発酵温度コントローラ自作｜ESP32で味噌・ヨーグルト管理

ヨーグルト作りにおいて、40℃前後の温度をいかに一定に維持するかは、菌の活性と風味を左右する極めて重要な要素です。市販のデジタル温度調節器（オムロン製 61F-GPシリーズなど）は信頼性が高い一方で、スマートフォンへの通知機能や、Home Assistantを用いた長期的な温度ログの可視化といったIoT連携を単体で実現するにはコストと手間がかかります。また、味噌の発酵管理のように数週間に及ぶプロセスでは、温度の微細な変動が品質に直結するため、手動でのモニタリングには限界があります。

こうした「精密な熱制御」と「遠隔監視」の両立を実現する手段として、ESP32マイコンを用いた自作コントローラーが有効です。DS18B20温度センサーによる高精度な計測と、SSR（ソリッドステートリレー）によるPID制御を組み合わせることで、予算5,000円から8,000円程度の低コストで、プロ仕様の自動温度管理環境を構築できます。Wi-Fi経由でのリアルタイムな状態監視から、ヒーター出力の精密な調整に至るまでの実装プロセスを具体的に示します。

温度制御システムの制御理論と物理的構成

発酵食品の温度管理において、単なる「ON/OFF制御（サーモスタット方式）」では、目標温度（Setpoint）付近でのオーバーシュートおよびアンダーシュートを回避できません。ヨーグルト製造に必要な40.0℃〜45.0℃の維持や、味噌の熟成における微細な温度変化の管理には、PID（Proportional-Integral-Derivative）制御の実装が不可欠です。

PID制御は、目標値と現在値の差分である「偏差（Error）」に基づき、比例（P）、積分（I）、微分（D）の3つの要素を用いて出力を決定します。ESP32のデュアルコア（240MHz）を活用すれば、10ms〜100ms周期の高速な演算ループを構築し、サーキットブレーカーやSSR（Solid State Relay）へのPWM信号出力を制御可能です。

システムの物理構成は、以下の4つの階層で成立しています。

1. センシング層: DS18B20などの高精度デジタル温度センサーによる熱電位情報の取得。
2. 演算・論理層: ESP32内でのPIDアルゴリズム実行および、偏差に基づく出力比率（Duty Cycle）の算出。
3. 駆動層: SSRを用いたAC100Vヒーターへの低電圧（3.3V）による電力供給制御。
4. 熱交換層: ヒーターから発せられる熱エネルギーを、断熱容器内の媒体（水、空気、または発酵物自体）へ伝達するプロセス。

特にDS18B20を使用する場合、1-Wireプロトコルによるデジタル通信を行うため、アナログセンサーと比較してノイズ耐性が高いという利点があります。しかし、配線長が5mを超えると信号の立ち上がり（Rise time）に影響が出るため、4.7kΩ程度のプルアップ抵抗の適切な配置が求められます。

主要コンポーネントの選定基準とスペック比較

自作コントローラーの信頼性は、使用する半導体および受動部品の精度に依存します。特に温度センサーの分解能と、SSRのスイッチング特性は、PID制御の収束性に直つの影響を与えます。

温度センサーには、防水性能（IP68）を備えたDS18B20が推奨されます。このセンサーは、$\pm$0.5°Cの精度を持ち、12bitのADコンバータを内蔵しているため、ESP32側での複雑な電圧変換処理を省略できます。一方で、より高精度（$\pm$0.03°C）を求める場合は、PT100などの白金抵抗体とMAX31865といった専用ADCを使用する構成も検討に値します。

駆動部となるリレーには、機械式リレーではなくSSR（ソリッド・ステート・リレー）を選定してください。機械式リレーは接点の摩耗やチャタリング、およびスイッチング時の物理的な動作音が課題となります。一方、Fotek製 SSR-25DA のようなフォトカプラ絶縁型のSSRであれば、AC100VのノイズがESP32のGPIOへ回り込むのを防ぎつつ、数ms単位での高速な電力制御（位相制御に近い擬似PWM）が可能になります。

以下に、本プロジェクトで使用可能な主要部品の比較を示します。

電源部については、ESP32への供給にAC-DCコンバータ（例：Hi-Link HLK-PM01, 5V/3W）を使用し、SSRの駆動には別途、リレーの入力電圧に適合した安定したDCラインを確保する必要があります。

実装における技術的障壁と回避策

自作コントローラーの実装において、最も頻出する失敗は「熱慣性（Thermal Inertia）」による制御不能状態です。温度センサーがヒーターから離れすぎている場合、あるいはセンサーが発酵物の中ではなく容器の壁面に設置されている場合、ESP3AVが感知する温度と実際の内部温度に大きなタイムラグが生じます。これにより、PID制御のD項（微分）が正しく機能せず、目標温度を大幅に超えるオーバーシュートが発生します。

また、電気的なノイズ問題も深刻です。SSRはゼロクロス検出機能を持つものが多いですが、AC負荷のスイッチングに伴うサージ電圧が、ESP32の電源ラインに重畳（Ripple）し、Wi-Fi接続の瞬断やリセットを引き起こすことがあります。これを防ぐには、以下の対策が必須です。

1. パスコンの配置: ESP32のVCCピン直近に10$\mu$Fの電解コンデンサと0.1$\mu$Fのセラミックコンデンサを並列に挿入し、高周波ノイズを除去する。
2. フォトカプラ絶縁: SSRの入力側（DC）と出力側（AC）が電気的に分離されていることを確認し、スナバ回路（RC回路）を負荷側に挿入してサージを吸収する。
3. プルアップ抵抗の最適化: DS18B20の1-Wireバスにおいて、4.7k$\Omega$よりも低い値（例：2.2k$\Omega$）を使用することで、長距離配線時の信号立ち上がり遅延を抑制する。

さらに、ソフトウェア面では「アンチワインドアップ（Anti-Windup）」の実装が不可避です。積分項（I）の累積が過大になると、一度温度が低下した際に、ヒーターを停止しても温度が下がりにくいという現象が発生します。これを防ぐため、積分値に上限（Saturation Limit）を設定するロジックを必ず組み込んでください。

• よくあるトラブルとデバッグ手法
  • センサー値がNaNまたは0になる: 1-Wireバスのプルアップ不足、または電源電圧のドロップ。テスターで3.3Vが供給されているか確認。
  • ヒーターが止まらない: PIDのPゲインが高すぎる、または積分項（I）の蓄積によるワインドアップ現象。
  • Wi-Fiが頻繁に切断される: SSRスイッチング時の電磁ノイズ(EMI)が原因。電源部にLCフィルタを追加。

システムの高度化と運用最適化戦略

完成したコントローラーを単なる「温度維持装置」から、スマートホームの一部として昇華させるには、通信プロトコルとデータ蓄積層（Data Persistence Layer）の構築が必要です。2026年現在の標準的な構成は、ESPHomeを用いたHome Assistantへの統合です。

ESPHomeを使用すれば、C++による複雑なファームウェア開発を回避し、YAML形式の定義ファイルのみで、MQTT経由の温度パブリッシュや、Webインターフェース（Dashboard）の実装が可能です。これにより、スマートフォンからリアルタイムで発酵温度のグラフを確認したり、設定温度（Setpoint）を遠隔操作したりすることが可能になります。

運用の最適化においては、以下の3つのレイヤーでのデータ管理を推奨します。

1. エッジ層 (ESP32): 制御ループの実行と、MQTTによる軽量なメッセージ送信（JSONフォーマット）。
2. ブローカー層 (Mosquitto MQTT Broker): メッセージの中継および、一時的なデータのキューイング。
3. 蓄積・可視化層 (InfluxDB + Grafana): 時系列データベースであるInfluxDBに温度データを保存し、Grafanaを用いて週単位・月単位の温度推移を可視化。

また、コストパフォーマンスの最適化も重要です。全てのセンサーを高級なPT100にするのではなく、安定した環境であればDS18B20を使用し、浮いた予算（約2,000円〜3,000円）を、より高精度な断熱材や、信頼性の高い電源ユニット（例：Mean Well製RSシリーズ）へ投資することで、システムのトータル・ライフサイクル・コストを低減できます。

このように、電子工作としての「制御回路」と、IT技術としての「データプラットフォーム」を融合させることで、プロレベルの発酵管理システムが完成します。

主要コンポーネントと構成パターンの徹底比較

発酵食品の温度管理において、最も避けるべきは「オーバーシュート（目標温度を超えてしまう現象）」と「温度のハンチング」です。ヨーグルトの40℃前後というデリケートな温度帯を維持するには、センサーの精度だけでなく、制御側のスイッチング素子の応答速度や、マイコンの演算能力が決定的な役割を果たします。

ここでは、自作プロジェクトにおける主要なパーツ選定の基準となるスペックと、用途に応じた最適な組み合わせを整理しました。

1. マイコンボード（MCU）の性能・機能比較

制御の核となるESP32シリーズは、後継のC6や最新のS3など、用途によって選択肢が分かれます。PID制御の演算負荷や、Wi-Fi経由でのHome Assistant連携を考慮した比較です。

PID制御の計算において、将来的な複雑なログ解析や多地点（複数容器）の同時管理を行う場合は、浮動小数点演算に強いS3モデルが推奨されます。一方、Matter規格を用いてスマートホーム・エコシステムへ組み込みたい場合は、C6を選択するのが2026年における最適解です。

2. 温度センサーの精度・インターフェース比較

発酵食品の種類によって求められる精度は異なります。味噌のように緩やかな温度変化で良いものと、ヨーグルトや麹造りのように0.5℃単位の管理が求められるものでは、選定すべきセンサーが全く異なります。

| 型番/センサー種別 | 測定精度 ($\pm$℃) | 温度範囲 (℃) | 通信プロトコル | 実売価格目安 (円) | | :---H2 | DS18B20 (1-Wire) | $\pm$0.5℃ | 1-Wire | 350円 | | DHT22 (温湿度) | $\pm$0.5℃ / $\pm$2%RH | -40 to 80 | Digital Single-bus | 600円 | | PT100 (MAX31865使用) | $\pm$0.1℃以下 | -200 to 650 | SPI | 2,500円 | | K型熱電対 (MAX6675) | $\pm$2.2℃ | -200 to 1024 | SPI | 850円 |

DS18B20は、1-Wire接続のため複数のセンサーを数本の信号線で並列に接続できるため、多段式の発酵槽管理において圧倒的なコストパフォーマンスを誇ります。極めて高い精度が求められる実験的用途ではPT100を使用しますが、回路構成の複雑化とコスト増を招きます。

3. スイッチング素子（リレー・SSR）の特性比較

ヒーターのON/OFF制御において、最も重要なのが「スイッチング速度」です。PID制御による細かなパルス幅（PWM的な動作）を行う場合、機械式リレーでは寿命と騒音の問題が発生します。

PID制御のP（比例）ゲインを高く設定し、ヒーター出力を細かく制御する場合、SSR（ソリッドステートリレー）の使用は必須です。機械式リレーでは、頻繁な接点動作により数ヶ月で故障するリスクがあり、また「カチッ」という動作音が深夜の静かな環境では無視できないストレスになります。

4. プロジェクト構成パターンの比較

予算と実装したい機能（UI/UX）に基づいた、3つの代表的な構成パターンです。

初心者であれば、DS18B20とESP32-WROOMを用いた「シンプル型」が、配線ミスによる故障リスクも低く、最も推奨されます。一方で、既存のスマートホーム環境（Home Assistant等）に組み込む場合は、センサーデータのグラフ化やスマホ通知が容易な「IoT型」が真価を発揮します。

5. 主要部品の入手先・流通価格帯

パーツの調達ルートは、納期とコストのバランスを左右します。

設計の初期段階では、入手性の高い秋月電子通商やAmazonを利用し、プロトタイプを迅速に完成させることが重要です。量産やコストダウンを検討するフェーズで、AliExpress等でのバルク買いを検討するのが定石です。

よくある質問

Q1. 製作コストを最小限に抑えるにはどのパーツを選べばよいですか？

費用を極限まで抑えるなら、安価なESP32 DevKit V1（約600円）を使用するのが最適です。センサー類もDS18B20の防水モデル（約400円）と、汎用のSSR（約500円）に絞り込み、電源として使い古した5V/2AのUSBアダプタを流用すれば、部品代は合計で2,000円以下に収めることも可能です。ただし、極端なコスト削減は動作の不安定さを招くため、信頼性の高い抵抗器（4.7kΩ）などの基本部品代（計数百円）は予算に含めておくべきです。

Q2. 既製品の温度コントローラーを買うのと自作では、どちらがコスパが良いですか？

用途によります。Inkbird ITC-308のような既製品（約3,500円）は、初期費用が安く設定が容易ですが、データのログ保存やグラフ化といった機能はありません。一方、DIY版は部品代で約5,000〜8,000円かかりますが、Home Assistantへの連携による自動化や、スマホへの通知機能、さらには過去数ヶ月分の温度推移を可視化する機能を無料で実装できます。「単なる温度維持」なら既製品、「データ活用と自動化」なら自作が圧倒的にコスパに優れます。

Q3. 温度センサーはDS18B20とDHT22のどちらを選ぶべきでしょうか？

発酵管理にはDS18B20を強く推奨します。DHT22（約500円）は湿度も測定できるメリットがありますが、発酵容器内の湿度が飽和状態（100%付近）になると、結露によるセンサー故障のリスクが高まります。対してDS18B20は、ステンレスカプセルに封入された防水仕様のモデルが数百円で入手でき、±0.5℃という高い精度を維持できます。味噌やヨーグルトのような高湿度環境下での長期運用には、耐環境性に優れたDS18B20が不可欠です。

Q4. リレーは機械式リレーとSSRのどちらを使用するのが適切ですか？

PID制御による精密な温度管理を行うなら、SSR（ソリッド・ステート・リレー）一択です。機械式リレーは動作時に「カチッ」という音が発生し、接点の摩耗も激しいため、数秒間隔でON/OFFを繰り返すPID制御では寿命が数週間単位で尽きる恐れがあります。Fotek製などの240V/10A対応SSRを使用すれば、無音かつ高速なスイッチングが可能となり、ヒーターの出力を細かく調整して温度のオーバーシュート（設定値超え）を最小限に抑えられます。

Q5. Raspberry Pi 5で動かしているHome Assistantと連携できますか?

はい、可能です。ESPHomeというファームウェアを使用すれば、Arduino IDEで複雑なC++コードを書く必要はありません。YAML形式の設定ファイルを作成し、ESP32のIPアドレスを指定するだけで、Raspberry Pi 5上のHome Assistantへ温度やリレー状態を自動的に公開できます。これにより、外出先のスマートフォンから現在のヨーグルト温度を確認したり、設定温度が40℃を超えた場合にプッシュ通知を送るなどの高度な連携も容易に実現できます。

Q6. ESP32-S3を使用しても、従来のDS18B20用ライブラックは動作しますか？

基本的には動作しますが、ピンアサインの再確認が必要です。ESP32-S3は従来のESP32 DevKit V1とGPIOの配置が異なるため、プログラム内の#define ONE_WIRE_BUSに指定するピン番号を必ず新しい基板の回路図に合わせて書き換えてください。また、S3シリーズはUSBシリアル変換チップが内蔵されているため、PCからの書き込み時にデバイスマネージャーで認識されるCOMポート番号が変わる点にも注意が必要です。

Q7. 温度測定値が激しく変動（ハンチング）してしまう原因は何ですか？

センサーの配線におけるノイズや、プルアップ抵抗の不備が主な原因です。DS18B20のデータラインとVCCの間に4.7kΩのプルアップ抵抗を正しく挿入しているか確認してください。それでも解決しない場合は、ソフトウェア側で「移動平均フィルタ」を実装するのが有効です。直近5回〜10回分の測定値の平均をとるアルゴターリズムを組み込むことで、突発的な電圧変動による数値のスパイクを平滑化し、リレーの頻繁な誤作動を防ぐことができます。

Q8. SSRが故障して「常にON」の状態になった場合の対策はありますか？

SSRが短絡（ショート）状態で故障すると、ヒーターが止まらず温度が暴走する致命的なリスクがあります。これを防ぐには、物理的なバックアップ回路の導入が推奨されます。具体的には、サーモスタット（バイメタル式）などの安価な温度ヒューズをヒーターの電源ラインに直列で割り込ませるか、ESP32から制御する二次リレーを「非常停止用」として用意し、異常高温を検知した際に強制遮断する二重安全構造を構築することが重要です。

Q9. 次世代のスマートホーム規格である「Matter」に対応させることは可能ですか？

最新のESP32-C6を使用すれば可能です。ESP32-C6はWi-Fi 6に加え、IEEE 802.15.4（Thread/Zigbee）をサポートしており、Matterプロトコルへの対応が期待されています。将来的にMatter規格に対応したファームウェアを実装すれば、Apple HomeKitやGoogle Homeといった異なるプラットフォーム間でのシームレスな連携が可能になります。自作デバイスの拡張性を考えるなら、次世代の通信規格に対応したチップ選定がトレンドといえます。

Q10. 2026年以降、AIを活用したさらなる高度な制御は可能でしょうか？

可能です。「エッジAI」技術を応用することで、より高度な予測制御が実現できます。Edge Impulseなどのツールを用いて、ESP32上で軽量な機械学習モデルを動作させることが可能です。周囲の室温変化やヒーターの消費電力パターンを学習させることで、従来のPID制御よりもさらに正確に、加熱のタイミングを予測してエネルギー効率を高める「AI-PID制御」が自作デバイスでも実現できる時代が到来しています。

Q11. 電源として古いスマートフォン用のUSBアダプタを使っても大丈夫ですか？

5V/2A以上の出力が可能なアダプタを使用してください。古いスマートフォン用（5V/1A程度）の充電器は、ESP32がWi-Fi通信を行う際の突入電流や、リレー駆動時の負荷に耐えられず電圧降下を引き起こすことがあります。電圧が不安定になると、センサーデータの欠損や、SDカードへのログ書き込み失敗、さらにはESP32の予期せぬ再起動（リセット）を招くため、ACアダプタの選定はシステムの安定性に直結する重要な要素です。

まとめ

ESP32を用いた発酵温度コントローラの自作は、低コストで高精度な環境制御を実現する極めて実用的なプロジェクトです。本記事の要点を以下に整理します。

• PID制御アルゴリズムの実装により、ヨーグルト（40℃）や味噌などのデリケートな温度帯を±0.5℃以内の精度で安定維持できる
• DS18B20センサーの採用により、湿度の高い発酵容器内でも高精度かつ防水性の高い温度計測が可能になる
• SSR（ソリッドステートリレー）の高速スイッチングを活用し、ヒーターのオン・オフを細かく制御してオーバーシュートを防ぐ
• Home Assistantとの連携により、外出先からのスマホ通知やグラフによる温度履歴の可視化が実現する
• 主要部品（ESP32, SSR, センサー等）の予算は約3,000円〜8,000円程度に抑えられ、既製品に対して極めて高いコストパフォーマンスを発揮する
• AC100V回路を扱うため、配線の絶縁処理やヒューズ設置といった電気的な安全対策がプロジェクトの絶対条件となる

まずはESP32とLEDを用いた[PWM](/glossary/pwm)制御のシミュレーションから始め、PIDパラメータの微調整（チューニング）に慣れていくことを推奨します。回路が完成したら、次は温度ログをInfluxDBに保存し、Grafanaで可視化する拡張にも挑戦してみてください。