深度睡眠与唤醒引脚

概述

本节介绍如何将 ESP32-CAM 配置为深度睡眠模式，并通过 PIR 运动传感器的 GPIO 信号唤醒。学习完成后，您将能够：

理解 ESP32 深度睡眠模式的工作原理
配置外部 GPIO 唤醒源
实现运动触发的拍照 + 自动休眠流程
优化电池供电场景的功耗

架构

┌────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                 PIR 触发深度睡眠唤醒流程                     │
├────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                             │
│  [Deep Sleep]                                               │
│       │                                                     │
│       │ 功耗: ~10μA                                         │
│       │                                                     │
│       ▼  PIR 检测到运动 (GPIO 13 HIGH)                      │
│  [Wake Up]                                                  │
│       │                                                     │
│       ├──→ 1. 初始化摄像头                                   │
│       ├──→ 2. 连接 Wi-Fi                                    │
│       ├──→ 3. 连接 MQTT Broker                              │
│       ├──→ 4. 拍照                                          │
│       ├──→ 5. 通过 MQTT 发送图片                             │
│       ├──→ 6. 释放资源                                      │
│       │                                                     │
│       ▼                                                     │
│  [Deep Sleep] ←── 完成后立即进入深度睡眠                    │
│       │                                                     │
│       └── 等待下一次运动检测触发                             │
│                                                             │
└────────────────────────────────────────────────────────────┘

核心概念

ESP32 深度睡眠模式

模式	功耗	CPU	RAM	RTC 内存	RTC 外设	唤醒源
Active	80-200mA	✅ 运行	✅	✅	✅	-
Modem Sleep	~30mA	✅ 运行	✅	✅	✅	Timer
Light Sleep	~10mA	❌ 暂停	✅	✅	✅	Timer/GPIO
Deep Sleep	~10μA	❌ 断电	❌ 断电	✅ 保留	✅ 可选	Timer/GPIO/Touch
Hibernate	~5μA	❌ 断电	❌ 断电	❌ 断电	❌	GPIO/Reset

关键: Deep Sleep 模式下 CPU 和主 RAM 完全断电，仅 RTC 内存（8KB）保留数据。ESP32-CAM 用于远程巡检时，深度睡眠可实现数月电池续航。

ESP32 RTC GPIO 引脚

可用于外部唤醒的 RTC GPIO：

GPIO	RTC 引脚	说明
GPIO 13	RTC_GPIO4	⭐ 推荐用于 PIR 唤醒
GPIO 2	RTC_GPIO12	Camera 板载 LED
GPIO 4	RTC_GPIO10	Flash LED
GPIO 12	RTC_GPIO15	注意上拉电压影响启动
GPIO 14	RTC_GPIO16	可用
GPIO 15	RTC_GPIO13	可用
GPIO 25	RTC_GPIO6	可用
GPIO 26	RTC_GPIO7	可用
GPIO 27	RTC_GPIO17	可用
GPIO 32-39	RTC_GPIO0-9	可用

注意: GPIO 13 是推荐连接的 PIR 输出引脚，因为它既是 RTC GPIO 支持深度睡眠唤醒，又不会影响 ESP32 的启动模式。

Implementation

PIR 触发的 ESP32-CAM 完整代码

#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include "esp_camera.h"
#include "driver/rtc_io.h"

// ==== Wi-Fi 配置 ====
const char* ssid = "YOUR_SSID";
const char* password = "YOUR_PASSWORD";

// ==== MQTT 配置 ====
const char* mqtt_server = "192.168.1.100";
const int mqtt_port = 1883;
const char* mqtt_user = "iot_user";
const char* mqtt_pass = "iot_password";
const char* client_id = "esp32cam-01";

// ==== 引脚定义 ====
#define PIR_PIN 13       // PIR 传感器 (RTC_GPIO4)
#define FLASH_PIN 4      // 闪光灯 LED

// ==== 全局对象 ====
WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);

// ==== 唤醒原因检测 ====
RTC_DATA_ATTR int bootCount = 0;  // 保留在 RTC 内存中

void printWakeupReason() {
    esp_sleep_wakeup_cause_t cause = esp_sleep_get_wakeup_cause();

    switch(cause) {
        case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT0:
            Serial.println("Wakeup caused by external signal (PIR)");
            break;
        case ESP_SLEEP_WAKEUP_TIMER:
            Serial.println("Wakeup caused by timer");
            break;
        default:
            Serial.printf("Wakeup caused by %d (reset/power-on)\n", cause);
    }
}

// ==== 拍照并发送 ====
void takePhotoAndSend() {
    // 初始化摄像头
    camera_config_t config;
    config.ledc_channel = LEDC_CHANNEL_0;
    config.ledc_timer = LEDC_TIMER_0;
    config.pin_d0 = 5;
    config.pin_d1 = 18;
    config.pin_d2 = 19;
    config.pin_d3 = 21;
    config.pin_d4 = 36;
    config.pin_d5 = 39;
    config.pin_d6 = 34;
    config.pin_d7 = 35;
    config.pin_xclk = 0;
    config.pin_pclk = 22;
    config.pin_vsync = 25;
    config.pin_href = 23;
    config.pin_sscb_sda = 26;
    config.pin_sscb_scl = 27;
    config.pin_pwdn = 32;
    config.pin_reset = -1;
    config.xclk_freq_hz = 20000000;
    config.pixel_format = PIXFORMAT_JPEG;

    // 低分辨率以加快传输
    config.frame_size = FRAMESIZE_VGA;     // 640×480
    config.jpeg_quality = 12;              // JPEG 质量
    config.fb_count = 1;

    esp_err_t err = esp_camera_init(&config);
    if (err != ESP_OK) {
        Serial.printf("Camera init failed: 0x%x\n", err);
        return;
    }

    // 拍照
    camera_fb_t* fb = esp_camera_fb_get();
    if (!fb) {
        Serial.println("Camera capture failed!");
        esp_camera_deinit();
        return;
    }

    Serial.printf("Photo taken: %zu bytes\n", fb->len);

    // 连接 Wi-Fi
    WiFi.begin(ssid, password);
    unsigned long timeout = millis() + 15000;  // 15 秒超时
    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && millis() < timeout) {
        delay(100);
    }

    if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
        Serial.println("WiFi connected");

        // 连接 MQTT
        client.setServer(mqtt_server, mqtt_port);
        client.setBufferSize(60000);

        if (client.connect(client_id, mqtt_user, mqtt_pass)) {
            Serial.println("MQTT connected");

            // 发送图片
            client.publish("esp32cam/photo", fb->buf, fb->len, false);
            Serial.println("Photo sent via MQTT");

            // 发送元数据
            String meta = "{\"size\":" + String(fb->len) +
                          ",\"boot\":" + String(bootCount) + "}";
            client.publish("esp32cam/status", meta.c_str());

            delay(500);  // 等待发送完成
            client.disconnect();
        }
    }

    // 释放资源
    esp_camera_fb_return(fb);
    esp_camera_deinit();

    // 断开 Wi-Fi (减少功耗)
    WiFi.disconnect(true);
    WiFi.mode(WIFI_OFF);
}

// ==== 完整 Setup — PIR 唤醒版本 ====
void setup() {
    Serial.begin(115200);
    delay(100);

    bootCount++;
    Serial.printf("Boot count: %d\n", bootCount);

    printWakeupReason();

    // 拍照并发送
    takePhotoAndSend();

    // ---- 准备深度睡眠 ----

    // 确保闪光灯关闭
    rtc_gpio_hold_dis(GPIO_NUM_4);
    pinMode(FLASH_PIN, OUTPUT);
    digitalWrite(FLASH_PIN, LOW);

    // 配置外部唤醒源: GPIO 13 上升沿触发
    esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_13, 1);  // 1 = HIGH 电平唤醒

    Serial.println("Entering deep sleep...");
    Serial.flush();

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

// 注意: loop() 在深度睡眠版本中不会执行
void loop() {
    // ESP32 在深度睡眠期间不会运行到这里
}

代码说明

部分	说明
`RTC_DATA_ATTR`	变量保留在 RTC 内存中，深度睡眠后值不丢失
`esp_sleep_get_wakeup_cause()`	检测唤醒原因，区分 PIR 触发和上电复位
`esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_13, 1)`	GPIO 13 电平 HIGH 时唤醒
`esp_camera_init()` / `esp_camera_deinit()`	每次唤醒后初始化，睡眠前反初始化
`WiFi.disconnect(true)`	断开 Wi-Fi 以节省功耗
`esp_deep_sleep_start()`	立即进入深度睡眠

Power Consumption Analysis

阶段	功耗	持续时间	占总周期比例
深度睡眠	~10μA	数小时/数天	>99.9%
唤醒 (摄像初始化)	~150mA	1-2 秒	<0.1%
Wi-Fi 连接	~200mA	3-10 秒	<0.1%
拍照	~180mA	0.5-1 秒	<0.01%
MQTT 发送	~200mA	1-3 秒	<0.01%

电池续航估算:

电池容量	每天触发 10 次	每天触发 50 次
2×AA (2000mAh)	~180 天	~120 天
14500 Li-ion (800mAh)	~70 天	~45 天
18650 (3000mAh)	~270 天	~180 天

验证

# 1. 烧录后观察串口输出
# PIR 触发前:
ESP32-CAM PIR Deep Sleep Starting...
Entering deep sleep...

# PIR 触发后:
Boot count: 1
Wakeup caused by external signal (PIR)
Photo taken: 28501 bytes
WiFi connected
MQTT connected
Photo sent via MQTT
Entering deep sleep...

# 2. 在 Node-RED 端验证接收到的图片
# 检查 /data/esp32cam/ 目录是否有新图片

# 3. 监控 MQTT 状态
mosquitto_sub -t "esp32cam/status" -v
# 输出示例:
# esp32cam/status {"size":28501,"boot":3}

Common Customer Questions

Q1: 深度睡眠时 PIR 还能检测运动吗？

是的。ESP32 深度睡眠时 RTC 外设仍在工作，GPIO 13 作为 RTC GPIO 可以检测电平变化并触发唤醒。PIR 传感器由外部电源供电，不受 ESP32 睡眠影响。

Q2: 唤醒后如何知道是 PIR 触发还是定时唤醒？

esp_sleep_wakeup_cause_t cause = esp_sleep_get_wakeup_cause();
if (cause == ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT0) {
    // PIR 触发 → 拍照发送
} else if (cause == ESP_SLEEP_WAKEUP_TIMER) {
    // 定时唤醒 → 周期性健康检查
} else {
    // 上电复位 → 初始化配置
}

Q3: 电池供电时如何确保可靠运行？

使用高质量电容组稳定供电（470μF + 100μF）
唤醒后先检查电池电压，低于阈值时仅发送低电量报警不拍照
设置看门狗定时器，防止 Wi-Fi 连接卡死

最佳实践

✅ 推荐做法:

使用 RTC_DATA_ATTR 在深度睡眠间保持计数器等状态
唤醒后调用 esp_camera_deinit() 释放内存
发送完成后调用 WiFi.disconnect(true) 彻底断电 Wi-Fi
PIR 输出连接 GPIO 13（RTC 唤醒专用引脚）
在 Setup 开头使用延时让 PIR 传感器稳定

❌ 避免做法:

在深度睡眠前未断开 Wi-Fi（增加功耗）
每次唤醒后未重新初始化摄像头
使用非 RTC GPIO 作为唤醒源（不支持深度睡眠唤醒）
PIR 检测到运动后立即进入睡眠（照片未发送完成）
忽略 esp_camera_fb_return() 导致内存泄漏

Summary

深度睡眠将 ESP32 功耗降低至 ~10μA
GPIO 13 是推荐的 PIR 唤醒引脚（RTC_GPIO4）
esp_sleep_enable_ext0_wakeup() 配置外部信号唤醒
RTC_DATA_ATTR 变量在深度睡眠间持久化
每次唤醒完成拍照发送后立即进入睡眠