深度睡眠模式配置

概述

本节介绍电池供电的电子纸显示应用中 ESP32 深度睡眠模式的配置。深度睡眠通过关闭主 CPU 和大多数外设，仅保持 RTC（实时时钟）用于定时唤醒，从而大幅降低功耗。完成本节后，你将能够：

配置带定时器唤醒的 ESP32 深度睡眠
计算活动模式和睡眠模式之间的功耗节省
为电子纸显示屏实现定期唤醒-刷新-睡眠循环
处理深度睡眠后的 WiFi 重连

前置条件

开始本节前，请确保：

基本的 ESP32 编程知识
显示屏已接线并与 GxEPD2 配合工作（参见 02-03）
功耗测量工具（万用表或功耗监测仪）

关键概念

ESP32 电源模式

ESP32 有几种电源模式：

模式	CPU	WiFi/BT	RTC	RAM	典型电流
活动	运行中	开	开	全部	80-260 mA
调制解调器睡眠	运行中	关	开	全部	30-50 mA
轻度睡眠	暂停	关	开	全部	5-10 mA
深度睡眠	关闭	关	开	仅 RTC	5-150 µA
休眠	关闭	关	关	关闭	0.5-5 µA

深度睡眠是电池供电运行的关键：功耗从约 100 mA（活动）降至约 10 µA（深度睡眠）——减少了 10000 倍。

唤醒源

ESP32 支持从深度睡眠使用以下唤醒源：

源	描述	典型用途
定时器	RTC 定时器在指定时间后唤醒	定期数据刷新
外部（EXT0）	GPIO 电平变化	按钮按下
外部（EXT1）	多个 GPIO 或逻辑	运动传感器
触摸	触摸传感器	用户交互
ULP 协处理器	超低功耗传感器读取	持续监控

对于电子纸显示项目，定时器唤醒是主要机制。

电子纸的深度睡眠循环

                    活动周期（约 10 秒）
┌──────────────────────────────────────────────────────┐
│ 1. 从深度睡眠唤醒                                     │
│ 2. 重新连接 WiFi（2-5 秒）                             │
│ 3. 通过 MQTT 获取数据（0.5 秒）                        │
│ 4. 更新显示屏（3-5 秒）                                │
│ 5. 进入深度睡眠                                       │
└──────────────────────────────────────────────────────┘
                        │
                        │ 定时器唤醒（1 小时）
                        ▼
                    深度睡眠（约 10 µA）

实现步骤

步骤 1：基础深度睡眠草图

#include <WiFi.h>

// 配置
const char* ssid = "YOUR_SSID";
const char* password = "YOUR_PASSWORD";
const int SLEEP_HOURS = 1;  // 每小时唤醒一次

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    Serial.println("设备正在唤醒...");

    // 连接 WiFi
    WiFi.begin(ssid, password);
    int attempts = 0;
    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && attempts < 20) {
        delay(500);
        Serial.print(".");
        attempts++;
    }

    if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
        Serial.println("\nWiFi 已连接");
        Serial.print("IP：");
        Serial.println(WiFi.localIP());

        // TODO：在此处获取数据并更新显示屏
        delay(1000);
    }

    Serial.println("进入深度睡眠...");

    // 配置深度睡眠 1 小时
    esp_sleep_enable_timer_wakeup(SLEEP_HOURS * 3600 * 1000000ULL);

    // 进入深度睡眠
    esp_deep_sleep_start();
}

void loop() {
    // 永远不会到达这里——设备在 setup() 中进入睡眠
}

重要提示：在深度睡眠模式下，loop() 永远不会运行。所有逻辑必须在 setup() 中。

步骤 2：带深度睡眠的完整显示实现

结合显示屏更新和深度睡眠的完整实现：

#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <ArduinoJson.h>
#include <GxEPD2_BW.h>

// 配置
const char* ssid = "YOUR_SSID";
const char* password = "YOUR_PASSWORD";
const char* mqtt_server = "192.168.1.100";
const char* mqtt_topic = "factory/weather/data";

// 深度睡眠设置
const unsigned long SLEEP_INTERVAL_US = 3600 * 1000000ULL;  // 1 小时

// 电子纸引脚
#define EPD_CS    5
#define EPD_DC    17
#define EPD_RST   16
#define EPD_BUSY  4

// 显示构造函数
GxEPD2_BW<GxEPD2_213_B72, GxEPD2_213_B72::HEIGHT> display(
    GxEPD2_213_B72(EPD_CS, EPD_DC, EPD_RST, EPD_BUSY)
);

WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);

// 数据变量
char temperature[8] = "--.-";
int humidity = 0;
char description[32] = "加载中...";

void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
    char buffer[256];
    if (length >= 256) return;
    memcpy(buffer, payload, length);
    buffer[length] = '\0';

    JsonDocument doc;
    DeserializationError error = deserializeJson(doc, buffer);

    if (!error) {
        strlcpy(temperature, doc["temperature"] | "--.-", sizeof(temperature));
        humidity = doc["humidity"] | 0;
        strlcpy(description, doc["description"] | "Unknown", sizeof(description));
    }
}

void updateDisplay() {
    display.init(115200);
    display.setRotation(1);
    display.fillScreen(GxEPD_WHITE);

    // 显示温度（大号）
    display.setFont(&FreeMonoBold18pt7b);
    display.setCursor(10, 50);
    display.print(temperature);
    display.print(" C");

    // 显示湿度
    display.setFont(&FreeMonoBold12pt7b);
    display.setCursor(10, 80);
    display.print("湿度：");
    display.print(humidity);
    display.print("%");

    // 显示描述
    display.setFont(&FreeMono9pt7b);
    display.setCursor(10, 105);
    display.print(description);

    display.display();
    display.powerOff();  // 更新后关闭显示屏电源
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    Serial.println("[唤醒] 开始...");

    // 连接 WiFi
    WiFi.begin(ssid, password);
    int retries = 0;
    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && retries < 30) {
        delay(500);
        Serial.print(".");
        retries++;
    }

    if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
        Serial.println("\n[唤醒] WiFi 已连接");

        // 连接 MQTT 并获取数据
        client.setServer(mqtt_server, 1883);
        client.setCallback(callback);

        if (client.connect("ESP32_Display_DeepSleep")) {
            client.subscribe(mqtt_topic);

            // 通过发布到触发主题来请求新数据
            client.publish("factory/weather/request", "update");

            // 等待数据（带超时）
            unsigned long timeout = millis() + 5000;
            while (millis() < timeout) {
                client.loop();
                delay(10);
            }
        }

        // 更新显示屏
        updateDisplay();

        // 睡眠前断开 WiFi
        client.disconnect();
        WiFi.disconnect(true);
        WiFi.mode(WIFI_OFF);
    } else {
        Serial.println("\n[唤醒] WiFi 连接失败，使用缓存数据");
        updateDisplay();  // 显示缓存/空白显示
    }

    Serial.println("[睡眠] 进入深度睡眠...");

    // 配置唤醒定时器
    esp_sleep_enable_timer_wakeup(SLEEP_INTERVAL_US);

    // 进入深度睡眠
    esp_deep_sleep_start();
}

void loop() {
    // 永远不会执行
}

步骤 3：RTC 内存实现数据持久化

使用 RTC 内存在睡眠周期之间保留数据：

// RTC 内存——深度睡眠期间保留
RTC_DATA_ATTR int bootCount = 0;
RTC_DATA_ATTR char cachedTemperature[8] = "--.-";
RTC_DATA_ATTR int cachedHumidity = 0;

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

    // 增加启动计数器
    bootCount++;
    Serial.print("启动次数：");
    Serial.println(bootCount);

    // 首次启动时，使用缓存值
    if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        // 使用 RTC 内存中的缓存数据
        Serial.print("使用缓存的温度：");
        Serial.println(cachedTemperature);
    }

    // ... 更新显示屏并缓存新数据
    strlcpy(cachedTemperature, temperature, sizeof(cachedTemperature));
    cachedHumidity = humidity;
}

步骤 4：可调节的睡眠间隔

使睡眠间隔可配置：

// 睡眠间隔（微秒）
#define ONE_MINUTE_US    60 * 1000000ULL
#define ONE_HOUR_US      3600 * 1000000ULL
#define SIX_HOURS_US     6 * 3600 * 1000000ULL
#define ONE_DAY_US       24 * 3600 * 1000000ULL

// 根据用例选择间隔
const unsigned long SLEEP_INTERVAL = ONE_HOUR_US;

// 动态间隔——根据条件更改
void configureSleep(bool dataReceived) {
    if (dataReceived) {
        // 正常间隔
        esp_sleep_enable_timer_wakeup(ONE_HOUR_US);
    } else {
        // 如果数据获取失败，更快重试
        esp_sleep_enable_timer_wakeup(5 * ONE_MINUTE_US);
    }
}

功耗测量

要测量实际功耗：

# 使用万用表测量电流
# 1. 将万用表设置为 DC mA 档
# 2. 串联到 ESP32 电源线中
# 3. 在活动和睡眠阶段监测

预期测量值：
  活动（WiFi + 显示）：100-200 mA  （约 10 秒）
  深度睡眠：            10-50 µA    （约 1 小时）

验证

ESP32 进入深度睡眠并在配置的间隔时间唤醒
每次唤醒周期”启动次数”递增
每次唤醒后显示屏正确更新
深度睡眠后 WiFi 成功重连
睡眠模式下功耗降至 µA 级别

故障排查

问题 1：ESP32 无法从深度睡眠唤醒

症状：

设备从不唤醒
显示屏不更新

解决方案：

验证定时器配置：esp_sleep_enable_timer_wakeup()
检查 GPIO 唤醒是否干扰
尝试较短的间隔（10 秒）进行测试
确保 EN 引脚未被拉低

问题 2：深度睡眠后 WiFi 失败

症状：

唤醒后 WiFi 连接失败
需要重新上电才能恢复 WiFi

解决方案：

// 强制 WiFi 正确重新初始化
WiFi.disconnect(true);   // 删除存储的凭据
WiFi.mode(WIFI_OFF);     // 关闭 WiFi 硬件
delay(100);
WiFi.mode(WIFI_STA);     // 设置为站点模式
WiFi.begin(ssid, password);

问题 3：显示屏显示先前内容

症状：

唤醒后，显示屏短暂显示旧数据

解决方案：

在绘制新内容前调用 display.fillScreen(GxEPD_WHITE)
电子纸的双稳态特性意味着它会保留先前图像直到被覆盖

最佳实践

✅ 最小化活动时间——一切放在 setup() 中，loop() 中无延时
✅ 睡眠前断开 WiFi——节省电量并避免唤醒时的连接问题
✅ 使用 RTC 内存存储计数器和跨睡眠周期的缓存数据
✅ 开发时使用短间隔（10 秒）进行测试
❌ 不要过度使用 delay()——在活动阶段，每毫秒都很重要
❌ 避免在外设通电时深度睡眠——断开传感器电源
❌ 在连接前不要使用 WiFi 扫描——会增加 3-5 秒活动时间

总结

深度睡眠将功耗从约 100 mA 降至约 10 µA——支持电池供电运行
定时器唤醒是定期显示更新的主要机制
所有逻辑必须在 setup() 中——深度睡眠后 loop() 永远不会执行
RTC 内存保留数据（但不是变量）跨睡眠周期
最小化活动时间——将唤醒周期设计得尽可能短
对于 1 小时刷新周期，ESP32 约 99.7% 的时间处于深度睡眠状态

深度睡眠模式配置

概述

前置条件

关键概念

ESP32 电源模式

唤醒源

电子纸的深度睡眠循环

实现步骤

步骤 1：基础深度睡眠草图

步骤 2：带深度睡眠的完整显示实现

步骤 3：RTC 内存实现数据持久化

步骤 4：可调节的睡眠间隔

功耗测量

验证

故障排查

问题 1：ESP32 无法从深度睡眠唤醒

问题 2：深度睡眠后 WiFi 失败

问题 3：显示屏显示先前内容

最佳实践

总结

参考