Глубокий сон ESP32: как спать на 10 мкА и просыпаться по делу

Режимы и токи

По таблице 4-2 даташита ESP32:

Цифры относятся к самому чипу. Всё остальное на плате — стабилизатор, преобразователь USB–UART, светодиод питания, внешние подтяжки — потребляет дополнительно, и на отладочной плате ток сна может быть намного больше табличного. Для батарейного устройства его измеряют на своей плате.

Что сохраняется во сне

По руководству ESP-IDF в глубоком сне выключены процессоры, большая часть оперативной памяти и вся цифровая периферия. Остаются под питанием контроллер RTC, сопроцессор ULP и две области памяти RTC — FAST и SLOW.

Отсюда главное отличие от привычного «сна» микроконтроллера: после пробуждения ESP32 не продолжает программу с места остановки. ESP-IDF описывает это так: при пробуждении выполняется короткий код wake stub, а затем загружается приложение — фактически программа стартует заново, и setup() в Arduino выполняется снова. Данные, которые нужно пронести через сон — счётчик пробуждений, последнее измерение, — объявляют с атрибутом RTC_DATA_ATTR: они лежат в памяти RTC SLOW, и ESP-IDF по умолчанию оставляет её включённой, если там есть переменные.

Wi-Fi и Bluetooth во сне выключены, и соединения не сохраняются. После пробуждения устройство подключается к сети заново, а радио по даташиту потребляет 95–240 мА — время подключения и стоит сокращать.

Источники пробуждения

ESP-IDF перечисляет для ESP32 такие источники; их можно включать одновременно, и чип проснётся от любого:

Для внешнего пробуждения годятся только выводы RTC. По даташиту ESP32 это RTC_GPIO0–RTC_GPIO17: GPIO36, 37, 38, 39, 34, 35, 25, 26, 33, 32, 4, 0, 2, 15, 13, 12, 14 и 27. Подтяжку для кнопки включают функциями rtc_gpio_pullup_en и rtc_gpio_pulldown_en до входа в сон. У ext1 есть ограничение: если выводов несколько, уровень пробуждения у всех один. После пробуждения вывод остаётся в режиме RTC, и чтобы снова использовать его как обычный GPIO, ESP-IDF требует вызвать rtc_gpio_deinit.

Причину пробуждения возвращает esp_sleep_get_wakeup_cause(), а для ext1 и касания отдельные функции сообщают, какой именно вывод сработал. Если не включить ни одного источника, чип по ESP-IDF будет спать до внешнего сброса.

Режим Light-sleep будит ещё и любой GPIO, а также UART, но там и ток другой — 0,8 мА против 10 мкА.

Где теряются микроамперы

• Подтяжки на выводах. ESP-IDF приводит пример: на модуле ESP32-WROVER вывод GPIO12 подтянут вверх снаружи и вниз внутри чипа, и через эту пару резисторов во сне течёт ток. Его убирают вызовом rtc_gpio_isolate(GPIO_NUM_12) перед esp_deep_sleep_start(). Так же изолируют другие выводы, к которым во сне подключена внешняя схема.
• ext0 и ULP держат периферию RTC. С ext0 и с работающим ULP периферия RTC остаётся включённой, и ток выше, чем с одним таймером: по даташиту 150 мкА с ULP против 10 мкА.
• Флеш-память. По ESP-IDF esp_deep_sleep_start() всегда выключает внешнюю SPI-флеш, так что о ней в глубоком сне можно не думать. В Light-sleep она по умолчанию остаётся включённой и тратит по ESP-IDF около 10–30 мкА.
• Плата. Стабилизатор с большим собственным током, преобразователь USB–UART и светодиод питания потребляют больше самого чипа — для батарей их отключают или выбирают плату без них.

Пример: сколько проработает батарея

Устройство раз в минуту просыпается на 1 с, измеряет датчик без Wi-Fi на 80 МГц и снова засыпает. По даташиту в работе без радио это 20–31 мА, возьмём 25 мА, во сне — 10 мкА. Средний ток:

Батарея ёмкостью 2000 мА·ч при таком токе проработает около 4700 часов — больше полугода, если ток самой платы во сне действительно близок к табличному. Если же каждое пробуждение с подключением к Wi-Fi длится несколько секунд при сотне миллиампер, средний ток вырастет в разы — поэтому данные копят в RTC-памяти и отправляют пачкой.

Измерять напряжение батареи во сне умеет сопроцессор ULP, а о точности измерения — статья «АЦП ESP32». Какие выводы влияют на загрузку после пробуждения — strapping-выводы, остальные чипы Espressif — в разделе ESP32.