2026年8月3日 星期一

[水井村USR] EP01｜什麼是 I²C？ESP32 如何與 IC 溝通？

智慧生活科技專業社群｜IoT 入門系列｜適合大一新生
I²C 是「IC 與 IC 之間的通訊協定」。在智慧養殖系統中，ESP32 並不是直接讀取探棒，而是透過 I²C 與 pH、溶氧、導電度及溫度等智慧感測 IC 溝通。本篇從 Atlas Scientific Aquaponics Kit 的實際案例出發，帶大一新生認識 SDA、SCL、Address、Master／Slave 與 I²C Scanner。


請先將 EP01 教學圖上傳 Blogger，再把 HTML 中的 I2C_EP01_IMAGE_URL 換成圖片網址。
圖：I²C 兩線式通訊、Address、掃描與智慧養殖應用。

一、ESP32 真的直接讀探棒嗎？

很多初學者看到 pH 探棒或溶氧探棒，會直覺認為 ESP32 直接從探棒取得數值。實際上，多數智慧感測系統的結構是：

探棒 → 感測 IC → I²C → ESP32

探棒負責感受物理或化學變化；感測 IC 則負責放大訊號、類比數位轉換、校正、補償與資料處理。ESP32 最後只要向感測 IC 詢問：「請把目前數值告訴我。」

重要觀念：真正與 ESP32 溝通的是感測 IC，不是探棒本身。

二、什麼是 IC？

IC 是 Integrated Circuit 的縮寫，中文稱為「積體電路」。一顆看似很小的晶片，裡面可能包含：

MCU執行程式與控制量測流程。
ADC把類比訊號轉換成數位資料。
Calibration保存校正資料與修正係數。
Communication透過 UART、I²C 或 SPI 與其他 IC 溝通。

以 Atlas EZO-pH 為例，ESP32 不需要自己把電壓換算成 pH，而是送出讀取命令，EZO-pH 內部完成計算後再回傳：

概念示例
ESP32：R
pH IC：6.80

三、I²C 是什麼？

I²C 全名為 Inter-Integrated Circuit，意思就是「積體電路與積體電路之間的通訊」。它是一種同步、序列式、多裝置共用的通訊協定。

2 條線SDA、SCL
多裝置共用一條 Bus
Address每顆 IC 有門牌
同步由 Clock 控制節奏

四、I²C 只需要兩條訊號線

訊號全名功能
SDASerial Data傳送位址、命令與資料。
SCLSerial Clock提供時脈，讓所有裝置在相同節奏下交換資料。

多顆感測 IC 可以共用同一組 SDA 與 SCL，因此不用為每一顆感測器都準備一組獨立通訊線。

ESP32 → SDA／SCL Bus → pH IC、DO IC、EC IC、RTD IC

五、Address 就像每顆 IC 的門牌號碼

所有 IC 雖然共用 SDA 與 SCL，但每顆 IC 都必須有自己的 Address。ESP32 送出某個位址時，只有符合該位址的 IC 會回答。

感測 IC十六進位位址十進位位址
EZO-DO0x6197
EZO-pH0x6399
EZO-RTD0x66102
本系統 EZO-EC0x69105
除錯經驗：不要假設裝置一定維持原廠預設位址。本次智慧養殖系統的 EC 位址已被修改為 0x69，因此一定要先掃描實際 I²C Bus。

六、Master 與 Slave 在做什麼？

入門階段可以先把 ESP32 視為 Master，把各個感測 IC 視為 Slave。

Master：ESP32決定何時開始通訊、要跟哪一個位址對話，以及要讀取或寫入資料。
Slave：感測 IC監聽自己的位址，被點名後回應命令或提供資料。

七、一次 I²C 讀取大致發生什麼事？

  1. ESP32 送出 Start 訊號。
  2. ESP32 傳送目標 IC 的 Address。
  3. 目標 IC 回覆 ACK，表示「我在這裡」。
  4. ESP32 傳送讀取命令，例如 R。
  5. IC 完成量測或計算。
  6. ESP32 向 IC 請求資料。
  7. IC 回傳數值。
  8. ESP32 送出 Stop，結束本次通訊。
Arduino Wire Library 概念流程
Wire.beginTransmission(0x63);
Wire.write("R");
Wire.endTransmission();

delay(1000);

Wire.requestFrom(0x63, 20);

八、I²C Scanner：工程師的第一個除錯工具

當感測器沒有資料時，不應立刻懷疑探棒故障。第一步應先確認該 IC 是否真的出現在 I²C Bus 上。

I²C Scanner 範例
#include <Wire.h>

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin(23, 22);

  for (uint8_t address = 1; address < 127; address++) {
    Wire.beginTransmission(address);
    uint8_t error = Wire.endTransmission();

    if (error == 0) {
      Serial.print("找到 I2C 位址：0x");

      if (address < 16) {
        Serial.print("0");
      }

      Serial.println(address, HEX);
    }
  }
}

void loop() {
}

正常掃描可能得到：

掃描結果
找到 I2C 位址：0x61
找到 I2C 位址：0x63
找到 I2C 位址：0x66
找到 I2C 位址：0x69

九、從 Atlas Aquaponics Kit 看 I²C 的實際應用

在本次智慧養殖系統中，ESP32 透過同一條 I²C Bus 與四顆 EZO 感測 IC 溝通：

RTD 水溫 ＋ pH ＋ DO 溶氧 ＋ EC 導電度 → ESP32

ESP32 先讀取 RTD 水溫，再把溫度送給 pH、DO 與 EC 進行溫度補償，最後取得完整水質資料。

溫度補償概念
RTD.send_read_cmd();

PH.send_cmd_with_num("T,", temperature);
DO.send_cmd_with_num("T,", temperature);
EC.send_cmd_with_num("T,", temperature);

十、I²C 只是 IoT 資料鏈的第一段

I²C 解決的是「板子內部 IC 與 IC 的通訊」。當 ESP32 取得資料後，還會經過 Wi-Fi、JSON、REST API、資料庫與 Dashboard。

探棒 → 感測 IC → I²C → ESP32 → Wi-Fi → Django REST API → Dashboard
從 I²C 到 REST API，學生可以看到一筆水質資料如何從探棒一路走到雲端，形成完整的 IoT 系統。

十一、大一新生應記住的五個重點

  1. I²C 是 IC 與 IC 之間的通訊協定。
  2. I²C 主要使用 SDA 與 SCL 兩條訊號線。
  3. 多顆 IC 可以共用同一條 Bus。
  4. 每顆 IC 必須有不同的 Address。
  5. 感測器沒有資料時，先用 I²C Scanner 確認裝置是否存在。

十二、課後思考

  • 如果兩顆 IC 使用相同 Address，會發生什麼事？
  • I²C 與 UART、SPI 有什麼不同？
  • 為什麼 SDA 與 SCL 通常需要上拉電阻？
  • 如果 I²C 線太長，通訊會遇到什麼問題？
  • 如何把掃描到的位址轉換成裝置名稱？

結語

I²C 看似只是兩條線，背後卻包含 Address、時脈、ACK、讀寫方向與匯流排共享等重要概念。對大一新生而言，先理解「ESP32 是如何點名某一顆 IC，再讀回資料」，就掌握了 I²C 的核心。從智慧養殖案例出發，也能進一步理解感測、通訊、雲端與 Dashboard 如何串成完整的智慧生活科技系統。

AI 協作聲明：本文由作者主導教學目標、案例選擇、實作測試與內容架構，並使用生成式 AI 協助文字整理、程式碼說明、版面設計與教學圖生成；文章中的 Atlas Aquaponics Kit、ESP32 腳位、I²C 位址與感測流程，均依本專案實際測試結果整理，並由作者審核修訂。
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