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ESP32睡眠

结合ESP32的休眠功能可以达到省电的目的。代码设计主要有两步:

  • 进入睡眠模式

  • 唤醒

ESP32睡眠模式

ESP32 几种睡眠模式对比。

Modem-Sleep Light-Sleep Deep-Sleep Hibernation
WiFi 不活动 不活动 不活动 不活动
Bluetooth 不活动 不活动 不活动 不活动
Radio 不活动 不活动 不活动 不活动
外设 不活动 不活动 不活动 不活动
ESP32 Core 活动 暂停 不活动 不活动
ULP协处理器 活动 活动 活动 不活动
RTC 活动 活动 活动 活动

Modem-Sleep

在Modem-Sleep模式下,CPU 供电,ESP32 根据 WiFi 通信的使用情况在主动模式和调制解调器睡眠模式之间切换。切换是自动完成的,CPU 频率也会自动更改,具体取决于 CPU 负载和外围设备的使用。

由于ESP32会自动进入modem-sleep模式,因此没有Arduino功能可以进入该模式。

这就是说在没有使用Wifi,蓝牙功能时,ESP32会将其自动关闭,以达到省电的目的。不需要用户干预。

Light-Sleep

light-sleep 模式下 ESP32 Core暂停。这意味着大部分 RAM 和 CPU 都遵循睡眠模式。在这种模式下,内部触发器不会切换状态,因为这种切换会消耗功率。

在轻度睡眠模式下,WiFi 基带被禁用,但 WiFi 连接本身保持活动状态。

Deep-Sleep模式

在浅睡眠模式下,ESP32 Core 暂停并遵循睡眠模式,而在深度睡眠电源模式下,ESP32 Core 完全不活动。只有 ULP 协处理器和 RTC 保持活动状态。

在深度睡眠模式下,WiFi 连接不活跃,但 WiFi 配置数据存储在实时时钟的内存中。因此,ESP32 从深度睡眠模式唤醒后重新建立 WiFi 连接非常快。

Hibernation模式

休眠电源模式是电流消耗最低的电源模式。空白的 ESP32 微控制器仅消耗 5μA。内部 8 MHz 振荡器和 ULP 协处理器被禁用,RTC 恢复存储器断电。慢速时钟上只有一个 RTC 定时器和某些 RTC GPIO 处于活动状态。RTC 定时器或 RTC GPIO 可以将芯片从休眠模式唤醒。

进入休眠状态

使ESP32进入休眠状态的代码很简单:

esp_light_sleep_start(); //进入Light-Sleep模式
esp_deep_sleep_start(); //进入Deep-Sleep模式
esp_sleep_pd_config(ESP_PD_DOMAIN_RTC_PERIPH, ESP_PD_OPTION_OFF); //停用所有 RTC 外设,即进入Hibernation模式

睡眠唤醒

ESP32睡眠后,有多种唤醒方式。

esp_sleep_enable_ulp_wakeup();
esp_sleep_enable_timer_wakeup(uint64_t time_in_us);
esp_sleep_enable_touchpad_wakeup();
esp_sleep_enable_ext0_wakeup(gpio_num_t gpio_num, int level);
esp_sleep_enable_ext1_wakeup(uint64_t mask, esp_sleep_ext1_wakeup_mode_t mode);
esp_sleep_enable_gpio_wakeup();
esp_sleep_enable_uart_wakeup();

ULP 协处理器唤醒唤醒

唤醒代码:

esp_sleep_enable_ulp_wakeup();

ULP 协处理器可以在芯片处于睡眠模式时运行,并且可以用于轮询传感器,监视 ADC 或触摸传感器值,并在检测到特定事件时唤醒芯片。

定时器唤醒

唤醒代码:

esp_sleep_enable_timer_wakeup(uint64_t time_in_us);

在预定义的时间后唤醒芯片。时间以微秒精度指定。

因为ESP32 是32位MCU,所以它的最大睡眠时间是32位的整数,即0xFFFF FFFF 或 4294967295 毫秒,约71分钟。

Touch pad唤醒

唤醒代码:

esp_sleep_enable_touchpad_wakeup();

External 唤醒(ext0)唤醒

唤醒代码:

esp_sleep_enable_ext0_wakeup(gpio_num_t gpio_num, int level);
  • gpio_num: GPIO number used as wakeup source. Only GPIOs which are have RTC functionality can be used: 0,2,4,12-15,25-27,32-39.

  • level: input level which will trigger wakeup (0=low, 1=high)

当 GPIO 的电平为预定义的逻辑电平时触发唤醒。必须使用有RTC功能的GPIO: 0,2,4,12-15,25-27,32-39.

External 唤醒(ext1)唤醒

唤醒代码:

esp_sleep_enable_ext1_wakeup(uint64_t mask, esp_sleep_ext1_wakeup_mode_t mode);

使用多个GPIO 触发唤醒。

  • mask。bit mask of GPIO numbers。必须使用有RTC功能的GPIO: 0,2,4,12-15,25-27,32-39.

  • mode。可选项项:

  • ESP_EXT1_WAKEUP_ALL_LOW: 所有选定的引脚都为低电平,则唤醒

  • ESP_EXT1_WAKEUP_ANY_HIGH: 任何所选引脚为高电平,则唤醒

GPIO 唤醒(仅 light sleep)

除了上面描述的 EXT0 和 EXT1 唤醒源之外,在轻度睡眠模式下还有一种从外部输入唤醒的方法。通过该唤醒源,每个引脚可以单独使用 gpio_wakeup_enable() 函数配置为高电平或低电平唤醒。与 EXT0 和 EXT1 唤醒源(只能与 RTC IO 一起使用)不同,此唤醒源可用于任何 IO(RTC 或数字)。

esp_sleep_enable_gpio_wakeup() 函数可用于启用此唤醒源。

UART 唤醒(仅 light sleep)

当 ESP32 从外部设备接收 UART 输入时,通常需要在输入数据可用时唤醒芯片。UART 外设包含一项功能,当看到 RX 引脚上的一定数量的上升沿时,可以将芯片从轻度睡眠状态唤醒。可以使用 uart_set_wakeup_threshold() 函数设置此上升沿数。请注意,唤醒后 UART 不会接收触发唤醒的字符(及其前面的任何字符)。 这意味着外部设备通常需要在发送数据之前向 ESP32 发送额外字符以触发唤醒。

esp_sleep_enable_uart_wakeup() 函数可用于启用此唤醒源。

RTC外设和存储器掉电

默认情况下,esp_deep_sleep_start() 和 esp_light_sleep_start() 函数将关闭所有启用的唤醒源不再需要的 RTC 电源域。要覆盖此行为,请提供 esp_sleep_pd_config() 函数。

注意:在 ESP32 的版本 0 中,RTC 快速存储器将始终在深度睡眠中保持启用状态,以便深度睡眠存根可以在复位后运行。 如果应用程序在深度睡眠后不需要干净的重置行为,则可以覆盖此项。

如果程序中的某些变量放入RTC慢速存储器(例如,使用 RTC_DATA_ATTR 属性),RTC 慢速存储器将默认保持通电状态。 如果需要,可以使用 esp_sleep_pd_config() 函数覆盖它。

实例:ESP32 深度睡眠程序代码

#define uS_TO_S_FACTOR 1000000  /* Conversion factor for micro seconds to seconds */
#define TIME_TO_SLEEP  5        /* Time ESP32 will go to sleep (in seconds) */

void print_wakeup_reason(){
  esp_sleep_wakeup_cause_t wakeup_reason;
  wakeup_reason = esp_sleep_get_wakeup_cause();

  switch(wakeup_reason)
  {
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT0 : Serial.println("Wakeup caused by external signal using RTC_IO"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT1 : Serial.println("Wakeup caused by external signal using RTC_CNTL"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_TIMER : Serial.println("Wakeup caused by timer"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_TOUCHPAD : Serial.println("Wakeup caused by touchpad"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_ULP : Serial.println("Wakeup caused by ULP program"); break;
    default : Serial.printf("Wakeup was not caused by deep sleep: %d\n",wakeup_reason); break;
  }
}

void setup(){
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial) {
    ; // wait for serial port to connect. Needed for native USB
  }

  print_wakeup_reason(); //Print the wakeup reason for ESP32

  delay(5000);

  esp_sleep_enable_timer_wakeup(TIME_TO_SLEEP * uS_TO_S_FACTOR); // ESP32 wakes up every 5 seconds

  esp_sleep_pd_config(ESP_PD_DOMAIN_RTC_PERIPH, ESP_PD_OPTION_ON); // all RTC Peripherals are powered

  Serial.println("Going to deep-sleep now");
  Serial.flush(); 
  esp_deep_sleep_start();
}

void loop(){
}

深度睡眠电源模式从函数esp_deep_sleep_start开始。

每次微控制器从深度睡眠模式唤醒时,ESP32 都会启动 setup 函数,所以我们在 setup 函数中定义了我们所有的代码,不使用循环函数。

对于深度睡眠模式,我们可以定义所有 RTC 外设是活动还是断电。在睡眠配置文件中,我们定义 RTC IO、传感器和 ULP 协处理器等 RTC 模块保持活动状态。

如果将睡眠配置文件更改为:

esp_sleep_pd_config(ESP_PD_DOMAIN_RTC_PERIPH, ESP_PD_OPTION_OFF);

就将进入Hibernation模式。

增加睡眠时间以降低功耗

我们从上一章中获得了两个重要的见解,这有助于我们进一步降低整个 ESP32 项目的功耗。

  1. 建立WiFi连接并通过WiFi发送数据具有非常高的功耗
  2. 在深度睡眠或休眠模式下,ESP32 的功耗显著降低。

因此,如果精确规划各个阶段(唤醒、通过 WiFi 发送数据、睡眠),则可以降低功耗。

下表列出两种开发板在各种状态下的电流,供参考。

Reference [mA] Light-Sleep [mA] Deep-Sleep [mA] Hibernation [mA]
ESP32 – DevKitC 51 10 9 9
FireBeetle ESP32 39 1.94 0.011 0.008

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以气象站为例,可以清楚地描述各个阶段:

ESP32 连接到 DHT22 温度和湿度传感器。如果我们每 10 秒传输一次温度和湿度,功耗将不必要地高,因为传输的测量值大多相同。

可以通过每 10 分钟而不是每 10 秒传输读数来降低功耗。有了这个,我们延长了绵羊时间。为了减少 WiFi 连接的数量,每次从睡眠模式唤醒时,可以将当前传感器值与上次发送的值进行比较,只有在温度或湿度发生变化时才通过 WiFi 发送新数据。

要在睡眠模式下存储变量,它们必须加载到 RTC 内存中,在 ESP32 上只有 8kB。您只需在变量前添加RTC_DATA_ATT 即可

RTC_DATA_ATT int temperature;
RTC_DATA_ATT int humidity;
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