ESP32 Hibernate Mode and 5 µA

1. Введение

Hibernate режим ESP32 — это самый энергоэффективный режим работы микроконтроллера, позволяющий создавать устройства с автономным питанием, работающие месяцами и годами от одного источника питания. Этот режим критически важен для IoT-устройств, беспроводных датчиков и других применений, где замена батарей затруднена или нежелательна.

💡 Полезно знать

В Hibernate режиме ESP32 потребляет всего 5-25 микроампер, что в тысячи раз меньше обычного режима работы.

В этом руководстве мы подробно разберем принципы работы Hibernate режима, способы его реализации и практические рекомендации по использованию.

2. ESP32 - кратко о контроллере

ESP32-WROOM-32 — это высокопроизводительный микроконтроллер от компании Espressif Systems, который завоевал популярность благодаря встроенным модулям Wi-Fi и Bluetooth, а также богатому набору периферийных устройств.

Основные характеристики:

Двухъядерный процессор Xtensa LX6 с тактовой частотой до 240 МГц
520 КБ встроенной SRAM
Встроенные модули Wi-Fi 802.11 b/g/n и Bluetooth 4.2
Развитая система управления питанием
Поддержка различных режимов энергосбережения

Одной из ключевых особенностей ESP32является развитая система управления питанием, позволяющая создавать устройства с автономным питанием, работающие месяцами и годами от одного источника питания.

3. Режимы глубокого сна в ESP32

ESP32 поддерживает несколько режимов пониженного энергопотребления, каждый из которых оптимизирован для различных сценариев использования:

Active режим

Нормальный режим работы, когда все компоненты активны. Потребление составляет 160-260 мА в зависимости от нагрузки.

Modem Sleep

Отключаются Wi-Fi и Bluetooth модули, но CPU и остальная периферия продолжают работать. Потребление снижается до 3-20 мА.

Light Sleep

Приостанавливается работа CPU, но сохраняется содержимое RAM и состояние периферии. Время пробуждения минимально (несколько микросекунд). Потребление: 0.8-1.1 мА.

Deep Sleep

Отключается большая часть системы, сохраняется только содержимое RTC памяти и работают RTC таймер и некоторые периферийные устройства. Потребление: 150-300 мкА.

Hibernate Sleep

Самый экономичный режим, в котором отключаются практически все компоненты, включая RTC таймер. Пробуждение возможно только по внешним сигналам. Потребление: 5-25 мкА.

💡 Совет

Выбор режима сна зависит от требований к времени пробуждения и необходимости сохранения данных между циклами сна.

4. Подробно о режиме Hibernate

Энергопотребление

Hibernate режим обеспечивает минимальное энергопотребление среди всех доступных режимов ESP32. В этом состоянии контроллер потребляет всего 5-25 микроампер, что в тысячи раз меньше, чем в активном режиме.

Такое низкое потребление достигается за счет отключения:

Основных CPU ядер
Wi-Fi и Bluetooth модулей
Большинства периферийных устройств
RTC таймера
Основной RAM памяти
Тактовых генераторов

⚠️ Важно

В активном состоянии остаются только схемы пробуждения по внешним сигналам и минимальная логика управления питанием.

Пример скетча для перехода в Hibernate режим

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

                    #define WAKEUP_PIN GPIO_NUM_2  // Пин для пробуждения
                    #define LED_PIN GPIO_NUM_5     // Встроенный светодиод

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

                    // Настройка пина светодиода
                    pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

                    // Мигаем светодиодом для индикации работы
                    for(int i = 0; i < 3; i++) {
                    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
                    delay(200);
                    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
                    delay(200);
                    }

                    Serial.println("Подготовка к переходу в Hibernate режим...");

                    // Настройка пина для пробуждения
                    // Пробуждение по низкому уровню (при нажатии кнопки на землю)
                    esp_sleep_enable_ext0_wakeup(WAKEUP_PIN, 0);

                    // Настройка RTC GPIO для работы во время сна
                    rtc_gpio_init(WAKEUP_PIN);
                    rtc_gpio_set_direction(WAKEUP_PIN, RTC_GPIO_MODE_INPUT_ONLY);
                    rtc_gpio_pullup_en(WAKEUP_PIN);

                    Serial.println("Переход в Hibernate режим...");
                    Serial.flush(); // Ждем завершения передачи данных

                    // Переход в hibernate режим
                    esp_deep_sleep_start();
                    }

                    void loop() {
                    // Этот код выполняется после пробуждения
                    Serial.println("Пробуждение из Hibernate режима!");

                    // Определяем причину пробуждения
                    esp_sleep_wakeup_cause_t wakeup_reason = esp_sleep_get_wakeup_cause();

                    switch(wakeup_reason) {
                    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT0:
                    Serial.println("Пробуждение по сигналу EXT0");
                    break;
                    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT1:
                    Serial.println("Пробуждение по сигналу EXT1");
                    break;
                    default:
                    Serial.println("Первый запуск после сброса");
                    break;
                    }

                    // Повторный переход в hibernate через 5 секунд
                    delay(5000);
                    esp_deep_sleep_start();
                    }
                

5. Варианты пробуждения из Hibernate режима

В Hibernate режиме доступны ограниченные способы пробуждения, поскольку RTC таймер отключен для максимальной экономии энергии:

Пробуждение по внешнему сигналу EXT0

Самый распространенный способ пробуждения. Использует один из RTC GPIO пинов:

                    // Пробуждение по высокому уровню на GPIO_NUM_2
                    esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_2, 1);

                    // Пробуждение по низкому уровню (для кнопки с подтяжкой к питанию)
                    esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_2, 0);
                

Доступные пины для EXT0: GPIO0, GPIO2, GPIO4, GPIO12-GPIO15, GPIO25-GPIO27, GPIO32-GPIO39.

Пробуждение по внешнему сигналу EXT1

Позволяет использовать несколько пинов одновременно с логическими операциями:

                    // Битовая маска пинов
                    uint64_t ext1_mask = (1ULL << GPIO_NUM_2) | (1ULL << GPIO_NUM_4);

                    // Пробуждение при высоком уровне на любом из указанных пинов
                    esp_sleep_enable_ext1_wakeup(ext1_mask, ESP_EXT1_WAKEUP_ANY_HIGH);

                    // Пробуждение при низком уровне на всех указанных пинах
                    esp_sleep_enable_ext1_wakeup(ext1_mask, ESP_EXT1_WAKEUP_ALL_LOW);
                

Пробуждение по сенсорным пинам (Touch)

ESP32 поддерживает пробуждение по касанию сенсорных площадок:

                    // Настройка чувствительности и включение пробуждения по касанию
                    touchAttachInterrupt(T0, callback, threshold);
                    esp_sleep_enable_touchpad_wakeup();
                

Пробуждение через ULP сопроцессор

Ультранизкопотребляющий сопроцессор может выполнять простые операции и будить основную систему:

esp_sleep_enable_ulp_wakeup();

💡 Особенность

В отличие от Deep Sleep режима, Hibernate не поддерживает пробуждение по таймеру, поскольку RTC таймер отключается для экономии энергии.

6. Передача информации о пробуждении

Поскольку в Hibernate режиме основная RAM очищается, для сохранения данных между циклами сна используется RTC память:

Использование RTC памяти

                    #include "esp_sleep.h"

                    // Переменные в RTC памяти сохраняются между пробуждениями
                    RTC_DATA_ATTR int bootCount = 0;
                    RTC_DATA_ATTR float sensorValue = 0.0;
                    RTC_DATA_ATTR char deviceStatus[32] = "OK";

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

                    // Увеличиваем счетчик пробуждений
                    bootCount++;
                    Serial.printf("Количество пробуждений: %d\n", bootCount);

                    // Определяем причину пробуждения
                    esp_sleep_wakeup_cause_t wakeup_reason = esp_sleep_get_wakeup_cause();

                    // Сохраняем информацию о последнем пробуждении
                    switch(wakeup_reason) {
                    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT0:
                    strcpy(deviceStatus, "Wakeup by EXT0");
                    break;
                    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT1:
                    strcpy(deviceStatus, "Wakeup by EXT1");
                    break;
                    default:
                    strcpy(deviceStatus, "First boot");
                    break;
                    }

                    Serial.printf("Статус: %s\n", deviceStatus);
                    }
                

Структуры данных в RTC памяти

                    // Структура для хранения состояния устройства
                    typedef struct {
                    uint32_t magic;           // Магическое число для проверки валидности
                    uint16_t wakeup_count;    // Счетчик пробуждений
                    uint8_t last_wakeup_cause; // Причина последнего пробуждения
                    float battery_voltage;    // Напряжение батареи
                    uint32_t total_sleep_time; // Общее время в режиме сна
                    uint8_t checksum;         // Контрольная сумма
                    } rtc_data_t;

                    RTC_DATA_ATTR rtc_data_t rtc_data;

                    const uint32_t RTC_DATA_MAGIC = 0xDEADBEEF;
                

🔒 Надежность

Используйте магические числа и контрольные суммы для проверки целостности данных в RTC памяти.

7. Специфика работы режима

Особенности и ограничения

Отсутствие таймера пробуждения: В отличие от Deep Sleep режима, Hibernate не поддерживает пробуждение по таймеру, поскольку RTC таймер отключается для экономии энергии.

Сброс большинства настроек: При пробуждении ESP32 фактически выполняет полную перезагрузку, поэтому все настройки периферии нужно инициализировать заново.

Ограниченные пины пробуждения: Не все GPIO пины могут использоваться для пробуждения. Работают только RTC GPIO пины.

Время пробуждения: Полное пробуждение из Hibernate режима занимает несколько миллисекунд, что значительно больше, чем из Light Sleep.

8. Заключение

Hibernate режим ESP32 представляет собой мощный инструмент для создания энергоэффективных устройств с автономным питанием. При правильной реализации он позволяет достичь времени работы от батареи в месяцы и годы, что критически важно для многих IoT применений.

Ключевые преимущества:

Сверхнизкое энергопотребление (5-25 мкА)
Гибкие способы пробуждения по внешним сигналам
Сохранение критических данных в RTC памяти
Подходит для длительно работающих автономных устройств

Применение в реальных проектах:

Беспроводные датчики окружающей среды
Системы мониторинга и сигнализации
IoT устройства с редкими обновлениями данных
Портативные измерительные приборы
Системы умного дома с батарейным питанием

📚 Дополнительные ресурсы

Для углубленного изучения управления питанием ESP32 рекомендуем официальную документацию Espressif и техническое руководство по режимам энергосбережения.

← Предыдущий урок Следующий урок →