ESP32-S3 Wi-Fi省电模式（PSM）与ARM休眠联动

如何让 ESP32-S3 用一节电池撑一年？Wi-Fi 省电与深度休眠的硬核联动实战 💡🔋

你有没有遇到过这样的场景：一个温湿度传感器，明明只是每小时上报一次数据，结果电池半个月就没电了？
或者你的可穿戴设备刚戴两天就得充电，用户抱怨“续航太拉胯”？

问题很可能出在—— 你以为它在“睡觉”，其实它一直在“睁眼等消息” 。

尤其是在 Wi-Fi 连接不断、MCU 永远不关机的情况下，哪怕只是“待机”，电流也可能高达几十毫安。对一块 1000mAh 的锂电池来说，这相当于 不到两周就耗尽 。

那怎么办？

别急，今天我们就来拆解一个真正能让 ESP32-S3 实现“超长待机”的杀手级组合技：
👉 Wi-Fi Power Save Mode（PSM） + 深度休眠（Deep Sleep）联动控制

这不是简单的 API 调用教程，而是一次从协议栈到底层电源域的全链路剖析。我会带你搞清楚：

• PSM 到底是怎么省电的？
• 为什么只开 PSM 还不够？
• 如何把 Wi-Fi 和 CPU 的睡眠节奏精准对齐？
• 实战中有哪些坑必须避开？

准备好了吗？Let’s dive in. 🚀

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先说结论：低功耗的本质是「时间复用」

在进入技术细节前，咱们先建立一个核心认知：

真正的低功耗设计，不是让系统一直低功率运行，而是让它绝大部分时间彻底断电，只在必要时刻瞬间唤醒完成任务。

换句话说：
✅ 好的设计 = 高效执行 + 极致休眠
❌ 差的设计 = 慢速运行 + 永远不睡

举个生活化的比喻：

想象你要查天气预报：

• 方案 A：手机一直开着屏幕刷新网页 → 电量哗哗掉；
• 方案 B：每天早上闹钟响了才打开 App 查一眼，然后锁屏 → 续航翻倍。

IoT 设备也一样。我们不需要它 24 小时在线监听，只需要它 定时醒来发个包、看看有没有新指令、然后立刻睡觉 。

所以，关键就在于： 如何协调 Wi-Fi 子系统和 MCU 核心的“作息时间表”？

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PSM：Wi-Fi 层面的“打盹机制”

它解决的是什么问题？

默认情况下，Wi-Fi STA 模式下的设备必须持续监听 AP 发出的 Beacon 帧（通常是每 100ms 一次），否则就会被认为离线。

但问题是：很多 IoT 设备根本不需要实时响应广播消息。比如一个土壤湿度传感器，它只关心“什么时候轮到我上传数据”，并不需要每秒都确认网络状态。

于是 IEEE 802.11 引入了 Power Save Mode（PSM） ——允许客户端主动告诉 AP：“我要打个盹，有事记得叫我。”

一旦启用 PSM，ESP32-S3 就可以周期性关闭 RF 收发器，在 Listen Interval 或 DTIM 时间点短暂唤醒检查缓存数据。

听起来很美好，对吧？但这里有个大前提：

⚠️ 启用 PSM 并不等于系统进入低功耗！因为 CPU 可能还在跑 FreeRTOS、外设也没关、Wi-Fi 基带仍在维持连接……

也就是说： Wi-Fi 是“半睡”，MCU 是“假睡” 。

这时候平均电流可能还在 15–30mA 左右，对于电池供电设备来说依然是“慢性自杀”。

那怎么办？答案就是： 让整个芯片一起睡，而且要睡得深、睡得久。

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Deep Sleep：给整个 SoC 来个“冬眠手术”

ESP32-S3 虽然主控是 Xtensa 架构，但它的电源管理模型和 ARM Cortex-M 系列非常相似，尤其是深度休眠这块。

当调用 esp_deep_sleep_start() 后，会发生以下事情：

1. 关闭主电源域（VDD_SDIO、CPU、系统时钟等）；
2. 仅保留 RTC 控制器、ULP 协处理器、少量低速内存供电；
3. 所有外设断电，Wi-Fi 断开连接；
4. 整机电流降至 5–10μA ，相当于一年消耗不到 90mAh！

📌 对比一下：
| 状态 | 典型电流 | 续航估算（1000mAh 电池） |
|------|----------|------------------------|
| Active（Wi-Fi 传输） | ~180mA | <6 小时 |
| Modem-sleep（PSM） | ~8–15mA | ~5 天 |
| Deep Sleep | ~5μA | 超过 20 年！ （理论值） |

看到差距了吗？只要能把“工作时间”压缩到极短，“休眠时间”拉到极致，续航就能实现数量级提升。

但这又带来一个问题：

❓ 如果每次都 deep sleep 再重启，Wi-Fi 得重新连接，岂不是很慢？会不会错过下行指令？

好问题。这就引出了我们今天的主角： PSM 与 Deep Sleep 的协同策略 。

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真正的高手：让 PSM 成为“通信窗口”的一部分

很多人误以为 PSM 和 Deep Sleep 是二选一的关系，其实完全不是。

它们应该分层使用：

• Deep Sleep ：用于长时间静默期，实现系统级断电；
• PSM ：用于通信阶段的微调节能，减少 Wi-Fi 监听开销。

典型的工作流程应该是这样：

[ Deep Sleep ] 
     │
     ▼ (RTC Timer 到时)
[Wake Up]
     │
     ▼
[初始化外设 + 读取传感器]
     │
     ▼
[启动 Wi-Fi + 连接 AP]
     │
     ▼
[发送数据 + 开启 PSM 监听下行]
     │
     ▼ (等待 10s，无新指令)
[关闭 Wi-Fi]
     │
     ▼
[保存状态 → 进入 Deep Sleep]

注意看中间那段：“开启 PSM 监听下行”。这段才是精髓所在。

它的作用是：
在数据上传完成后， 不立即断开 Wi-Fi ，而是先进入 PSM 模式，周期性询问 AP 是否有下发配置或命令。如果有，就处理；如果没有，几秒后安全退出。

这样做既保证了双向通信能力，又不会让设备长时间保持高功耗连接。

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关键参数怎么设？Listen Interval 不是越大越好！

说到 PSM，绕不开两个核心参数： listen_interval 和 DTIM period 。

Listen Interval：多久醒一次？

这个值表示 STA 每隔多少个 Beacon 周期唤醒一次去轮询数据。单位是 beacon interval，默认通常是 100ms。

代码里这么设置：

wifi_sta_config_t sta_config = {
    .listen_interval = 3,   // 每 3 个 beacon 唤醒一次 → 300ms
};
esp_wifi_set_config(WIFI_IF_STA, &sta_config);

听着好像越大越省电？错！

⚠️ 陷阱警告 ：如果 listen_interval > DTIM period ，AP 可能根本不会为你缓存组播/广播包！

DTIM（Delivery Traffic Indication Message）是 AP 用来通知所有 STA “我现在要发多播数据了”的信号。如果你的唤醒周期错过了 DTIM 时点，即使 AP 缓存了数据，你也收不到。

所以最佳实践是：

✅ 设置 listen_interval 为 DTIM 周期的整数倍，且不超过 5（即 ≤500ms）

大多数家用路由器 DTIM=1 或 2，所以我们通常设为 3～5 是最稳妥的选择。

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怎么知道当前 AP 的 DTIM 是多少？

可以用 Wireshark 抓包，或者写个小脚本扫描：

static void print_ap_dtim_info(esp_netif_t *netif) {
    wifi_ap_record_t ap_info;
    if (esp_wifi_sta_get_ap_info(&ap_info) == ESP_OK) {
        printf("SSID: %s\n", ap_info.ssid);
        printf("DTIM Period: %d\n", ap_info.dtim_period);  // ← 就在这里！
        printf("Beacon Interval: %d ms\n", ap_info.beacon_interval);
    }
}

拿到这些信息后，就可以动态调整你的 listen 策略了。

例如：

int optimal_listen_interval = MIN(5, ap_info.dtim_period * 2);

聪明吧？😉

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实战代码重构：做一个“会呼吸”的物联网节点

下面是一个经过优化的真实应用模板，融合了 PSM、Deep Sleep、RTC 数据保留和快速重连逻辑。

#include "esp_wifi.h"
#include "esp_sleep.h"
#include "nvs_flash.h"
#include "esp_netif.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "driver/rtc_io.h"

#define SLEEP_DURATION_S      60           // 每分钟唤醒一次
#define COMM_WINDOW_MS        15000        // 通信窗口：15秒
#define LISTEN_INTERVAL_BEACON 3          // 每3个beacon唤醒一次

RTC_DATA_ATTR static uint32_t boot_count = 0;     // 掉电不丢
RTC_DATA_ATTR static time_t last_upload_time = 0;

void init_nvs() {
    esp_err_t ret = nvs_flash_init();
    if (ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_DETECTED) {
        nvs_flash_erase();
        nvs_flash_init();
    }
}

void connect_to_wifi() {
    wifi_config_t cfg = {
        .sta = {
            .ssid = "your_ssid",
            .password = "your_password",
            .listen_interval = LISTEN_INTERVAL_BEACON,
            .pmf_cfg.capable = true,
            .threshold.authmode = WIFI_AUTH_WPA2_PSK,
        },
    };

    esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_STA);
    esp_wifi_set_config(WIFI_IF_STA, &cfg);
    esp_wifi_connect();  // 异步连接

    // 等待连接成功（最多10秒）
    int retry = 0;
    while (retry++ < 10) {
        wifi_sta_status_t status;
        if (esp_wifi_sta_get_status(&status) == ESP_OK && status == WIFI_STA_STATUS_CONNECTED) {
            break;
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

void upload_sensor_data() {
    // TODO: 采集温湿度、光照等数据
    printf("[Upload] Sensor data sent at %lu\n", time(NULL));
    last_upload_time = time(NULL);
}

void enable_power_save_and_listen() {
    // 启用最大省电模式
    esp_wifi_set_ps(WIFI_PS_MAX_MODEM);

    // 设置定时器，在 COMM_WINDOW_MS 后停止 Wi-Fi
    const int comm_ms = COMM_WINDOW_MS;
    esp_timer_handle_t stop_wifi_timer;
    const esp_timer_create_args_t timer_args = {
        .callback = [](void* arg) {
            esp_wifi_stop();  // 主动关闭 Wi-Fi
        },
        .name = "stop_wifi"
    };
    esp_timer_create(&timer_args, &stop_wifi_timer);
    esp_timer_start_once(stop_wifi_timer, comm_ms * 1000ULL);
}

void go_deeper_into_sleep(uint64_t sleep_us) {
    // 关闭 Wi-Fi 前确保已释放资源
    esp_wifi_stop();

    // 设置唤醒源：定时器为主
    esp_sleep_enable_timer_wakeup(sleep_us);

    // 可选：添加 GPIO 唤醒（如按键）
    // esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_0, 1);

    // 允许 ULP 协处理器工作
    // esp_sleep_enable_ulp_wakeup();

    printf("💤 Going to deep sleep for %.1f seconds...\n", sleep_us / 1e6);
    esp_deep_sleep_start();  // 再见，世界
}

void app_main(void) {
    init_nvs();

    boot_count++;
    printf("🚀 Boot #%u | Wake reason: %d\n", boot_count, esp_sleep_get_wakeup_cause());

    // 快速判断是否为定时唤醒 → 跳过不必要的初始化
    if (esp_sleep_get_wakeup_cause() != ESP_SLEEP_WAKEUP_TIMER) {
        printf("👉 Manual wakeup detected, performing full init...\n");
    }

    // 初始化传感器 & 外设
    // sensor_init();

    // 连接 Wi-Fi
    connect_to_wifi();

    // 上报数据
    upload_sensor_data();

    // 开启 PSM，等待可能的下行指令
    enable_power_save_and_listen();

    // 计算休眠时间（考虑下次上报周期）
    uint64_t next_sleep_us = SLEEP_DURATION_S * 1000000ULL;

    // 小技巧：根据上次失败情况动态调整
    if (last_upload_time == 0 || time(NULL) - last_upload_time > 300) {
        next_sleep_us = 10 * 1000000ULL;  // 若连续失败，缩短间隔尝试恢复
    }

    // 进入深度休眠
    go_deeper_into_sleep(next_sleep_us);
}

📌 亮点解析 ：

• 使用 RTC_DATA_ATTR 保留关键变量，避免每次重启都从零开始；
• 主动调用 esp_wifi_stop() 而非依赖自动超时，防止资源泄漏；
• 动态调整休眠周期，具备一定容错能力；
• 通信窗口结束后自动关闭 Wi-Fi，杜绝“忘记关”的隐患。

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硬件层面也不能忽视：外围电路正在偷偷吃掉你的电量

再好的软件策略，遇上糟糕的硬件设计也会功亏一篑。

常见“电量刺客”包括：

元件	问题	解决方案
板载 LED	默认常亮	焊接时剪断限流电阻或改用 GPIO 控制
LDO 稳压器	静态电流 >50μA	换成 TPS782、XC6206 等低 IQ 型号（<2μA）
上拉电阻	未使用的 GPIO 浮空	明确配置为输入下拉或输出低电平
传感器供电	始终通电	使用 MOSFET 控制 VCC，仅采样时供电

💡 小建议 ：做低功耗项目时，务必准备一个 数字电流表 （如 uCurrent Gold）或至少支持 μA 量程的万用表。

实测 deep sleep 电流应接近 5–8μA。如果高于 50μA，大概率是外部电路拖累了。

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进阶玩法：用 ULP 协处理器做“守门员”

ESP32-S3 内置了一个 RISC-V 架构的 ULP 协处理器，可以在 deep sleep 期间运行轻量程序。

我们可以让它干些“脏活累活”：

• 定期读取 ADC（比如电池电压检测）；
• 监听 GPIO 变化（如运动传感器触发）；
• 判断是否真的需要唤醒主 CPU。

示例思路：

// 在 deep sleep 中由 ULP 监控 PIR 传感器
if (motion_detected_by_ulp()) {
    esp_deep_sleep_wakeup_immediate();  // 立即唤醒主核
} else if (time_to_upload()) {
    regular_wakeup();  // 正常周期唤醒
} else {
    extend_sleep();    // 多睡一会儿
}

这样连主核都不用频繁启动，进一步降低平均功耗。

不过 ULP 编程相对复杂，涉及汇编和链接脚本修改，适合进阶玩家挑战。

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常见误区与避坑指南 🛑

❌ 误区 1：开了 PSM 就等于低功耗

错！PSM 只影响 Wi-Fi 模块，MCU 仍可能处于 active 状态。若不做其他处理，平均功耗仍在 10mA 以上。

✅ 正确做法：PSM 仅作为通信阶段的辅助手段，主节能靠 deep sleep。

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❌ 误区 2：频繁浅度休眠比 deep sleep 更快

有人觉得 light sleep 或 modem-sleep 唤醒更快，适合高频任务。

但在多数传感器场景中， 10ms 的唤醒延迟完全可以接受 ，换来的是百倍以上的节能收益。

✅ 结论：除非你需要 μs 级响应（如音频流、实时控制），否则优先选择 deep sleep。

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❌ 误区 3：Wi-Fi 凭证存在 NVS 就行，不用管

NVS 访问涉及 flash 操作，功耗高且速度慢。更糟的是，某些版本 SDK 在 deep sleep 唤醒后首次访问 NVS 会出现卡顿。

✅ 推荐做法：将 Wi-Fi SSID/密码缓存在 RTC memory，并标记是否已配置，避免重复读取。

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❌ 误区 4：所有 GPIO 都能作为唤醒源

只有部分 IO MUX 管脚支持 ext0/ext1 唤醒（一般是 GPIO0–35）。RTC GPIO 支持更多类型，但需特别配置。

✅ 查阅《ESP32-S3 技术参考手册》第 8 章电源管理，确认引脚兼容性。

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最后的灵魂拷问：你真的需要 Wi-Fi 吗？

聊了这么多，我想提一个反向思考：

🔍 如果你的设备只需要偶尔传几百字节数据， 是不是 LoRa、BLE Mesh 或 NB-IoT 更合适？

毕竟：

• Wi-Fi 协议本身就很“胖”，握手过程复杂；
• 路由器覆盖有限，穿墙能力差；
• 功耗天生高于 Sub-GHz 方案。

但对于已有 Wi-Fi 网络基础设施的场景（如智能家居、工业网关），ESP32-S3 依然是性价比极高的选择。

关键是： 要用对方法，别让它白白耗电。

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写在最后：低功耗是一场精细的时间博弈

回到开头的问题：怎么让 ESP32-S3 用一节电池撑一年？

答案已经很清楚了：

🎯 把 99.9% 的时间留给深度休眠，把 0.1% 的时间留给高效通信，再用 PSM 在通信期内榨干最后一滴能量。

这不是魔法，而是工程权衡的艺术。

当你看到自己的设备在野外默默工作了几个月，而电池还有余电时，那种成就感，比写出一百行炫酷动画还要爽 😄。

所以，别再让你的 ESP32-S3 “假装睡觉”了。

现在就去改代码，加个 esp_deep_sleep_start() ，让它真正地、深深地、美美地睡上一觉吧。🌙✨