了解ESP32睡眠模式及其功耗

陈拓翻译 2022/05/30-2022/05/30

原文 https://lastminuteengineers.com/esp32-sleep-modes-power-consumption/

毫无疑问，ESP32是许多WiFi/MCU SOC的有力竞争对手，在性能和价格上都经常击败它。但是，根据它所处的状态，ESP32可能是一款相对耗电的设备。

当您的物联网项目由墙上的插头供电时，您往往不会太在意功耗。但如果你打算用电池为你的项目供电，每一毫安都很重要。

这里的解决方案是通过利用ESP32的一种睡眠模式来减少其功耗。对于不需要一直处于活动状态的项目来说，这确实是一个大大延长电池寿命的好策略。

什么是ESP32睡眠模式？

ESP32睡眠模式是一种省电状态，ESP32不使用时可以进入该状态。ESP32的状态保持在RAM中。当ESP32进入睡眠模式时，任何不需要的数字外围设备的电源都会被切断，而RAM接收到的电源刚好足以使其保留数据。

ESP32芯片内部

为了了解ESP32是如何实现节能的，我们需要知道芯片内部是什么。下图显示了ESP32芯片的功能框图。

ESP32芯片的核心是一个双核32位微处理器，带有448 KB的ROM、520 KB的SRAM和4MB的闪存。

它还包含WiFi模块、蓝牙模块、加密加速器（专门用于执行加密操作的协处理器）、RTC模块和许多外围设备。

ESP32电源模式

由于ESP32的高级电源管理，它提供了5种可配置的电源模式。根据电源要求，芯片可以在不同的电源模式之间切换。模式包括：

活动模式
调制解调器睡眠模式
浅睡眠模式
深度睡眠模式
休眠模式

每种模式都有其独特的功能和节能功能。让我们一个接一个地看看。

ESP32激活模式

正常模式也称为激活模式。在此模式下，芯片的所有功能都处于激活状态。

由于主动模式使一切（尤其是WiFi模块、处理核心和蓝牙模块）始终保持开启状态，因此芯片需要240mA以上的电流才能工作。我们还观察到，如果同时使用WiFi和蓝牙功能，有时会出现高功率峰值（最大为790mA）。

如果您查看ESP32数据表，在射频工作的情况下，有功功率模式下的功耗如下：

显然，这是最低效的模式，将消耗最多的电流。因此，如果我们想节省电力，我们必须在不使用时禁用它们（通过利用其他电源模式之一）。

ESP32调制解调器睡眠

在调制解调器睡眠模式下，一切都处于活动状态，而只有WiFi、蓝牙和无线通信被禁用。CPU也可运行，时钟可配置。

在这种模式下，芯片在低速时消耗约3mA，在高速时消耗20mA。

为了保持WiFi/蓝牙连接处于活动状态，CPU、Wi-Fi、蓝牙和无线通信将按预定义的时间间隔唤醒。这就是所谓的关联睡眠模式。

在此睡眠模式期间，电源模式在活动模式和调制解调器睡眠模式之间切换。

ESP32只有在以Station模式连接到路由器时才能进入调制解调器睡眠模式。ESP32通过DTIM信标机制保持与路由器的连接。

为了省电，ESP32在两个DTIM信标间隔之间禁用Wi-Fi模块，并在下一个信标到达之前自动唤醒。

睡眠时间由路由器的DTIM信标间隔时间决定，通常为100ms到1000ms。

什么是DTIM信标机制？

DTIM是英文Delivery Traffic Indication Message缩写。

在DTIM信标(DTIM-Beacon)机制中，接入点（AP）/路由器定期发送信标帧。每个帧包含有关网络的所有信息。它用于宣布无线网络的存在并同步所有连接的成员。

ESP32轻度睡眠

轻度睡眠的工作模式与调制解调器睡眠的工作模式相似。该芯片还遵循关联睡眠模式。

区别在于，在轻睡眠模式下，数字外围设备、大多数RAM和CPU都是时钟选通的。

什么是时钟选通？

时钟选通是一种降低动态功耗的技术。

它通过关闭时钟脉冲来禁用部分电路，这样电路中的触发器就不必切换状态。切换状态是需要消耗功率的，如果不切换，功耗将变为零。

在轻度睡眠模式下，CPU通过关闭其时钟脉冲来暂停，而RTC和ULP协处理器保持活动状态。这导致功耗低于调制解调器睡眠模式（约0.8mA）。

在进入轻度睡眠模式之前，ESP32保持其内部状态，并在退出睡眠后恢复操作。它被称为全RAM保留。

esp_light_sleep_start()函数可用于在配置唤醒源后进入轻度睡眠。

ESP32深度睡眠

在深度睡眠模式下，CPU、大部分RAM和所有数字外围设备都会断电。芯片上唯一保持通电的部分是：RTC控制器、RTC外围设备（包括ULP协处理器）和RTC内存（慢和快）。

芯片功耗约为0.15 mA（如果ULP协处理器已通电）至10µA。

在深度睡眠模式下，主CPU断电，而ULP协处理器根据传感器的测量数据进行传感器测量并唤醒主系统。这种睡眠模式称为ULP传感器监测模式。

除了CPU之外，芯片的主存储器也被禁用。因此，存储在该内存中的所有内容都将被擦除，无法访问。

但是，RTC内存保持通电状态。因此，它的内容在深度睡眠时被保存下来，在我们叫醒芯片后可以取回。这就是原因，该芯片在禁用Wi-Fi和蓝牙连接数据之前，会将其存储在RTC内存中。

因此，如果要在重新启动时使用数据，请通过定义具有RTC_DATA_ATTR属性的全局变量将其存储到RTC内存中。例如，RTC_DATA_ATTR int bootCount = 0;

在深度睡眠模式下，除RTC模块外，整个芯片的电源被切断。因此，任何不在RTC恢复内存中的数据都将丢失，因此芯片将通过重置重新启动。这意味着程序再次从头开始执行。

提示

ESP32支持在深度睡眠结束后运行深度睡眠唤醒存根stub。该函数在芯片唤醒后立即运行–在任何正常初始化之前，引导加载程序代码运行。唤醒存根运行后，芯片可以恢复睡眠或继续正常启动。

stub的官方说明：

https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/latest/esp32/api-guides/deep-sleep-stub.html

与其他睡眠模式不同，系统无法自动进入深度睡眠模式。esp_deep_sleep_start()函数可用于在配置唤醒源后立即进入深度睡眠。

默认情况下，ESP32将自动关闭唤醒源不需要的外围设备的电源。但您可以选择关闭/保持哪些外围设备。有关更多信息，请查看API文档：

https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/latest/esp32/

要了解有关ESP32深度睡眠及其唤醒来源的更多信息，请访问以下教程。

https://lastminuteengineers.com/esp32-deep-sleep-wakeup-sources/

ESP32深度睡眠实验

这里有我的一篇实验文章《ESP32深度睡眠电流怎样低于10uA》

https://zhuanlan.zhihu.com/p/521640890

https://blog.csdn.net/chentuo2000/article/details/125033711?spm=1001.2014.3001.5502

ESP32休眠模式

与深度睡眠模式不同，在休眠模式下，芯片还禁用内部8MHz振荡器和ULP协处理器。RTC恢复内存也已断电，这意味着我们无法在休眠模式下保留任何数据。

除慢时钟上只有一个RTC计时器和一些RTC GPIO处于活动状态外（他们负责将芯片从休眠模式唤醒），其他所有功能均已关闭。

这进一步降低了功耗。该芯片仅在休眠模式下消耗约2.5µA。