低功耗与电池优化

ESP32 五种电源模式

IoT 设备往往依赖电池供电，低功耗设计直接决定设备寿命。ESP32 提供五种由高功耗到超低功耗的工作模式，理解每种模式的特性是优化电池寿命的基础。

深度睡眠（Deep Sleep）详解

深度睡眠是 IoT 设备最重要的省电手段。进入深度睡眠后，主 CPU、大部分 RAM 和外设全部断电，只有 RTC 时钟域（RTC 定时器、RTC 内存、RTC GPIO）保持供电。

唤醒源类型

深度睡眠完整示例

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

static const char *TAG = "SLEEP";

/* RTC_DATA_ATTR：变量存储在 RTC SRAM，深度睡眠后保留 */
static RTC_DATA_ATTR int boot_count = 0;
static RTC_DATA_ATTR float last_temperature = 0.0f;

#define SLEEP_DURATION_S  600    // 10 分钟
#define WAKEUP_PIN        GPIO_NUM_33

void app_main(void)
{
    boot_count++;
    ESP_LOGI(TAG, "第 %d 次启动", boot_count);

    /* 判断唤醒原因 */
    esp_sleep_wakeup_cause_t cause = esp_sleep_get_wakeup_cause();
    switch (cause) {
        case ESP_SLEEP_WAKEUP_TIMER:
            ESP_LOGI(TAG, "定时器唤醒，上次温度: %.1f°C", last_temperature);
            break;
        case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT0:
            ESP_LOGI(TAG, "GPIO 唤醒（按键）");
            break;
        default:
            ESP_LOGI(TAG, "上电启动");
            break;
    }

    /* ── 执行业务逻辑（读传感器、上报数据）── */
    last_temperature = 25.6f;  // 模拟读取传感器
    ESP_LOGI(TAG, "数据已处理，准备进入深度睡眠");

    /* ── 配置唤醒源 ── */

    /* 1. 定时器唤醒 */
    esp_sleep_enable_timer_wakeup((uint64_t)SLEEP_DURATION_S * 1000000ULL);

    /* 2. GPIO 唤醒（GPIO33 低电平触发，需使用 RTC GPIO）*/
    rtc_gpio_pullup_en(WAKEUP_PIN);    // 上拉，按键接地
    esp_sleep_enable_ext0_wakeup(WAKEUP_PIN, 0);  // 0 = 低电平唤醒

    /* 进入深度睡眠 */
    ESP_LOGI(TAG, "进入深度睡眠 %d 秒...", SLEEP_DURATION_S);
    esp_deep_sleep_start();    // 不返回！
}

Light Sleep（浅睡眠）

Light Sleep 比 Deep Sleep 功耗稍高（约 0.8mA），但唤醒后无需完整启动流程（仅约 3ms），程序从调用 esp_light_sleep_start() 的下一行继续执行，RAM 和状态完全保留。适合需要频繁唤醒的场景（如每秒唤醒一次）。

void light_sleep_demo(void)
{
    while (1) {
        ESP_LOGI(TAG, "开始 5 秒浅睡眠");
        esp_sleep_enable_timer_wakeup(5000000);  // 5秒
        esp_light_sleep_start();    // ← 此处暂停 5 秒

        /* 唤醒后从这里继续，变量状态保留 */
        ESP_LOGI(TAG, "唤醒！继续执行...");
        /* 处理数据... */
    }
}

ULP（超低功耗）协处理器

ULP（Ultra Low Power Coprocessor）是 ESP32 内置的独立处理器，在深度睡眠中以极低功耗（100μA 以下）独立运行，可以读取 ADC、I2C 传感器，在满足条件时唤醒主 CPU。

#include "esp32/ulp.h"
#include "driver/rtc_io.h"
#include "ulp_main.h"    // 由 ULP 汇编程序生成

/* ULP 读取 ADC 并在超阈值时唤醒主 CPU */
/* ULP 程序用汇编或 C（ESP32-S2/S3 支持 C）编写 */
extern const uint8_t ulp_main_bin_start[] asm("_binary_ulp_main_bin_start");
extern const uint8_t ulp_main_bin_end[]   asm("_binary_ulp_main_bin_end");

void start_ulp_program(void)
{
    /* 加载 ULP 程序到 RTC 内存 */
    ulp_load_binary(0, ulp_main_bin_start,
        (ulp_main_bin_end - ulp_main_bin_start) / sizeof(uint32_t));

    /* 设置 ULP 唤醒间隔（每 100ms 运行一次） */
    ulp_set_wakeup_period(0, 100000);   // 100000 μs = 100ms

    /* 启动 ULP */
    ulp_run(&ulp_main - RTC_SLOW_MEM);

    /* 允许 ULP 唤醒主 CPU */
    esp_sleep_enable_ulp_wakeup();
    esp_deep_sleep_start();
}

电流实测与分析

GPIO Hold 与外设断电

深度睡眠期间，普通 GPIO 状态不确定，需要在睡眠前"锁定"（Hold）引脚状态：

#include "driver/gpio.h"
#include "driver/rtc_io.h"
#include "esp_sleep.h"

#define SENSOR_PWR_PIN   GPIO_NUM_26    /* 传感器供电 MOSFET 控制引脚 */
#define I2C_SDA_PIN      GPIO_NUM_21
#define I2C_SCL_PIN      GPIO_NUM_22

void prepare_for_deep_sleep(void)
{
    /* 1. 关闭外设供电（MOSFET 控制：低电平关断） */
    gpio_set_level(SENSOR_PWR_PIN, 0);

    /* 2. 释放 I2C 总线（先设为输入，避免驱动总线产生漏电） */
    gpio_set_direction(I2C_SDA_PIN, GPIO_MODE_INPUT);
    gpio_set_direction(I2C_SCL_PIN, GPIO_MODE_INPUT);
    gpio_set_pull_mode(I2C_SDA_PIN, GPIO_FLOATING);  /* 关闭内部上拉 */
    gpio_set_pull_mode(I2C_SCL_PIN, GPIO_FLOATING);

    /* 3. 对 RTC GPIO 设置 Hold：睡眠期间保持当前电平 */
    /* 注意：只有 RTC GPIO（GPIO0,2,4,12-15,25-27,32-39）支持 hold */
    rtc_gpio_hold_en(SENSOR_PWR_PIN);   /* 锁定低电平，传感器持续断电 */

    /* 4. 整个芯片级别的 Hold（所有 RTC GPIO 都保持）*/
    /* esp_sleep_pd_config(ESP_PD_DOMAIN_RTC_PERIPH, ESP_PD_OPTION_ON); */

    esp_deep_sleep_start();
}

void release_hold_after_wakeup(void)
{
    /* 唤醒后必须释放 hold，否则引脚无法再驱动 */
    rtc_gpio_hold_dis(SENSOR_PWR_PIN);
    gpio_set_level(SENSOR_PWR_PIN, 1);   /* 重新开启传感器电源 */
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(50));       /* 等待传感器上电稳定 */
}

Modem Sleep 与 Light Sleep 的应用场景

不是所有场景都适合深度睡眠。当设备需要保持 Wi-Fi 连接（如做 WebSocket 服务器、接收实时推送），可以使用功耗更低的 Modem Sleep：

#include "esp_wifi.h"
#include "esp_pm.h"

void enable_modem_sleep(void)
{
    /* Modem Sleep：Wi-Fi 在 DTIM beacon 间隔内休眠，其余时间活跃
     * 路由器通常 DTIM = 1（100ms），设为 3 则每 300ms 唤醒一次
     * 电流从 80mA 降至 15-20mA，响应延迟增加约 DTIM × 100ms */
    esp_wifi_set_ps(WIFI_PS_MIN_MODEM);   /* 最小省电 */
    /* WIFI_PS_MAX_MODEM：最大省电，延迟更高但更省电 */
}

/* 自动 Light Sleep（ESP-IDF v5.0+）：CPU 空闲时自动进入浅睡眠 */
void enable_auto_light_sleep(void)
{
    /* 配置动态频率调节（DFS）：CPU 空闲时降频 */
    esp_pm_config_t pm_config = {
        .max_freq_mhz = 240,    /* 活跃时最高 240MHz */
        .min_freq_mhz = 40,     /* 空闲时降至 40MHz */
        .light_sleep_enable = true,  /* CPU 真正空闲时进入 Light Sleep */
    };
    esp_pm_configure(&pm_config);

    /* 同时配置 Wi-Fi Modem Sleep，使 RF 也可以休眠 */
    esp_wifi_set_ps(WIFI_PS_MIN_MODEM);
    ESP_LOGI("PM", "自动 Light Sleep 已启用");
}
/* 效果：Wi-Fi 保持连接，整机平均电流约 1~5mA（取决于流量） */

太阳能与超级电容供电设计

在户外 IoT 场景（农业传感器、气象站），太阳能 + 超级电容是无线供电的理想方案：