ESP-IDF 低功耗模式详解

ESP32芯片在低功耗应用中有强大的能力。为了降低功耗，ESP32提供了多个低功耗工作模式，如浅睡眠、深度睡眠和休眠模式等，同时也支持唤醒机制，使设备能够在待机状态下迅速响应外部事件。

1. 不同低功耗模式比较

模式	特点	使用场景	电流消耗	唤醒延迟
Active模式（正常工作模式）	CPU正常工作，时钟频率可配置，支持接收、发射或监听信号	适合需要减少无线通信功耗的场景	约30 mA	即刻唤醒
Light-sleep（浅睡眠模式）	CPU暂停，内部振荡器和射频模块关闭，ULP协处理器可工作	适用于短时间低功耗应用。例如，间歇性传感器读取或周期性任务	约800 µA	< 1 ms
Deep-sleep（深度睡眠模式）	数字内核断电，RTC内核供电电压降低，保留寄存器和RTC内存保持	适合长时间待机并偶尔唤醒的应用场景	约6.5 µA	< 1 ms
Hibernation（休眠模式）	数字内核和RTC外设域断电，仅保留寄存器和RTC内核供电	用于长时间不需要任何操作的场景	约4.5 µA	< 1 ms

2. 低功耗模式唤醒方法

ESP32提供了多种方式来从低功耗模式中唤醒，包括定时器、外部GPIO信号、RTC中断等。以下是几种常见的唤醒方式：

2.1 通过定时器唤醒（Timer Wakeup）

你可以使用定时器来使设备在设定的时间间隔后自动从深度睡眠模式中唤醒。

代码示例：

#include "esp_system.h"
#include "esp_sleep.h"
#include "esp_log.h"

void app_main() {
    // 设置定时器唤醒：设置 10秒后唤醒（单位：微秒）
    esp_sleep_enable_timer_wakeup(10 * 1000000);

    ESP_LOGI("LowPower", "Going to deep sleep now.");

    // 进入深度睡眠模式
    esp_deep_sleep_start();

    // 程序永远不会到达这里，因为在进入深度睡眠后，CPU会停止
    ESP_LOGI("LowPower", "Woke up from deep sleep.");
}

说明：

• esp_sleep_enable_timer_wakeup 设置定时器唤醒，在定时器到期后，ESP32会自动从深度睡眠中唤醒。
• esp_deep_sleep_start 使ESP32进入深度睡眠模式。

2.2 通过GPIO唤醒（GPIO Wakeup）

通过配置特定的GPIO引脚，使外部事件（例如按钮按下、传感器信号等）触发唤醒。

代码示例：

#include "esp_system.h"
#include "esp_sleep.h"
#include "driver/gpio.h"
#include "esp_log.h"

#define GPIO_WAKEUP_PIN GPIO_NUM_0  // GPIO0引脚作为唤醒信号

void app_main() {
    // 配置GPIO0为输入并启用下拉电阻
    gpio_pad_select_gpio(GPIO_WAKEUP_PIN);
    gpio_set_direction(GPIO_WAKEUP_PIN, GPIO_MODE_INPUT);
    gpio_pullup_en(GPIO_WAKEUP_PIN);
    gpio_pulldown_dis(GPIO_WAKEUP_PIN);

    // 配置GPIO0为外部中断唤醒源
    esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_WAKEUP_PIN, ESP_EXT0_WAKEUP_LEVEL_LOW);

    ESP_LOGI("LowPower", "Going to deep sleep now.");

    // 进入深度睡眠模式
    esp_deep_sleep_start();

    // 程序永远不会到达这里，因为进入深度睡眠后，CPU会停止
    ESP_LOGI("LowPower", "Woke up from deep sleep.");
}

说明：

• esp_sleep_enable_ext0_wakeup 用于配置GPIO引脚作为外部中断唤醒源。这里GPIO0用作低电平触发的唤醒信号。
• 按钮按下时，GPIO0的状态变化会导致ESP32从深度睡眠唤醒。
• 注意：使用该方法的时候需要使用RTC_IO。

2.3 通过外部RTC唤醒（RTC Wakeup）

ESP32的RTC可以用于管理外部中断，适用于需要周期性唤醒或通过外部事件唤醒的场景。

代码示例：

#include "esp_system.h"
#include "esp_sleep.h"
#include "driver/rtc_io.h"
#include "esp_log.h"

void app_main() {
    // 启用RTC计时器唤醒，设置为每秒唤醒一次（单位：微秒）
    esp_sleep_enable_timer_wakeup(1 * 1000000);

    ESP_LOGI("LowPower", "Going to deep sleep now.");

    // 进入深度睡眠模式
    esp_deep_sleep_start();

    // 程序永远不会到达这里，因为进入深度睡眠后，CPU会停止
    ESP_LOGI("LowPower", "Woke up from deep sleep.");
}

说明：

• RTC计时器在深度睡眠模式下仍然保持活动，允许周期性地唤醒设备。

2.4 通过Wi-Fi/BLE唤醒

Wi-Fi和蓝牙（BLE）可以通过连接请求或扫描周期来唤醒设备。在睡眠模式下，这些模块会定期扫描，保持连接或响应外部请求。

例如，在BLE设备中，可以设置扫描周期来减少功耗。Wi-Fi也有PSM（Power Save Mode）来降低功耗。

3. 如何优化低功耗应用

• 降低CPU频率：通过降低CPU频率可以减少功耗，尤其在不需要高性能时。

  esp_pm_config_esp32_t pm_config = {
      .max_freq_mhz = 80,  // 设置最大频率为80MHz
      .min_freq_mhz = 80   // 设置最小频率为80MHz
  };
  esp_pm_configure(&pm_config);
  
  

• 使用合适的外设电源管理：通过在应用中关闭不需要的外设（如ADC、DAC等）来节省功耗。

  periph_module_disable(PERIPH_ADC_MODULE);  // 禁用ADC模块
  
  

• 合理使用Wi-Fi与蓝牙：定期连接与断开Wi-Fi，或控制蓝牙的广播与扫描周期，来减少无线模块的功耗。

4. 总结

ESP32提供了丰富的低功耗模式，适合不同需求的IoT应用。通过合理的低功耗模式选择和唤醒方式，可以显著降低功耗并延长电池使用时间。在使用低功耗模式时，要根据具体应用需求合理配置唤醒方式，比如定时器、GPIO、RTC等，确保在合适的时机让设备从睡眠中唤醒以处理任务。