ESP32 risparmio energetico pratico: sonno profondo ed ibernazione – 3

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La modalità di risparmio energetico più comune per ESP32 è il sonno profondo, qui vedremo cosa significa sonno profondo e la differenza con la variante di ibernazione.

ESP32 risparmio energetico pratico sonno profondo ed ibernazione
ESP32 risparmio energetico pratico sonno profondo ed ibernazione

L’ibernazione come il modem sleep è una definizione logica che devi gestire, non esiste un comando specifico, viene “attivata” applicando una determinata logica e poiché questa modalità offre grandi vantaggi può spingerti a cambiare la logica del tuo codice.

In modalità deep sleep, le CPU, la maggior parte della RAM e tutte le periferiche digitali con clock Advanced Peripheral Bus (APB_CLK) sono spente. Le uniche parti del chip che possono ancora essere accese sono: controller dell’orologio in tempo reale (RTC), periferiche RTC, il coprocessore Ultra Low Power (ULP) e memorie RTC (lente e veloci).

Function Block diagram Espressif esp32 Wi-Fi Bluetooth Microcontroller
Function Block diagram Espressif esp32 Wi-Fi Bluetooth Microcontroller

In questa tabella dal datasheet dell’esp32 ci sono informazioni su come raggruppare le modalità sleep.

Modalità di alimentazione Descrizione Consumo di energia

Attivo (RF funzionante)
Pacchetto Tx Wi-Fi 78 mA ~ 90 mA senza comunicazione
Per TX RX maggiori informazioni nella tabella successiva
Pacchetto Wi-Fi / BT Tx
Wi-Fi / BT Rx e ascolto

Modem-sleep

La CPU è accesa.
240 MHz * Dual-core chip(s) 30 mA ~ 68 mA
Single-core chip(s) N/A
160 MHz * Dual-core chip(s) 27 mA ~ 44 mA
Single-core chip(s) 27 mA ~ 34 mA
Velocità normale: 80 MHz Dual-core chip(s) 20 mA ~ 31 mA
Single-core chip(s) 20 mA ~ 25 mA
Light-sleep 0.8 mA

Deep-sleep
Il coprocessore ULP è acceso. 150 µA 100 µA @1% duty 10 µA
Pattern monitorato dal sensore ULP
Timer RTC + memoria RTC
Hibernation Solo timer RTC 5 µA
Power off CHIP_PU è impostato su un livello basso, il chip è spento. 1 µA

Sonno profondo (Deep sleep)

Il sonno profondo è il modo più efficiente per mettere il tuo dispositivo in stato di stop, ma c’è una grande differenza dal sonno leggero (light sleep) che lo rende meno utilizzabile, lo stato viene cancellato, quindi se hai impostato una variabile al riavvio del dispositivo, la variabile viene ripristinata, e il programma si riavvia dal setup iniziale.

Function Block diagram Espressif esp32 deep sleep
Function Block diagram Espressif esp32 deep sleep

But you have to pay attention, in my block diagram I do not disable the peripheral group but only the single ones to emphasize that the only real difference from hibernation are the functional units that remain active, this is what Espressif writes:

Il modulo RTC IO contiene la logica di riattivazione quando uno dei GPIO RTC è impostato su un livello logico predefinito. RTC IO fa parte del dominio di alimentazione delle periferiche RTC, quindi le periferiche RTC verranno mantenute accese durante la sospensione profonda se viene richiesta questa sorgente di attivazione.

Dalla documentazione Espressif

Perciò, se usiamo una fonte esterna di risveglio, sarà considerato un sonno profondo, se non usiamo niente o solo RTC avremo un hibernation.

Quindi ecco un semplice schizzo per testare il sonno profondo (deep sleep).

/*
 *  ESP32
 *  DEEP Sleep and wake up
 *  by Mischianti Renzo <https://mischianti.org>
 *
 *  https://mischianti.org/it/esp32-risparmio-energetico-pratico-sonno-profondo-ed-ibernazione-3/
 *
 */

#include <WiFi.h>
#include <BluetoothSerial.h>
#include "driver/adc.h"
#include <esp_bt.h>
#include <esp_wifi.h>
#include <esp_sleep.h>

#define STA_SSID "<YOUR-SSID>"
#define STA_PASS "<YOUR-PASSWD>"

BluetoothSerial SerialBT;

int variable = 0;

void setup() {
	Serial2.begin(115200);

	while(!Serial2){delay(500);}

  	SerialBT.begin("ESP32test"); //Bluetooth device name
	SerialBT.println("START BT");

	Serial2.println("START WIFI");
	WiFi.begin(STA_SSID, STA_PASS);

    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        delay(500);
        Serial2.print(".");
    }

    Serial2.println("");
    Serial2.println("WiFi connected");
    Serial2.println("IP address: ");
    Serial2.println(WiFi.localIP());

    delay(1000);

    Serial2.print("Initial Variable value = ");
    Serial2.println(variable);

    variable += 10;

    Serial2.print("Variable updated = ");
    Serial2.println(variable);

    Serial2.println();
    Serial2.println("DEEP SLEEP ENABLED FOR 5secs");
    delay(100);

    esp_sleep_enable_timer_wakeup(5 * 1000 * 1000);
    // Pay attention to this command, with this wake up source
    // your device can't go to hibernate mode
    // but only deep sleep
    esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_33,1);

    esp_deep_sleep_start();

    Serial2.println();
    Serial2.println("DEEP SLEEP WAKE UP");

    Serial2.print("Variable = ");
    Serial2.println(variable);
}

void loop() {

}

void disableWiFi(){
    adc_power_off();
	WiFi.disconnect(true);  // Disconnect from the network
	WiFi.mode(WIFI_OFF);    // Switch WiFi off

	Serial2.println("");
	Serial2.println("WiFi disconnected!");
}
void enableWiFi(){
	adc_power_on();
	WiFi.disconnect(false);  // Reconnect the network
	WiFi.mode(WIFI_STA);    // Switch WiFi off

	Serial2.println("START WIFI");
	WiFi.begin(STA_SSID, STA_PASS);

    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        delay(500);
        Serial2.print(".");
    }

    Serial2.println("");
    Serial2.println("WiFi connected");
    Serial2.println("IP address: ");
    Serial2.println(WiFi.localIP());
}
void disableBluetooth(){
	btStop();
	esp_bt_controller_disable();
	delay(1000);
	Serial2.println("BT STOP");
}

Quando si avvia lo sketch, denotiamo la prima differenza dal sonno leggero, lo stato della variabile non viene conservato in modalità di sospensione profonda e il flusso del programma viene riavviato dal setup().

Come puoi vedere il valore della variabile è 0, viene ripristinato ogni volta. E ogni volta che l’esp32 esce dalla sospensione profonda riparte dal setup() iniziale.

Ora testeremo questo sketch con i nostri 3 dispositivi.

DOIT DEV KIT v1

esp32 dev kit pinout v1
esp32 dev kit pinout v1

Per maggiori informazioni sul dispositivo fare riferimento a “DOIT ESP32 DEV KIT v1 immagine di piedinatura ad alta risoluzione e specifiche“.

Qui lo schema di connessione che abbiamo usato.

This image has an empty alt attribute; its file name is esp32-DOIT-DEV-KIT-v1-power-saving-ampere-breadboard-schema.jpg

Usando l’alimentatore esterno, alimentare l’esp32 con il pin 5v e il pin GND e scollegare l’USB. Per accedere usiamo la porta Serial2, ma se vuoi usare la porta Serial devi solo spostare il convertitore FTDI sul pin TX invece che sul pin TX2, non puoi usare l’USB perché alimenta il dispositivo e il multimetro ottiene un amperaggio errato.

Anche in questo caso il risultato non è buono, questo dispositivo in ibernazione consuma 12.19mA, molto molto molto lontano dai 150µA dichiarati da Espressif.

Come accaduto per il light sleep all’inizio ero depresso, ma proprio dall’esperienza del light sleep capisco che il dispositivo che utilizzo non è progettato per la produzione, in una scheda di sviluppo ci sono molti altri componenti che possono cambiare il risultato, come i LED , regolatori di tensione, ecc.

Provo a fare lo stesso test con due famosi produttori di schede, che hanno dispositivi con gestione della batteria e altre funzionalità, non solo per sviluppo.

TTGO T8

Per prima cosa voglio provare un TTGO, che è uno dei più famosi produttori di questo genere di dispositivi, con molte varianti, utilizzo uno dei suoi migliori prodotti il ​​TTGO T8.

Il risultato con alimentazione a 5V dal pin specifico dà un cattivo risultato 9.63mA, ma la scheda quando alimentata solo con batteria esclude alcune unità funzionali come led, regolatore di tensione ecc., Quindi lo stesso test con alimentazione a batteria raggiunge 4.56mA risultato più ragionevole .

WeMos LOLIN32

ESP32 WeMos LOLIN32 pinout
ESP32 WeMos LOLIN32 pinout

Per maggiori informazioni sul dispositivo fare riferimento aESP32 WeMos LOLIN32 immagine di piedinatura ad alta risoluzione e specifiche

Ecco lo schema di connessione.

ESP32 WeMos LOLIN32 powered to 5V and Serial2 to debug amperage multimerter check
ESP32 WeMos LOLIN32 powered to 5V and Serial2 to debug amperage multimerter check

Ed ecco lo schema di connessione con alimentazione a batteria.

ESP32 WeMos LOLIN32 powered with battery and Serial2 to debug amperage multimerter check

Poi il WeMos LOLIN32, amo WeMos come produttore, credo di avere un buon set di dispositivi e questi sono molto versatili con dimensioni varie.

Il risultato con alimentazione a 5V dal pin specifico dà un risultato decisamente migliore di 2.92mA, e la scheda quando alimentata solo con la batteria raggiunge 1.81mA.

DeviceModePower
DOIT DEV KIT v1Power to VIN pin12.19mA
TTGO T8Power to 5V pin9.63mA
Power via Battery4.56mA
WeMos LOLIN32Power via 5V pin2.92mA
Power via Battery1.81mA

Ibernazione

L’ibernazione è simile al deep sleep, ma devi rinunciare ad alcune possibilità di risveglio come la fonte esterna.

Function Block diagram Espressif esp32 hibernation
Function Block diagram Espressif esp32 hibernation

Creo un semplice sketch per testare le prestazioni di ibernazione

/*
 *  ESP32
 *  DEEP Sleep and wake up
 *  by Mischianti Renzo <https://mischianti.org>
 *
 *  https://mischianti.org/it/esp32-risparmio-energetico-pratico-sonno-profondo-ed-ibernazione-3/
 *
 */

#include <WiFi.h>
#include <BluetoothSerial.h>
#include "driver/adc.h"
#include <esp_bt.h>
#include <esp_wifi.h>
#include <esp_sleep.h>

#define STA_SSID "<YOUR-SSID>"
#define STA_PASS "<YOUR-PASSWD>"

BluetoothSerial SerialBT;

int variable = 0;

void setup() {
	Serial2.begin(115200);

	while(!Serial2){delay(500);}

  	SerialBT.begin("ESP32test"); //Bluetooth device name
	SerialBT.println("START BT");

	Serial2.println("START WIFI");
	WiFi.begin(STA_SSID, STA_PASS);

    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        delay(500);
        Serial2.print(".");
    }

    Serial2.println("");
    Serial2.println("WiFi connected");
    Serial2.println("IP address: ");
    Serial2.println(WiFi.localIP());

    delay(1000);

    Serial2.print("Initial Variable value = ");
    Serial2.println(variable);

    variable += 10;

    Serial2.print("Variable updated = ");
    Serial2.println(variable);

    Serial2.println();
    Serial2.println("DEEP SLEEP ENABLED FOR 5secs");
    delay(100);

    esp_sleep_enable_timer_wakeup(5 * 1000 * 1000);
    esp_deep_sleep_start();

    Serial2.println();
    Serial2.println("DEEP SLEEP WAKE UP");

    Serial2.print("Variable = ");
    Serial2.println(variable);
}

void loop() {

}

void disableWiFi(){
    adc_power_off();
	WiFi.disconnect(true);  // Disconnect from the network
	WiFi.mode(WIFI_OFF);    // Switch WiFi off

	Serial2.println("");
	Serial2.println("WiFi disconnected!");
}
void enableWiFi(){
	adc_power_on();
	WiFi.disconnect(false);  // Reconnect the network
	WiFi.mode(WIFI_STA);    // Switch WiFi off

	Serial2.println("START WIFI");
	WiFi.begin(STA_SSID, STA_PASS);

    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        delay(500);
        Serial2.print(".");
    }

    Serial2.println("");
    Serial2.println("WiFi connected");
    Serial2.println("IP address: ");
    Serial2.println(WiFi.localIP());
}
void disableBluetooth(){
	btStop();
	esp_bt_controller_disable();
	delay(1000);
	Serial2.println("BT STOP");
}

Per mettere i dispositivi in ibernazione invece che in modalità deep sleep rimuovo semplicemente la fonte di risveglio esterna. Ricorda ext0 mettere in sonno profondo, ma ext1 previene l’uso del sonno profondo.

DOIT DEV KIT v1

L’ibernazione ha un risultato migliore rispetto al sonno profondo e DEV KIT v1 consuma 3.46mA, ma è molto molto molto lontano dai 5µA dichiarati da Espressif.

Provo a fare lo stesso test con due famosi produttori di schede, che hanno dispositivi con gestione della batteria e altre funzionalità, non solo per sviluppo.

TTGO T8

Il risultato con alimentazione a 5V dal pin specifico dà un cattivo risultato di 7,95mA, ma lo stesso test con alimentazione a batteria arriva è 3,33mA, decisamente migliore del primo risultato e del DOIT DEV KIT v1.

WeMos LOLIN32

Il risultato con alimentazione a 5V dal pin specifico dà un risultato decisamente migliore 1.26mA, ma la scheda quando alimentata solo con batteria raggiunge i 160µA, e questo è un risultato veramente buono.

Risultati

I dati sono molto chiari, il DOIT DEV KIT v1 è il perdente e il LOLIN32 è il vincitore, TTGO ha il prezzo più alto non può essere considerato all’altezza.

DeviceModePower
DOIT DEV KIT v1Power to VIN pin3.46mA
TTGO T8Power to 5V pin7.95mA
Power via Battery3.33mA
WeMos LOLIN32Power via 5V pin1.26mA
Power via Battery160µA

Grazie

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  2. ESP32: fileSystem integrato SPIFFS
  3. ESP32: gestire più seriali e logging per il debug
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    1. ESP32 risparmio energetico pratico: gestire WiFi e CPU
    2. ESP32 risparmio energetico pratico: modem e light sleep
    3. ESP32 risparmio energetico pratico: deep sleep e ibernazione
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      1. Aggiornamenti OTA su ESP32 con Arduino IDE: filesystem, firmware e password
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      1. Aggiornamenti OTA su ESP32 tramite browser web: firmware, filesystem e autenticazione
      2. Aggiornamenti OTA su ESP32 tramite browser web: caricamento in HTTPS (SSL/TLS) con certificato autofirmato
      3. Aggiornamenti OTA su ESP32 tramite browser web: interfaccia web personalizzata
    4. Aggiornamenti automatici OTA da un server HTTP
      1. Aggiornamento automatico Firmware OTA dell’ESP32 dal server
      2. Aggiornamento automatico Firmware OTA dell’ESP32 dal server con controllo della versione
      3. Aggiornamento automatico Firmware OTA dell’ESP32 in HTTPS (SSL/TLS) con certificato autofirmato affidabile
    5. Aggiornamento del firmware non standard
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6 Risposte

  1. cosimo ha detto:

    Ciao.
    Volevo il tuo parere su questo progetto.
    Ho realizzato una connessione BLE client server tra due ESP32.
    Il client è sotto Home Assistant e attraverso uno switch accende un LED sul server BLE (l’altra ESP32).
    Volendo alimentare a batteria il server BLE, ovviamente, c’è un problema di consumi (che hai meticolosamente dettagliato nei tuoi articoli).
    Ponendo in deep sleep il server (che verrà alimentato a batteria) credo che si perderà la connessione BLE con il client.
    L’unico modo per avere la connessione quando serve è , a quanto ho capito, risvegliare a intervalli regolari il server e avere il client che contemporaneamente chiede la connessione .
    E’ questo l’unico modo, per il quale a conti fatti comunque non avrei durata della batteria misurata in mesi/anni ma piuttosto in qualche settimana o esiste un metodo più efficiente.
    Grazie anticipate per il tuo tempo.

  2. cosimo ha detto:

    Cia Renzo.
    Grazie per la risposta.
    Hai fatto anche un calcolo del consumo del modulo LoRa ?

    • Renzo Mischianti ha detto:

      In modalità sleep il modulo LoRa E32 mi pare che si parli di pochi µA, praticamente minimo.
      E consente, a differenza di altri dispositivi WiFi di mettere il dispositivo in deep sleep se non interessa il messaggio di wake.
      Ciao Renzo

  3. Nino ha detto:

    Ciao Renzo,
    ho provato lo sketch riportato sotto la dicitura “Creo un semplice sketch per testare le prestazioni di ibernazione” di questa pagina con la mia scheda ESP32-D2WD ma ottengo come Amperaggio 11,6mA e non un 3,4 mA .
    Cosa devo modificare nello sketch per ottenere i valori attesi dall’ibernazione?
    Grazie

    • Renzo Mischianti ha detto:

      Ciao Nino,
      probabilmente non puoi ottenere gli stessi valori, come scrivo nell’articolo ogni produttore usa schemi e resistenze diverse sulle schede, ed ognuna ha degli assorbimenti diversi.
      Ciao Renzo

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