aws-iot-esp32-low-power-sample

在IoT领域,有非常多需要低功耗的应用场景,比如:智能家居的门窗检测, 水电表的自动抄表,智慧农业的土壤,环境监测. 这些场景都需要保证设备在低功耗的情况下,能够保证长时间稳定的和服务端通信. 所以,我们设计这个低功耗的IoT连接方案. 此方案主要的思路是,将IoT Client端SDK跑在一些低功耗且成本相对较低的MCU芯片上. 将一些处理要求较轻的任务,比如上报数据,接收服务端指令等工作从设备的CPU剥离出来,达到尽量减少唤醒CPU的目标,以降低功耗.

此Demo主要展示如下功能：

定时唤醒,接收服务端信息
通过GPIO0来模拟设备上报事件
利用ESP32的Deep Sleep模式降低功耗

乐鑫科技的ESP32芯片有非常良好的功耗管理设计,并且对FreeRT OS提供了完善的支持,可以非常方面的接入AWS IoT Core服务, 故本此方案的设备端采用ESP32-EYE 开发板进行.

在deep sleep模式下的理论功耗,见下表:

系统架构图

设备端外挂了一个ESP32的MCU完成wifi连接,以及与IoT Core服务通信功能,尽量降级维持mqtt通信的功耗.

验证工程

安装乐鑫ESP-IDF开发工具链

请参考官方配置步骤, 工具链版本选择tag: v4.4.6 .

在IoT Core 服务创建新的Thing

由于是功能验证阶段,所以权限设置的较为宽松, policy配置如下.

{
  "Version": "2012-10-17",
  "Statement": [
    {
      "Effect": "Allow",
      "Action": [
        "iot:Publish",
        "iot:Receive",
        "iot:PublishRetain"
      ],
      "Resource": "arn:aws:iot:us-east-1:<account id>:topic/*"
    },
    {
      "Effect": "Allow",
      "Action": "iot:Subscribe",
      "Resource": "arn:aws:iot:us-east-1:<account id>:topicfilter/*"
    },
    {
      "Effect": "Allow",
      "Action": "iot:Connect",
      "Resource": "arn:aws:iot:us-east-1:<account id>:client/ESP32*"
    }
  ]
}

将证书和key拷贝到工程目录

git clone https://github.com/heqiqi/aws-iot-esp32-low-power-sample.git

拷贝证书:

cp <CA cert> aws-iot-esp32-low-power-sample/main/certs/root_cert_auth.crt
cp <device priv key> aws-iot-esp32-low-power-sample/main/certs/client.key
cp <device cert> aws-iot-esp32-low-power-sample/main/certs/client.crt

配置IoT endpoint 和 Wifi ssid

进入 esp-idf 目录,export编译环境变量

 . ./export.sh

启动menuconfig工具:

idf.py menuconfig

EndPoint 配置如下:

Wifi 配置如下:

编译设备固件

编译

idf.py build

烧录&monitor

idf.py flash monitor

设备端流程图

设备流程介绍:

当ESP32首次上电点时,首先初始化flash,PSRAM的外围设备
按照配置连接Wifi
同时监听IO, 此DEMO坚挺的事GPIO15,实际生产中可以时GPIO,I2S等任何IO
Wifi连接成功后,通过mqtt 客户端连接iot core服务获取服务端消息
如果有消息进入消息队列
根据消息队列里的消息类型,执行设备控制或消息上报等操作
消息队列消息完成,即刻进入低功耗的deep sleep 模式
指导timer唤起重新获取服务端消息,或被监听的GPIO事件唤起

设备端日志

被timer从deep sleep模式唤醒 --> 检查消息队列 --> pub to IoT --> 再进入deep sleep

功耗对比

正常工作模式,电流为120mA

进入低功耗的Deep Sleep 模式, 工作电流为 10mA

结论

通过将IoT SDK的代码移植到功耗较小的MCU上,并且使用定期上报和事件唤醒的方式,可以有效的控制IoT设备功耗,增加使用时长. 从工作电流来比较,功耗仅为长期保持连接的10%左右.

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