Обзор режимов сна ESP32 и энергопотребления в них

Без сомнений, плата ESP32 может составить конкуренцию многим платам WiFi/MCU и SoC, при этом часто превосходя их в производительности и цене. Однако, в зависимости от режима работы, плата ESP32 может потреблять много энергии.

Энергопотребление платы не играет большой роли в IoT-проектах, где плата «зашита» в стену, однако, когда речь идет о питании от батареи – каждый миллиампер-час важно экономить.

Часто это решается снижением потребления платы включением одного из нескольких режимов сна.

Что такое «режим сна»?

Это состояние платы, во время которого она не используется. Состояние ESP32 находится в оперативной памяти. Когда плата входит в режим сна, периферия платы отключается от питания, в то время, как ОЗУ получает достаточно питания только чтобы хранить данные.

Для понимания того, как достигается энергосбережение, нам нужно знать, что находится внутри чипа платы. На следующей картинке вы можете это увидеть:

«Сердцем» чипа является 32-битный двухъядерных микропроцессор, постоянное запоминающее устройство с 448Кб памяти, 520Кб оперативной памяти и 4Мб флеш-памяти.

Кроме того, плата содержит модули WiFi, Bluetooth, криптографический ускоритель (это сопроцессор, разработанный специально для выполнения вычислительно-интенсивных криптографических операций), модуль RTC (real-time clock – часы реального времени) и периферийные устройства.

Благодаря продвинутой системе энергопотребления, плата имеет 5 режимов потребления. Чип может изменять эти режимы для соответствия требованиям устройств в электричестве. Собственно, режимы энергопотребления:

• Активный режим
• Спящий режим модема
• Режим легкого сна
• Режим глубокого сна
• Режим гибернации

У каждого режима свои преимущества и возможности сбережения энергии. Давайте разберем каждый режим.

Активный режим – стандартное состояние платы, в нем активны все функции чипа.

Поскольку активный режим постоянно поддерживает все модули в работоспособном состоянии (особенно модуль WiFi, ядра процессора и модуль Bluetooth), для работы микросхемы требуется ток более 240 мА. Также при одновременном использовании WiFi и Bluetooth иногда достигаются пики мощности до 790 мА.

В Datasheet ESP32 можно найти энергопотребление платы в активном режиме:

Очевидно, это самый неоптимальный режим работы, потребляющий много энергии. Для сбережения электричества требуется отключать модули.

В режиме сна модема все активно, кроме WiFi и Bluetooth. Процессор также работает. В этом режиме чип потребляет около 3 мА на медленной скорости и 20 мА на высокой скорости передачи.

Для поддержания соединения WiFi и Bluetooth процессор и соответствующие модули включаются через определенные интервалы времени. В эти моменты плата переходит в активный режим.

Плата может уходить в режим сна модема только тогда, когда она подключена к роутеру в режиме станции. ESP32 остается подключенной к маршрутизатору через механизм маяка DTIM.

Для энергосбережения плата выключает модуль WiFi между двумя интервалами DTIM и автоматически включает его перед следующим сигналом.

Время ожидания определяется интервалом маяка DTIM роутера, оно обычно составляет от 100 мс до 1000 мс.

Что такое «механизм маяка DTIM»?

DTIM – аббревиатура от Delivery Traffic Indication Message. Это параметр, связанный с передачей мультикаст и бродкаст сообщений в сети и задает интервалы приема сообщений устройствами. Сообщения содержат в себе всю информацию о сети, а используется он для индикации наличия беспроводной сети и синхронизации всех подключенных устройств.

По сути, он аналогичен режиму модемного сна. Разница в том, что в режиме легкого сна цифровые периферийные устройства, большая часть ОЗУ и ЦП работают с меньшим тактом. В данном режиме процессор приостанавливается путем отключения его тактовых импульсов, в то время как RTC и ULP-сопроцессор остаются активными. Это приводит к меньшему энергопотреблению, чем в режиме ожидания модема (около 0,8 мА).

Перед переходом в спящий режим плата сохраняет свое состояние в ОЗУ и, после выхода из сна, возобновляет свою работу. Одним из способом входа в такой режим сна является функция

Однако. требуется настройка источников «пробуждения» платы.

В данном режиме ЦП, большая часть оперативной памяти и все цифровые периферийные устройства отключены. Остаются включенными: контроллер RTC, периферийные устройства RTC (включая сопроцессор ULP) и память RTC (медленная и быстрая). Чип потребляет от 0,15 мА, а если включен ULP-сопроцессор – до 10 мкА.

В режиме глубокого сна основной ЦП выключен, сопроцессор ULP выполняет измерения датчиков и активирует основную систему на основе полученных данных.

Наряду с процессором, основная память чипа также отключена. То есть, все, что хранится в этой памяти, уничтожено и недоступно.

Однако память RTC остается включенной, ее содержимое сохраняется во время глубокого сна и может быть восстановлено после выхода из него. По этой причине плата сохраняет данные о соединениях Wi-Fi и Bluetooth в памяти RTC перед их отключением.

Для использования этих данных, нужно сохранить их в памяти RTC, определив глобальную переменную с атрибутом RTC_DATA_ATTR.

Например,

В режиме глубокого сна питание отключается для всего чипа, кроме модуля RTC. В общем и целом, данные, которых нет в памяти RTC, будут потеряны, и, плата будет перезагружаться при выходе из сна. То есть, скетч, загруженный в плату, будет выполняться еще раз.

ESP32 поддерживает использование кода «deep sleep wake», в котором можно указывать действия при выходе из сна. Этот кода запускается сразу при выходе чипа из режима сна перед любыми другими процедурами.

В отличие от других спящих режимов, система не может автоматически переходить в режим глубокого сна. Функция esp_deep_sleep_start() может быть использована для немедленного входа в режим глубокого сна после настройки источников пробуждения.

По умолчанию ESP32 автоматически отключает периферийные устройства, которые не нужны для выхода из сна. Но есть возможность настроить, какие периферийные устройства отключить/оставить.

В отличие от режима глубокого сна, в данном режме чип отключает внутренний осциллятор 8 МГц и ULP-сопроцессор. Память RTC также отключена, что означает, что невозможно сохранить какие-либо данные в режиме гибернации. Включенным останется только таймер RTC с замедленным тактированием, и будут активны некоторые GPIO RTC. Они и отвечают за выход чипа из режима гибернации.

Это еще больше увеличивает экономию энергии. В этом режиме чип потребляет около 2.5 мкА.