ESP32 应用实践：基于 ULP 的超低功耗浇花设备
1. 背景和目的
ULP Co-processor 是 ESP32 内置的一颗功耗极低的协处理器设备，无论主 CPU 是处于正常运行模式或是 Deep-Sleep 模式, ULP 协处理器都可以独立运行。ULP 协处理器具有特色的内置了 ADC 控制器和 I2C 控制器，支持正常模式和 Deep-Sleep 模式，并支持唤醒主 CPU 和向主 CPU 发送中断等特性，更多特性及介绍详见乐鑫的ESP32技术参考手册。
2. 方案阐述
最终方案应用见视频: http://v.youku.com/v_show/id_XMzE4MTU5NjY5Ng==.html
ULP 协处理器大部分时间处于睡眠状态，定时唤醒后，通过 SAR_ADC 检测土壤湿度，如土壤干燥则控制 RTC_GPIO 执行浇水动作，如检测到传感器异常后闪烁 LED 并唤醒主 CPU 。这个 ULP 例子消耗电流平均为 4.7uA 左右。
3. 硬件部分
为了实现上述功能，我们需要可以测芯片电流的 ESP32_ULP_EBV1 开发板（使用其他开发板亦可，只不过无法的看到芯片 Deep-Sleep 时耗流情况），一个叉状电极用于插入土壤，一个 5V 继电器模块，一个 5V 小水泵
3.1 硬件原理图
硬件原理图使用 Kicad 设计，检测土壤湿度原理是通过 47k 电阻和土壤中的电阻分压，测得 ADC 值后推算出土壤的湿度。另外，湿润的土壤到干燥的土壤电阻值一般测得阻值数据是 20K - 100k 左右。
需要注意：ESP32_ULP_EBV1 这个板子 GPIO34 有 10K 上拉电阻 R41 ，我们把它去掉了，因为 ADC 采集不需要这个电阻，并且还会造成漏电流。
3.2 硬件实物
| 土壤湿度传感器 | 水泵 |
|---|---|
| 叉状电极插入土壤获得土壤阻值 | 5V 电机，可正反转 |
 |
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| 继电器控制 | ESP32_ULP_EBV1 |
|---|---|
| 继电器是负载 10A 250VAC 的单刀双掷，负电平控制常开端闭合 | ESP32_ULP_EBV1 板子可方便的接入电流表测得芯片电流消耗情况 |
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3.3整体连接图
4.软件部分
ESP32 的 C 语言编译环境安装和配置参照 链接地址，另外 ULP 协处理器目前只支持汇编编程，所以还需要安装汇编工具链，下面介绍汇编工具链的安装和配置。
4.1 汇编环境的配置
ULP 协处理器配置汇编编译工具链，只需两步即可安装配置完毕，下面给出 ubuntu 操作系统下配置的步骤，或者点击 链接地址 获得更多 ULP 编程信息
- 第一步, 下载工具链
binutils-esp32ulp toolchain链接地址, 解压到需要安装的目录- 第二步，添加工具链的
bin目录到系统环境变量PATH中。例如我的解压目录是/opt/esp32ulp-elf-binutils那么添加export PATH=/opt/esp32ulp-elf-binutils/bin:$PATH这一行到 /home 目录的隐藏文件.bashrc文件最后一行，保存关闭文件并使用命令source .bashrc使上述环境变量生效
至此，汇编编译环境就安装好了。
根据 4.4 节可获取包含 ulp_watering_device 的完整 SDK ，在 ulp_watering_device/ 目录下依次运行如下命令:
$ make defconfig
$ make all -j8 && make flash monitor将自动调用汇编工具链编译汇编代码，并烧录运行。
4.2 管脚使用
| 管脚 | 功能 |
|---|---|
| GPIO4 | RELAY_CTL |
| GPIO34 | SAR_ADC |
| GPIO26 | SENSOR_ERROR_LED |
4.3 程序流程图
ESP32 上电后，配置 ULP 协处理器相关的 RTC GPIO 和唤醒周期后进入休眠，ULP 协处理器醒来后，通过 ADC 指令获取土壤电阻分压 ADC 值，如果检测到 SENSOR 异常，则唤醒 CPU 闪烁 LED 指示灯，用户可自定义其他的出错处理（例如链接云上报数据）；如果检测到湿度区间合适则什么都不做继续睡眠降低功耗；如果湿度值低于设定阈值则打开 RTC GPIO 控制水泵浇水。
4.4 代码分析
本例子的代码保存在 GitHub 仓库 espressif/esp-iot-solution 中,可通过 git 命令获取代码
$ git clone https://github.com/espressif/esp-iot-solution
$ cd esp-iot-solution
$ git submodule update --init --recursive本 demo 代码位于 esp-iot-solution/examples/ulp_watering_device 下
下面给出部分的汇编代码
汇编代码主要分成三大部分：ADC 采样、RTC GPIO 操作以及 Polling CPU 唤醒，第一部分给出 ADC 采样的汇编代码，主要意图是多次采样 ADC 以及计算平均值
///* ulp read adc example: using ADC in deep sleep on ulp co-processor */
/* increment sample counter */
move r3, sample_counter
ld r2, r3, 0
add r2, r2, 1
st r2, r3, 0
/* do measurements using ADC */
/* r0 will be used as accumulator */
move r0, 0
/* initialize the loop counter */
stage_rst
measure:
/* measure and add value to accumulator */
adc r1, 0, adc_channel + 1
add r0, r0, r1
/* increment loop counter and check exit condition */
stage_inc 1
jumps measure, adc_oversampling_factor, lt
/* divide accumulator by adc_oversampling_factor.
Since it is chosen as a power of two, use right shift */
rsh r0, r0, adc_oversampling_factor_log
/* averaged value is now in r0; store it into last_result */
move r3, last_result
st r0, r3, 0第二部分汇编代码，主要是操作 RTC GPIO 用来打开或者关闭水泵，以及 SENSOR 出错的处理
.global start_water
start_water:
/* Disable hold of RTC_GPIO10 output */
WRITE_RTC_REG(RTC_IO_TOUCH_PAD0_REG,RTC_IO_TOUCH_PAD0_HOLD_S,1,0)
/* Set the RTC_GPIO10 output HIGH
to signal that ULP is now up */
WRITE_RTC_REG(RTC_GPIO_OUT_W1TS_REG,RTC_GPIO_OUT_DATA_W1TS_S+10,1,1)
/* Enable hold on RTC_GPIO10 output */
WRITE_RTC_REG(RTC_IO_TOUCH_PAD0_REG,RTC_IO_TOUCH_PAD0_HOLD_S,1,1)
/* stop water and go sleep */
jump exit /* start pump and go sleep wait next wake up checking ADC value */
.global stop_water
stop_water:
/* Disable hold of RTC_GPIO10 output */
WRITE_RTC_REG(RTC_IO_TOUCH_PAD0_REG,RTC_IO_TOUCH_PAD0_HOLD_S,1,0)
/* Set the RTC_GPIO10 output LOW (clear output)
to signal that ULP is now going down */
WRITE_RTC_REG(RTC_GPIO_OUT_W1TC_REG,RTC_GPIO_OUT_DATA_W1TC_S+10,1,1)
/* Enable hold on RTC_GPIO10 output */
WRITE_RTC_REG(RTC_IO_TOUCH_PAD0_REG,RTC_IO_TOUCH_PAD0_HOLD_S,1,1)
jump exit /* stop water and go sleep */
.global sensor_err
sensor_err:
/* Disable hold of RTC_GPIO10 output */
WRITE_RTC_REG(RTC_IO_TOUCH_PAD0_REG,RTC_IO_TOUCH_PAD0_HOLD_S,1,0)
/* Set the RTC_GPIO10 output LOW (clear output)
to signal that ULP is now going down */
WRITE_RTC_REG(RTC_GPIO_OUT_W1TC_REG,RTC_GPIO_OUT_DATA_W1TC_S+10,1,1)
/* Enable hold on RTC_GPIO10 output */
WRITE_RTC_REG(RTC_IO_TOUCH_PAD0_REG,RTC_IO_TOUCH_PAD0_HOLD_S,1,1)
jump wake_up /* sensor error waku up */ 最后，第三部分的汇编代码是用来 Polling CPU 是否可以被唤醒
/* value within range, end the program */
.global exit
exit:
halt
.global wake_up
wake_up:
/* Check if the system can be woken up */
READ_RTC_REG(RTC_CNTL_DIAG0_REG, 19, 1)
and r0, r0, 1
jump exit, eq
/* Wake up the SoC, end program */
wake
WRITE_RTC_FIELD(RTC_CNTL_STATE0_REG, RTC_CNTL_ULP_CP_SLP_TIMER_EN, 0)
halt5. 电流部分
ULP 协处理器的主频是 8MHz， ULP 协处理器在正常工作时，瞬时电流消耗为 1.4 - 2.2 mA 左右。理想的 ULP 协处理器用法是较长的周期性进入 Deep-Sleep 和短暂的醒来工作来换取功耗平衡。
此例子为了演示效果，我们的设定 ULP 协处理器睡眠周期设置为 3 S，醒来工作的周期不足 1ms， 用电流表测得电流值维持在 4.7uA
6.总结部分
ULP 协处理器十分强大，内置 ADC 和 I2C 接口，能够在低功耗模式下做出更为复杂的应用，但应尽可能的使其进入 DeepSleep 状态降低功耗。