → トランジスタのコレクタ (C) → 電源 (3.3V/5V)
- トランジスタのエミッタ (E) → GND

2. デジタル処理のロジック

ベースラインの確立: センサーに何も入力されていない状態での平均的なADC値を「ベースライン」として把握します（通常、バイアス電圧であるADC値の中間値付近になります）。
高速サンプリング: loop()関数内で可能な限り高速にADC値を読み取ります。
差分の計算: 読み取った値とベースラインの絶対差分を計算します。
ピーク値監視: 短い時間窓（例：2ミリ秒）内で、この差分の最大値（ピーク）を検出します。
破壊判定: このピーク値が事前に設定した「破壊閾値」を大幅に超えた場合に、ガラス破壊と判定し、ブザーを鳴らします。

ステップ4：ESP32 プログラム（ブザー鳴動版）

以下のプログラムは、前述のロジックに基づき、センサー値を読み取り、閾値を超えた場合にブザーを鳴らすシンプルなコードです。

C++

// ----------------------------------------------------
// ESP32 ガラス破壊センサー - ブザー駆動プログラム
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// センサーとブザーのピン設定
const int SENSOR_ADC_PIN = 34; // センサー信号入力（ADC1のピン）
const int ALARM_BUZZER_PIN = 2; // ブザー駆動ピン（トランジスタのベースへ）

// ----------------------------------------------------
// ガラス破壊検知パラメーター (環境に合わせて調整必須)
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// 破壊と判断するADC値の最小変化量（0-4095）。
// この値が小さいほど感度が上がり、誤作動しやすくなる。
const int ADC_THRESHOLD = 600; 
                               
// ピーク値を監視する時間窓 (ms)。ガラス破壊は瞬間的なため、短く設定。
const int READ_WINDOW_MS = 2; 

// 一度アラームが鳴った後の待機時間（チャタリング防止）
const int DEBOUNCE_TIME_MS = 5000; 

// 実行時に動的に更新される変数
volatile int baselineADC = 0; // センサーの静止時の基準値

// ----------------------------------------------------
// ブザー鳴動関数
// ----------------------------------------------------
void activateBuzzer(bool state) {
  // HIGHでトランジスタON -> ブザー鳴動
  digitalWrite(ALARM_BUZZER_PIN, state ? HIGH : LOW); 
}

// ----------------------------------------------------
// 初期設定
// ----------------------------------------------------
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(ALARM_BUZZER_PIN, OUTPUT);
  activateBuzzer(false); // 初期はブザーOFF

  // ----------------------------------------------------
  // センサーの初期ベースライン取得とADC設定
  // ----------------------------------------------------
  
  // ESP32のADCはデフォルトで12bit（0-4095）
  // 起動時のノイズレベルをベースラインとする
  long tempBaseline = 0;
  for (int i = 0; i < 200; i++) {
    tempBaseline += analogRead(SENSOR_ADC_PIN);
    delay(5);
  }
  baselineADC = tempBaseline / 200;
  
  Serial.print("Initial Sensor Baseline (ADC): ");
  Serial.println(baselineADC);
  Serial.print("Detection Threshold (Absolute Diff): ");
  Serial.println(ADC_THRESHOLD);
  Serial.println("System Armed. Monitoring started...");
}

// ----------------------------------------------------
// メインループ
// ----------------------------------------------------
void loop() {
  static unsigned long lastAlarmTime = 0;
  
  // アラーム鳴動中は検知ロジックをスキップ
  if (millis() - lastAlarmTime < DEBOUNCE_TIME_MS) {
    delay(50);
    return;
  }

  // 高速サンプリングのための時間窓設定
  unsigned long startTime = millis();
  int currentPeakDifference = 0;

  // 短い時間窓内で最大のADC値とベースラインとの差分を検出
  while (millis() - startTime < READ_WINDOW_MS) {
    int sensorValue = analogRead(SENSOR_ADC_PIN);
    
    // バイアス電圧からの最大差分（振幅）を検出する
    int diff = abs(sensorValue - baselineADC);
    
    if (diff > currentPeakDifference) {
      currentPeakDifference = diff;
    }
    // ADCの読み取り速度を上げるために delay(0) や yield() は使用しない
  }

  // 破壊判定ロジック
  if (currentPeakDifference > ADC_THRESHOLD) {
    Serial.println("==========================================");
    Serial.print(">>> 💥 GLASS BREAK DETECTED! Peak Diff: ");
    Serial.println(currentPeakDifference);
    Serial.println("==========================================");
    
    // ブザー作動
    activateBuzzer(true);
    lastAlarmTime = millis();
    
    // アラームが鳴っている間にベースラインを大きく更新しないようにする
    
    // --- アラーム鳴動時間 ---
    delay(3000); // 3秒間ブザーを鳴らす
    
    // ブザー停止
    activateBuzzer(false);
    
    // 再び静かになった後、新しいベースラインを測定し直す
    long tempBaseline = 0;
    for (int i = 0; i < 50; i++) {
        tempBaseline += analogRead(SENSOR_ADC_PIN);
        delay(10);
    }
    baselineADC = tempBaseline / 50;
    Serial.print("Baseline updated to: ");
    Serial.println(baselineADC);
  }
  
  // 通常のループ処理速度を調整
  delay(10); 
}

ステップ5：調整と設置のヒント

自作センサーの性能は、主にアナログ回路の定数とソフトウェアの閾値に依存します。

1. 閾値（ADC_THRESHOLD）の調整方法

この値は、誤作動を防ぎ、必要な振動だけを捉えるための最も重要なパラメーターです。

通常ノイズの測定: センサーを窓枠に貼り付け、普段の生活音や風による揺れがある状態で、Serial.println(currentPeakDifference); を使って通常時の最大ピーク差分を測定します。
破壊模擬テスト: 指でガラスを軽く叩く、またはガラスの端を硬いもので叩くなど、破壊に近い振動を与え、その際のピーク差分を測定します。
閾値設定:
- ADC_THRESHOLD = (破壊模擬テストのピーク値) と (通常ノイズの最大ピーク値) の中間よりやや上に設定します。
- 例：通常ノイズの最大が200、破壊模擬テストのピークが1200の場合、閾値は600〜800程度に設定すると良いでしょう。

2. 回路定数の微調整

もし、増幅回路の出力がノイズばかりでベースライン付近で揺れすぎている場合、フィルタの定数を見直します。

低周波ノイズが強い場合: $C_{HPF}$の値を小さくし、遮断周波数 fc を高くしてください（例: 0.1μF→0.047μF）。これにより、低周波ノイズがさらに減衰し、高周波の信号が際立ちます。
信号が弱すぎる場合: RF の値を大きくするか、RGain の値を小さくし、ゲイン G を上げてください。ただし、ADCの最大値（4095）を超えないように注意が必要です。