Sleep Modes - Economizando energia- ESP8266

Economizando energia

Atire a primeira pedra quem nunca pensou em fazer algo portátil com o ESP8266. Vamos aprender sobre os diversos modos de Sleep presente no ESP8266, desde o Modem Sleep até o Deep Sleep.

 

Por que Sleep em micro controladores?

Deixar o MCU ligado durante algum tempo ocioso, consome muita bateria desnecessariamente e torna inviável projetos portáteis, já que precisaríamos trocar constantemente a bateria ou pilha. Para isto, existem os Sleep modes, que adormecem certas funções do MCU, permitindo o uso em projetos portáteis.

Modem Sleep

Somente o rádio WiFi/Wireless do MCU é desligado, todo o resto do sistema continua ligado normalmente. É útil quando o envio de informações se faz em intervalos de tempos e que é preciso o funcionamento do sistema em geral, como por exemplo acender LEDs, fazer comunicações e etc. O rádio não fica completamente desligado, de acordo com os datasheet's, o ESP faz um gerenciamento entre os Beacons (DTIM) do seu roteador e desliga entre os intervalos definidos.

Consumo: ~15mA.

 

LightSleep

Rádio WiFi/Wireless e Clock interno são desligados. CPU fica pendente. Com este modo, é possível acordar o CPU com um sinal enviado (HIGH/LOW) para um pino definido no software, continuando seu código normalmente. Como o anterior, este modo também possui o "Automatic sleep", que faz o MCU dormir entre os intervalos do DTIM.

Consumo: ~400 μA.

 

Deep Sleep

Rádio WiFi/Wireless, CPU e CLOCK ficam desligados, Apenas o RTC continua ON. Este modo é o melhor na questão de consumo já que praticamente todo o MCU fica desligado. É útil quando precisamos por exemplo enviar dados de um sensor a cada 5 minutos para um banco de dados ou gravar na EEPROM para futuramente ser enviado caso não haja conexão com a internet.

Consumo: ~20μA.

 

Datasheet sobre os sleeps.

 

Como o foco deste material será a autonomia, será ensinado como é o funcionamento do Deep Sleep, já que tem o menor consumo e é facilmente configurado através do código. Caso você ainda não tenha conhecimento sobre os BOT's do Telegram, veja ESTE tutorial.

Faremos um sensor de luminosidade portátil, que irá detectar o nível de luz no local e enviar por um BOT no Telegram a mensagem para o nosso chat a cada 1 minuto. Entre os intervalos, entrará em Deep Sleep para poupar a bateria.

Este projeto poderá ser feito por qualquer ESP8266, porém é necessário que o GPIO16 (D0) esteja conectado ao RESET. O ESP8266 01 não conta com este pino fisicamente, entretanto, é possível liga-lo ao RESET da seguinte forma:

 

 

Mãos à obra

Componentes necessários

Para este projeto, usaremos novamente o NodeMCU, e também mostraremos o consumo dele durante o Deep-sleep.

• 1 - ESP8266 (Usaremos o NodeMCU).
• 1 - LDR.
• 1 - Resistor de 470 Ω.
• X - Jumper's.

 

Montando o projeto

Faça as ligações necessárias para se ler um LDR, conectado ao pino A0. Para o Deep Sleep acordar o MCU após o tempo definido, precisamos ligar o pino D0 ao RST.

 

Código do projeto

Não se esqueça de colocar as informações sobre seu WiFi, ID e TOKEN do Telegram. Ensinamos como pegar o ID no tutorial do Telegram, de uma olhada!

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <WiFiClientSecure.h>
#include <UniversalTelegramBot.h>

#define BOTtoken "1659677:AberDacEJadpENQS_mUTIvLfGQ5f6dQe"//Define o token do BOT.

WiFiClientSecure client;
UniversalTelegramBot bot(BOTtoken, client);

String ldr;

void setup()
{
   WiFi.mode(WIFI_STA);//Define o ESP como Station.
   WiFi.begin("SUA REDE", "SUA SENHA");//Conecta na rede.

   while (WiFi.status() != WL_CONNECTED)//Espera a conexão se estabelecer.
   {
      delay(1);
   }

   ldr += analogRead(A0);//Le o LDR.

   bot.sendSimpleMessage("SEU ID", ldr, "");//Envia o valor do LDR para o chat.

   ESP.deepSleep(1 * 60000000);//Dorme por 1 Minuto (Deep-Sleep em Micro segundos).
}

void loop()
{

}

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Entendendo a fundo

Hardware

Para o Deep sleep funcionar corretamente, é preciso fazer a ligação do pino D0 (GPIO16) ao pino de RESET. Quando o RTC estoura o tempo (Overflow), é gerado um pulso LOW ao pino do RESET, fazendo com que o mesmo seja resetado e recomece o código do começo! Por este motivo, o código foi escrito no setup(), já que não foi necessário nenhuma ação dentro do loop(), mas isto não impede de escrever dentro do loop().

Sempre que o o ESP for resetado, ele iniciara o código do começo!

Software

-Função ESP.deepSleep()

ESP.deepSleep(1 * 60000000);//Dorme por 1 Minuto (Deep-Sleep em Micro segundos).

Este comando coloca o MCU em Deep-sleep por 1 Minuto. O valor à ser colocado na função é em Micro Segundos!

Após você usar este comando, o MCU irá dormir até que o tempo se acabe. Quando o tempo definido estourar (Acabar), o RTC irá gerar um pulso LOW ao pino RST, fazendo com que o MCU seja reiniciado completamente. Após o reset, o código irá se iniciar do começo normalmente e só entrara em Sleep novamente, quando chegar a respectiva linha do comando para dormir.

 

Fechamento

Faremos alguns cálculos de autonomia com Sleep.

Após testar este projeto, você pode medir o consumo da corrente no MCU utilizando um multímetro ou algo similar. Usarei um Osciloscópio para medir a tensão em cima de um resistor de 1 Ω, isso significa que os valores lidos da tensão pelo osciloscópio, serão a mesma que a corrente.

 

Para entender o gráfico do osciloscópio de uma maneira simples, primeiro veja que a escala vertical esta com 20mV por divisão, isto significa que a cada divisão vertical, corresponde a 20mV!

Fig 1 - Escala vertical em 20mV.

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Fig 2 - Explicação do gráfico.

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Fig 3 - Corrente em modo STA.

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Como podemos ver, a corrente (FIG 3), está aproximadamente em 80mA quando o ESP8266 esta com o RF ligado. Usando Modem Sleep para desligar o RF, este consumo já iria para ~15mA!

Para medir a corrente quando o ESP8266 entra em Deep Sleep, foi necessário a redução da escala vertical, indo para 5mV (FIG 4) por divisão!, a leitura do gráfico é a mesma que o anterior (FIG 5).

Fig 4 - Escala vertical em 5mV.

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Fig 5 - Corrente em Deep sleep.

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Agora você deve estar se perguntando porque o consumo esta tão alto comparado ao datasheet (20μA). Isto se deve ao fato de que esta placa NodeMCU conta com diversos componentes, como por exemplo regulador de tensão e o conversor FTDI. Estes componentes "roubam" uma preciosa energia quando é ativado o Deep Sleep. Por este motivo, você não deve usar o NodeMCU para projetos portáteis, já que o consumo é muito maior. Para isto, use o ESP8266 01, 12, ou qualquer outro que não venha em uma placa (Kit de Desenvolvimento). Ainda sim, usando o ESP 01, há o LED vermelho que indica se o MCU esta ligado, o consumo não será 20μA enquanto não remover este LED!

 

Usamos ESTA ferramenta para fazer os cálculos, você também pode fazer o calculo de autonomia do seu projeto com ela!

• Bateria 18650: 3,7V e 4000mAh.
• NodeMCU: Duração do código = 2 Segundos por 80mA.
• NodeMCU: Tempo de Sleep = 1 Minuto por 3mA.

 

Chegamos a conclusão que sem Sleep, o NodeMCU ficaria 40 horas ligado até que a bateria se acabe. Já com o Deep sleep, isso é aumentado para 583 horas (24 dias)!!!

Para comparar o Deep Sleep do teste com o "verdadeiro" Deep sleep de um ESP8266 (20μA), também foi feito o cálculo e chegamos a incríveis 1230 horas, o equivalente a 51 dias!

 

Dúvidas? Sugestões? Críticas? Comente abaixo!

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by José Morais