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。
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:
- ユーザーが猫の頭を撫でる（TTP223タッチセンサーを触れる）と、ロボットはライトスリープモードから復帰。
- 復帰時には、「もう起こしたの？」などのフレーズを発することで、自然なインタラクションの演出を試みる。
実際のコード
こちらのgithubに、light-sleep modeの実装例が記載してある。
https://github.com/espressif/esp-idf/tree/ece7335/examples/system/light_sleep
wake upの方法には、Timer, Touchpad, GPIOピン, UARTなどがあるが、今回はGPIO wake upで行う。現状、ttp223外部センサーをGPIO 14に接続しているため。
実際のコードがこちら（main.cpp）。espressifのスリープモード周りのライブラリが充実しているので、シンプル。
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