超低功耗芯片ESP8266

快速入门指南中介绍了NodeMCU上的ESP8266芯片，这是一种超低功耗芯片，只利用太阳能就可以运行。

项目介绍

“菲莱”着陆器登陆彗星让我们深受启发，于是我们从前段时间开始开展低功耗的研发项目，其中假设我们只能利用太阳能对电池充电，在一定时间内进入睡眠状态，从而在某个事件中唤醒。

信息更新：目前已证实的一点是，这个项目通过只利用太阳能而持续了三天/夜，这听起来也许不算什么，但是别忘了，我们在用200mA的锂聚合物电池运行一个非常耗电的wifi模组，同时利用一个小型的0.5W 太阳能板发电。比较而言，如果不利用一些诀窍的话，锂聚合物电池经过一个小时后电量就会耗尽了。 我们应用的诀窍如下：

 

 SparkFun ESP8266是一个很好的开发板，不过首先我们想让这个芯片也能用于NodeMCU，这样就可以不需要Arduino(TM) IDE，而直接使用LUA脚本语言为芯片编码。此外，我们还使用LUA脚本语言控制芯片的休眠模式（关闭不使用的组件），将其唤醒运行任务（像不像在现实生活中）。通过这种方式，我们可以只利用太阳能，而不用电源使ESP8266和 ESP8226运行起来。顺便说一下，我们只是用一个太阳能板和锂聚合物电池，没用什么昂贵的太阳能充电器！

 

将开发板和锂聚合物电池连接起来

步骤1

切掉载板后部DTR（数据终端就绪）的痕迹，从而实现串口调试，同时烧录新的固件。

 步骤2

 

在Raspberry Pi上安装ESP8266工具链

除了为存储ESP8266而需要安装编译器和工具之外，还需要将3.3VFTDI与ESP8266适当地连接起来。 

1. ESP工具——基于python用于存储ESP8266的工具

wget --no-check-certificate https://github.com/themadinventor/esptool/archive/master.zip

unzip master.zip

cd esptool-master

sudo python setup.py install

2.  LUA工具——利用LUA脚本语言编码的库和示例

wget --no-check-certificate https://github.com/4refr0nt/luatool/archive/master.zip

unzip master.zip

3.  NODEmcu—— 基于EPS8266支持LUA编码的固件

wget --no-check-certificate https://github.com/nodemcu/nodemcu-firmware/archive/master.zip

unzip master.zip

将最新版NODEmcu固件烧录至ESP8266：

pi@raspberrypi ~/esp/nodemcu-firmware-master/pre_build/latest $ python /home/pi/esp/esptool-master/esptool.py --port /dev/ttyUSB0 write_flash 0x00000 nodemcu_latest.bin

Connecting...

Erasing flash...

Writing at 0x00062000... (100 %)

Leaving...

完成——存储固件后，在开始下一步之前重启一次。

现在开始下载自动运行的LUA脚本，使ESP8266连接至接入点： 

pi@raspberrypi ~/esp/luatool-master/luatool $ python /home/pi/esp/luatool-master/luatool/luatool.py --port /dev/ttyUSB0 --src init.lua --dest init.lua --verbose

Set timeout None

Set interCharTimeout None

Upload starting

Stage 1. Deleting old file from flash memory

->file.open("init.lua", "w") -> ok

->file.close() -> ok

Stage 2. Creating file in flash memory and write first line->file.remove("init.lua") -> ok

Stage 3. Start writing data to flash memory...->file.open("init.lua", "w+") -> ok

->file.writeline([==[print('init.lua ver 1.2')]==]) -> ok

->file.writeline([==[wifi.setmode(wifi.STATION)]==]) -> ok

->file.writeline([==[print('set mode=STATION (mode='..wifi.getmode()..')')]==]) -> ok

->file.writeline([==[print('MAC: ',wifi.sta.getmac())]==]) -> ok

->file.writeline([==[print('chip: ',node.chipid())]==]) -> ok

->file.writeline([==[print('heap: ',node.heap())]==]) -> ok

->file.writeline([==[-- wifi config start]==]) -> ok

->file.writeline([==[wifi.sta.config("SSID","passkey")]==]) -> ok

->file.writeline([==[-- wifi config end]==]) -> ok

->file.writeline([==[wifi.sta.connect()]==]) -> ok

->file.writeline([==[tmr.alarm(1, 1000, 1, function()]==]) -> ok

->file.writeline([==[if wifi.sta.getip()== nil then]==]) -> ok

->file.writeline([==[print("IP unavaiable, Waiting...")]==]) -> ok

->file.writeline([==[else]==]) -> ok

->file.writeline([==[tmr.stop(1)]==]) -> ok

->file.writeline([==[print("ESP8266 mode is: " .. wifi.getmode())]==]) -> ok

->file.writeline([==[print("The module MAC address is: " .. wifi.ap.getmac())]==]) -> ok

->file.writeline([==[print("Config done, IP is "..wifi.sta.getip())]==]) -> ok

->file.writeline([==[-- dofile ("web.lua")]==]) -> ok

->file.writeline([==[end]==]) -> ok

Stage 4. Flush data and closing file->file.writeline([==[end)]==]) -> ok

->file.flush() -> ok

->file.close() -> ok

--->>> All done <<<---

现在开始监视NODEmcu控制台，同时可以看到LUA脚本的输出：

pi@raspberrypi ~ $ screen /dev/ttyUSB0 9600

NodeMCU 0.9.5 build 20150214 powered by Lua 5.1.4

lua: cannot open init.lua

>

由于init.lua未启动，RESET、POWER ON/OFF也未启动，所以输入dofile(“init.lua”) 不能执行脚本。

NodeMCU 0.9.5 build 20150214 powered by Lua 5.1.4

init.lua ver 1.2

set mode=STATION (mode=1)

MAC: 18-FE-34-9D-B9-2A

chip: 10336554

heap: 17184

> IP unavaiable, Waiting...

IP unavaiable, Waiting...

ESP8266 mode is: 1

The module MAC address is: 

Config done, IP is 192.168.2.115

>

完成——现在将ESP8266连接至接入点，显示出DHCP的IP地址。

步骤3

将你的数据传到云端！

你可以将附件中的示例传至ThingSpeak云端，不过也可以改一下传输路径，将数据传输到你喜欢的服务器上。

电流最佳化：

MCU中的ESP8266中具有有高频时钟和应用处理功能，所以在正常运行时，Wifi即便没有传输数据也会消耗将近100mA多的电量。 可以通过以下两种方法来降低功耗：一、关闭高频时钟（需要LUA 指令）；二、将 ESP8266设置为睡眠模式（像着陆器登陆彗星之后一样）。关掉除定时器之外的所有组件以唤醒ESP8266：深度睡眠模式下的电耗约为88uA。这个一般芯片的电耗差别很大。

      node.dsleep(microSecs);

下面是一个睡眠60秒之后等待唤醒的示例：

       node.dsleep(60000000);

这就是我们采用的诀窍！在特定的时间内将ESP8266设置为深度睡眠模式，并根据这一时间唤醒芯片。你需要将XDP 连接至DTR（最好使用跨接线）。如果你想利用外部某个器件（如外触发器）将ESP8266从深度睡眠状态中唤醒，将DTR连接至GND就可以轻松搞定这一点。

Sparkfun： “XPD管脚连接至DTR时，就不能对ESP8266进行编程了。在试图上传一个示意图，要确保不要将这两个管脚连接起来。”

此外，如果你想利用串口线来监管ESP8266，要确保不要将DTR连接至FTDI。

若想获得更多信息，可点击（外部链接）：

https://www.sparkfun.com/news/1842

https://learn.sparkfun.com/tutorials/esp8266-thing-hookup-guide/all#example-sketch-goodnight-thing-sleep-mode

http://tim.jagenberg.info/2015/01/18/low-power-esp8266/

http://blog.hekkers.net/2015/02/26/esp8266-in-deep-sleep/

http://blog.hekkers.net

太阳能

第一个原型已完成...将R4设置为10K，从而将充电电流降低为100mA...使用一个200mAh的锂聚合物电池和一个5V 100mA的太阳能板...确保这个太阳能板的电压不超过6V...下图是详细的电路修改（我们不能保证是否可以修改，你自己承担其中的风险）：

如果太阳板最大程度地暴露在阳光下，黄灯就会亮；充电后红灯会亮...一切都会正常运作，但不要忘记使用深度睡眠模式...否则太阳能和电池的这么少的电量不会持续太久！

功耗调试

为了将功耗降低至 uA单位，我们需要深入了解ESP8266的功能...从下面的截图中可以看到利用Keysight N6781A记录的当前数据。

充电后会显示标记(1)：平均电流为77,2 mA 。连接WiFi后基站开始运作，随后开始搜索DHCP的IP地址，向云端发送一个数据帧。调至深度睡眠模式后出现标记 (2)：平均电流为7,8 mA。连接WiFi之后，最高值为383mA。  

为什么电流依然很高？这主要与LED灯的状态有关。接下来我们不会给LED供电（通过停冲和断电两种方式）。  

        深度睡眠模式下的实际电耗为88uA！这简直太棒了，:-)

充电后又显示标记(1) ：平均电流为72,5 mA，WiFi处于使能状态，调至深度睡眠模式之后，显示标记(2)为88.8 uA。连接WiFi后最高值为213 mA。

测示显示了60秒的深度睡眠和唤醒的测试周期：

最后将太阳能板连接到USB接口（电压最高为6V）：

现在我们再测试一次：短暂的唤醒状态之后进入60s的深度睡眠状态（见上图的峰值）。现在你可以看到平均电流是负值：-4.5 mA。这一点非常棒，因为晴天时我们可以将平均值为4.5mA的电流充回锂聚合物电池，ESP8266在深度睡眠时，我们的电是用不完的。 

完成——只利用一个小型的太阳能板，而不需要外部电源就就可以让特别耗电的ESP8266运行起来，我们已向你证明了这一点。

如果是在夜间或者阴天时，可以采用以下方法：

· 利用更大的太阳能板，以供应更多的电

· 减少唤醒次数，如：1次/小时

· 只在白天传输数据

· 利用一个更高效的太阳能充电器（100mA中最高为25mA）

· 利用可充电电池，相对于锂聚合物电池，这样就可以利用更多的电

· 利用BLE，而不用WiFi（这个选择是明智的）。

· 利用你自己的诀窍（若想分享可以评论一下本文）

经验之谈（关闭LED灯，R4 = 10kΩ，关闭FET/二极管）利用选好的太阳能板进行充电，平均电流为12 mA

 · 晚间：利用平均电流为7mA的锂聚合物电池，每60s唤醒一次；

 · 多云时：利用平均电流为5mA的锂聚合物电池，每60s唤醒一次；

 · 晴天时：利用平均电流为-5mA的锂聚合物电池，每60s唤醒一次；

 · 利用无休眠模式的平均电流为75 mA的锂聚合物电池，而不需用太阳能板，但要注意：传输越多的数据，就会利用更多的电量(>260 mA)——要避免这种情况，否则电量很快就会用尽。

我们来计算一下：

· 无阳光状态下利用200 mAh的锂聚合物电池，平均电流为5 mA，这样会持续40小时；

· 白天时为锂聚合物电池充电，平均电流70 mAh，持续时间为14小时

· 晚间锂聚合物电池耗电，持续时间为10小时

利用一些诀窍可以使电量持续应用数年。例如，一小时内只唤醒一次（与每分钟唤醒一次相比），这样你就可以减低电耗了.......晚间不传输数据（只计算数据），这样锂聚合物电池就会消耗更少的电。

为了只利用太阳能而实现为期一周的测试，我们利用5分钟的睡眠模式！阴天时可利用备用的锂聚合物电池，以提供70%的电量。

为了进一步使EPS8266项目操作起来更为简单，我们开始为ESP-12（如Adafruit开发板）开发一个印刷开发板，其中涉及本项目的最新发现成果：

利用太阳能的 ESP-12开发板，调节阀在背面

组件和电源

SparkFun Sparkfun ESP8266 Thing	×	1
SparkFun FTDI Basic Breakout - 3.3V	×	1
圆柱型锂离子电池- 3.7v 2200mAh 大功率——以下针对太阳能开发板	×	1
Raspberry Pi 2 Model B	×	1
200mAh or 400mAh的锂聚合物电池  小功率——太阳能开发板只需一块小的电池	×	1
0.5W太阳能板  小功率——太阳能开发板需要最高点压5.5V、电流110mA的太阳能板

电路图

改进的锂聚合物电池——从太阳能板输入

编码

init.lua

nodemcu自动运行之后开始调用 init 脚本，脚本语言为LUA，根据你的Wifi AP改变SSID和口令， 下次重启后如果想让thing.lua自动运行， 去掉注释 dofile ("thing.lua")。

print('init.lua ver 1.2')
wifi.setmode(wifi.STATION)
print('set mode=STATION (mode='..wifi.getmode()..')')
print('MAC: ',wifi.sta.getmac())
print('chip: ',node.chipid())
print('heap: ',node.heap())
-- wifi config start
wifi.sta.config("SSID","passkey")
-- wifi config end
wifi.sta.connect()
 tmr.alarm(1, 1000, 1, function()
  if wifi.sta.getip()== nil then
  print("IP unavaiable, Waiting...")
 else
  tmr.stop(1)
 print("ESP8266 mode is: " .. wifi.getmode())
 print("The module MAC address is: " .. wifi.ap.getmac())
 print("Config done, IP is "..wifi.sta.getip())
 -- dofile ("thing.lua")
 end
end)

thing.lua

ort = 80

function sendData()

t1=adc.read(0)
print("VOC:"..t1.." C\n")

-- conection to thingspeak.com
print("Sending data to thingspeak.com")
conn=net.createConnection(net.TCP, 0) 
conn:on("receive", function(conn, payload) print(payload) end)
-- api.thingspeak.com 184.106.153.149
conn:connect(80,'184.106.153.149') 
conn:send("GET /update?key=YOURWRITEKEY&field1="..t1.." HTTP/1.1\r\n") 
conn:send("Host: api.thingspeak.com\r\n") 
conn:send("Accept: */*\r\n") 
conn:send("User-Agent: Mozilla/4.0 (compatible; esp8266 Lua; Windows NT 5.1)\r\n
")
conn:send("\r\n")
conn:on("sent",function(conn)
                      print("Closing connection")
                      conn:close()
                  end)
conn:on("disconnection", function(conn)
          print("Got disconnection...")
  end)
end

-- send data every X ms to thing speak
tmr.alarm(0, 10000, 1, function() sendData() end )

将模拟传感器的数据传至云端，从而实现数据可视化，利用 ThingSpeak 写入密钥取代 YOURWRITEKEY。

init.lua——电量测试周期LUA

FileToExecute="pw.lua"
l = file.list();
for k,v in pairs(l) do
  if k == FileToExecute then
    print("*** You've got 5 sec to stop timer 0 ***")
    tmr.alarm(0, 5000, 0, function()
      print("Executing ".. FileToExecute)
      dofile(FileToExecute)
    end)
  end
end

pw.lua——电量测试周期LUA

每60s进行一次深度睡眠...在唤醒状态下可在此执行ESP8266 代码...现在我们将睡眠时间从60s改为300s（即5分钟）。 

interval = 60000000
node.dsleep(interval-tmr.now())

版权声明：

本译文仅用于学习和交流目的。非商业转载请注明译者、出处，并保留文章在译言的完整链接。

原文来源：https://www.hackster.io/

原文标题：Tame the beast: Ultra-Low Power #ESP8266 Thing (Uses LUA and solar panels)

原文地址：https://www.hackster.io/fablabeu/esp8266-thing-by-sparkfun