Matter ESP32-C3 Ubuntu

SmartOn PC

Matter over Wi-FiによるPC電源管理システム

About this Project

Ubuntu PCにGeneric ESP32-C3を統合し、スマートホーム規格「Matter」に対応させるプロジェクトです。 Google Home / Nest Hubからの音声操作や自動化でPCの電源をON/OFFできます。 以前に行った案件のリベンジです。 PCの電源状態を他の家電と同様にシームレスに管理・操作することを目指しています。

Video

実装ステップ

ステップ 内容 状態
Step 1 Matter ON/OFF 制御（電源ボタン押下） ✅ 実装済み
Step 2 PC電源状態監視 + Matter 属性同期 ✅ 実装済み

機能

Step 1 — 電源制御

機能 手段
電源ON メカリレー → 電源ボタン短押し（500ms）
電源OFF メカリレー → 電源ボタン短押し（500ms）+ Ubuntu ACPI設定でシャットダウン
ファクトリーリセット GPIO9 長押し（3秒）
  • WoL（Wake on LAN）は不採用 — このPCは設定したつもりでも、成功しなかった為
  • ESP32ー ○○コマンド→PCで電源OFF — そもそもPCを操作するのと変わらないため検討外
  • 電源OFF: リレーで電源ボタンを短押しし、Ubuntuの ACPI 設定（HandlePowerKey=poweroff）が正常シャットダウンを開始する

Step 2 — 電源状態監視

機能 手段
電源状態検出 PC817 経由で電源 LED を GPIO 入力（アクティブLOW）
乖離検出 2秒ポーリング、3回連続で確定
Matter 属性同期 乖離確定時に attribute::update() で OnOff 属性を実態に合わせる
ユーザー通知 Matter サブスクリプション経由（Google Home 等が自動受信）

フェイルセーフ原則: 乖離を検出してもシステムは自動での ON/OFF 操作を行わない。実態を Matter 属性に反映してユーザーへ委ねる。

ハードウェア構成

主要部品

  • マイコン: Generic ESP32-C3
  • ホストPC: Ubuntu
  • 電源制御: シングルチャンネルリレーモジュール（ASIN: B0G4C9GMVH）でマザーボードの PWR SW ピンを短絡
  • 電源状態検出: PC817 フォトカプラ経由で電源 LED を読み取る
  • コントローラー: Google Nest Hub / Androidスマートフォン
  • 給電: PCのUSBポートからの常時給電

GPIO 割り当て

GPIO 役割 回路
GPIO 20 OUTPUT: PWR SW制御 メカリレー経由
GPIO 4 INPUT: PWR LED検出 PC817 フォトカプラ経由（アクティブLOW）
GPIO 9 INPUT: ファクトリーリセット 内部プルアップ、LOW=押下

回路図

PWR SW（GPIO 20 → メカリレー → マザーボード）

GPIO 20 → リレー制御入力 リレー接点 → マザーボード PWR SW ヘッダ短絡

PWR LED（マザーボード → PC817 → GPIO 4）

PWR_LED+ → 470Ω → PC817 Anode(pin1) PC817 Cathode(pin2) → PWR_LED- (GND) 3.3V → 10kΩ → PC817 Collector(pin4) → GPIO 4 PC817 Emitter(pin3) → GND PC ON : LED点灯 → PC817導通 → GPIO = LOW PC OFF : LED消灯 → PC817遮断 → GPIO = HIGH (pullup)

極性は pc_control.c の PWR_SW_ACTIVE_HIGH ソースコードで切り替え可能。

主な材料費

部品 価格
Generic ESP32-C3 539円
リレーモジュール 464円
PC817 フォトカプラ 388円
合計 1,391円

待機電力（推測値）

機器 状態 推測消費電力
Generic ESP32-C3 Wi-Fi 常時接続・待機 約 0.3〜0.5W
リレーモジュール 非作動時（コイル OFF） 約 0.01W 以下
フォトカプラ 非作動時 約 0.01W 以下
USBアダプタ損失 変換効率 80% 想定 +10〜20%
合計 約 0.4〜0.6W

上記は推測値。スマートフォン充電器の待機電力（0.1〜0.3W）と同程度であり、実用上は安心できるレベル。

ソフトウェアスタック

レイヤー 名称 バージョン
OS / SDK ESP-IDF 5.4.1
Matter ラッパー esp-matter $ESP_MATTER_PATH で指定
Matter 本体 ConnectedHomeIP (CHIP) esp-matter サブモジュール

Matter デバイスタイプ: On/Off Plug-in Unit

ビルド

WiFi 認証情報の設定

main/wifi_creds.h を作成してSSIDとパスワードを記載します（.gitignore 済み）:

#define WIFI_SSID     "your-ssid"
#define WIFI_PASSWORD "your-password"

ビルド & フラッシュ

. $IDF_PATH/export.sh
. $ESP_MATTER_PATH/export.sh
export _PW_ACTUAL_ENVIRONMENT_ROOT

idf.py set-target esp32c3
idf.py build
idf.py -p /dev/ttyACM0 flash

Matter コミッショニング

フラッシュ後、シリアルモニタにQRコードとセットアップPINが出力されます。Google Home アプリ等でスキャンしてデバイスを登録してください。

開発・テスト段階ではテスト用DAC（Device Attestation Certificate）を使用します。

項目 値
Manual Pairing Code 34970112332
Setup PIN 20202021
Discriminator 3840

設計上の判断

BLE無効化・WiFiオンリーコミッショニング

sdkconfig.defaults で BLE を完全に無効化しています（CONFIG_BT_ENABLED=n, CONFIG_ENABLE_CHIPOBLE=n）。

理由: store_wifi_credentials() でWiFi認証情報をハードコードしているため、デバイスは起動と同時にWiFi接続を試みます。 この状態でCHIPoBLE（MatterのBLEアドバタイズ）が動作すると、BLE/WiFi無線の競合によりWiFi接続が阻害される可能性があります。 WiFi認証情報を事前に埋め込む設計においては、BLEを無効化してIPネットワーク経由コミッショニング（kOnNetwork）に統一しています。

フェイルセーフ原則（乖離検出時の動作）

Matter 仕様の前提は「実態が確定的に判定できていること」。乖離時の自動 ON/OFF は誤動作リスクを生みます。

安全な方向 = 操作しない。判断はユーザーに委ねる。

乖離確定（3回連続ポーリングで不一致）時の動作:

  1. attribute::update() で OnOff 属性を実態に同期
  2. Matter サブスクリプション経由でコントローラー（Google Home 等）へ通知
  3. 本システムは、得られた情報があっても電源を操作しない

既知の問題 / 課題

mDNS 競合（解消済み）

旧実装（Ping ベースの死活監視）では ESP-IDF mdns_init() と Matter 内部 mDNS がポート 5353 で競合していました。 現在は GPIO による電源 LED ポーリングに置き換えたため、mDNS は不使用。問題は解消済みです。

フリーズ自動回復（未実装）

電源 LED が ON のまま PC が応答しない（フリーズ）ケースは、現状では検出していません。 手動対応が必要です。ユーザーはシステムを理解し、適切な対応を行う必要があります。

制限事項

  • 本プロジェクトは自宅の一般的な家庭用ルーター環境を前提にしています。
  • 認証サーバーで厳重に管理されているネットワークや、セキュリティ管理が十分にされていないネットワークでは、 Matterの利用が制限される可能性があります。

ライセンス

本プロジェクトのアプリケーションコード（main/）は Apache License 2.0 です。使用している依存コンポーネントも同ライセンス（一部 MIT）です。

実機

入力側のフォトカプラを配線した写真は取り忘れました。

実機写真

Resources

ソースファイル、資料はGitHubで公開しています。個人の学習や小規模なプロジェクトでの再利用を歓迎します。

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