【ESP32】スリープモード（Deep / Light sleep）選択基準。消費電力の最適化と実装

今回は、ミーアの基板で使用しているESP32の消費電力を最適化するために、スリープモードをどのように選択し、実装していくかについて見ていく。

前回の下記記事で、Lipoによる給電にも対応できるようにしたので、USB-C接続で常に電源供給されている状態とは異なり、ESP32の消費電力も考慮する必要が出てきた。

USB Type-Cとリポバッテリーの両方に対応できる自作ESP32基板の制作過程を記載。充電電流はPROGで調整し、電圧レギュレーターをAMS1117からME6211シリーズに切り替え。PMOSFETを用いて、自動切り替え回路を実装する。

ESP32のスリープモード概要
1. Light-sleep mode
2. Deep-sleep mode
ねこ型ロボット「ミーア」の特性と要件
1. なぜLight-sleep modeが適切か
Light-sleep modeの実装
1. Light-sleep modeへの移行条件と復帰要件
実際のコード
完成！
1. 残タスク：よりインタラクティブにするために

ESP32のスリープモード概要

ESP32は高度な省電力機能を備えており、その中心となるのがスリープモード。主にDeep-sleep modeとLight-sleep modeの2つのスリープモードがある。

実際には、細かく分けると5つのモードがあるが、今回は割愛。

公式詳細記事はこちら

https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/latest/esp32/api-reference/system/sleep_modes.html

Light-sleep mode

デジタル周辺機器、ほとんどのRAM、CPUは一時停止状態（clock-gated）になる。しかし、完全オフではなく一時停止状態のため、復帰時には、プログラムはスリープ前の状態から再開されるため、迅速な復帰が可能
Light-sleepは、比較的短時間のアイドル状態や、迅速なレスポンスが求められる場合に適している。

Deep-sleep mode

デジタル周辺機器、ほとんどのRAM、CPUは一時停止ではなく電源オフになる。そのおかげで低い電力消費を実現する。
チップの中で電源が維持されるのは、RTCコントローラ（時刻やアラームの維持）、ULPコプロセッサ（簡単な計算やセンサーデータの監視）、RTC FASTメモリ、RTC SLOWメモリ（データの保存）のみ。
メモリの内容は保持されず、復帰時にはリセットが行われ、プログラムは最初から再開される。
Deep-sleepは長期間のアイドル状態や、非常に限られた機能しか必要としないアプリケーションに適している

ちなみに各modeでの消費電力はこちら

アクティブモード（通常時）：95-240mA
Light-sleep mode：〜0.8mA（800μA）
Deep-sleep mode：10〜150μA

特筆すべきは、Light-sleep modeとDeep-sleep modeで消費電力がアクティブモートの時と比較すると、ほとんど誤差みたいな差であること。

また、Wi-Fi/Bluetooth機能は、Light/DeepいずれのSleep modeでも、デフォルトでOffになり、Wi-fi/Bluetooth機能でワイヤレスにESP32と接続されている機器は通信を絶たれる。ちなみに、例外的にONに保っておくこともコードを書けばできる。

Deep sleep modeでの実装はこちら

ねこ型ロボット「ミーア」の特性と要件

このプロジェクトでは、ESP32ベースの猫型ロボットを開発している。このロボットは、ST7735S LCDディスプレイを目として使用し、MP3ファイルの再生機能と、TTP223タッチセンサーによるインタラクション機能（目が動き、音声を再生する）を持っている。また、Wi-Fiを通じてMP3ファイルをアプリからダウンロードする機能もある。

なぜLight-sleep modeが適切か

今回は、下記理由から、Deep-sleep modeよりLight-sleep modeの方が適していると判断。

迅速なレスポンス

ユーザーがTTP223タッチセンサーを操作した際、すぐにロボットが反応し、目を動かし、音声を再生する必要がある。Light-sleep modeでは、Deeep-sleepmodeより復帰が迅速で、ユーザーのインタラクションに対するレスポンスが速い。

外部割り込みによる復帰

TTP223タッチセンサーからの割り込みにより、Light-sleepから迅速に復帰することができる。
Deep-sleep modeでは、ESP32はGPIO割り込みを利用して復帰することができるが、この機能は限られたピンにのみ対応。また、復帰後、ESP32は完全にリセットされ、プログラムの実行は最初から開始される。今回だと、目のLCDディスプレイが電源オフの状態から電源ONになるのがUX的に再起動的な印象を与えて良くないかなと

Light-sleep modeの実装

Light-sleep modeへの移行条件と復帰要件

Light-sleep modeへの移行条件:

ユーザーの最後のアクション（頭に取り付けたTTP223タッチセンサーを触れる / アプリからの操作するなど）から一定時刻過ぎた場合、ESP32はライトスリープモードに移行する。
この移行前に、ロボットが「おやすみ」といったフレーズを発して、お休みの目の画像を表示することで、ユーザーにスリープモードへの移行を知らせる。

Light-sleep modeからの復帰: