ESP8266 耗電實驗

繼續我的定期炸彈電子鐘研發，前後搞了快兩個多月，電池續航力不佳一事始終未見起色。最早的網路校時版可以撐 50-60 小時，之後加了光敏電阻改成浴室開燈才顯示卻只多撐半天。後來想說無線網路可能是耗電大戶，關掉網路改用 RTC 時鐘，不料使用時間反而更短。後來還試了便宜 3.7V 轉 5V 升壓板配三顆電池玩法，時間也沒變長倒是把我的 18650 鋰電池搞到過度放電。

折騰一大圈全無進展，仔細想想，我這是在瞎試呀! 沒有數據佐證，單憑直覺判斷會省電就動手。處理電腦問題時我老愛挑戰別人「為什麼要改掉 XXX 寫法，你有證據或線索指出它是瓶頸？」「要取得數字或理論當依據再動手，不要胡亂試才能快速解決問題」，對映這陣子我處理耗電問題的表現，啪! 我被自己狠狠打臉。

痛定思痛，在三用電錶探針加裝一對公母杜邦接頭好串接測量電流大小；另外做了一條中間用杜邦接頭連接的 USB 電源線，以便測量 5V 的耗電量。測量工具跟基準數據是做好效能調校的第一步，回歸讓數字說話吧!

分別測試了 32x8 LED 矩陣顯示器、RTC 時鐘模組、光敏電阻模組的耗電量(測量 3.3V 接線電流量)：

裝置名稱	作用狀態電流	閒置狀態電流
32x8 LED 點陣顯示模組	顯示時間 19.5 mA	LED 全滅 11.4 mA
光敏電阻模組	亮度超過設定值(LED 指示燈亮) 2.47 mA	黑暗環境 1.48 mA
DS3231 I2C RTC 時鐘模組	1.83 mA	N/A

LED 點陣顯示器沒想像中耗電，清除文字熄滅所有 LED 只省了 8.1 mA，而加裝光敏電阻會多耗 2.47 mA，難怪浴室熄燈關閉版沒增加多少時間。

另外，我也試了 ESP8266 + RTC 時鐘版執行期間的 USB 5V 電流量，在 setup() 初始化階段約 100mA ~ 120mA，進入 loop() 顯示時鐘階段，電量則在 45 ~ 92 mA 間跳動，我的三用電錶一秒取樣一次，也無法記錄轉成線圖，只能用眼睛採樣自已抓範圍；當光線不足 LED 點陣不顯示文字，電流範圍下降到 35 ~ 85 mA，反覆試了幾次結果倒還一致，故這組數字應有參考價值。

下一個問題是，開無線網路版會比較耗電嗎？我將程式換回網路校時版，意外發現有沒有開無線網路的電流範圍跟 RTC 時鐘版幾乎一樣，採樣頻率更高並繪成線圖或許能看出差異，但以肉眼觀察看不出來有什麼不同。我推測無線網路耗電主要發生在收發資料時，電子鐘雖然有開網路，但大部分時間沒有資料傳輸，故耗電不如想像多。

有了這些數字，就能試著推估電池續航力。依前天文章國外網友的實測，假設 3.7V 轉 5V 電池座的轉換效率是 80%，2 顆 18650 2600 mAh (3.3V)，約等於 2600 * 2 * 0.8 = 4160 mAh (5V)。若希望撐到 100 小時，平均耗電量要壓到 41.6 mA 以下；如果想一週換一次電池，耗電更要壓到 4160 / 24 / 7 = 24.76 mA 以下。

ESP8266 有個神奇的 Deep Sleep 功能，呼叫 ESP.deepSleep(毫秒數)，程式會進入深層休眠模式一段指定時間，之後 RST PIN 腳會產生一個電壓降到 0 的短暫訊號；而 NodeMCU 開發板的 D0 PIN 腳與 RESET 鈕相連，D0 收到短暫低電壓訊息等同 RESET 按鈕會觸發重開機；於是乎只要將 RST PIN 腳接到 D0 PIN 腳，ESP 便能實現指定一段時間休眠，時間到再自己叫醒自己的神奇把戲。

我用 LCD 1602 液晶顯示器做一個簡單實驗：

#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

/** 接線說明：
 * ESP8266 SCL->D1, SDA->D2, 電源要接 VU (5V)，3V 不會動
*/

LiquidCrystal_I2C	lcd(0x27,2,1,0,4,5,6,7);

void setup()
{
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  lcd.begin (16,2);
  lcd.setBacklightPin(3, POSITIVE);
  lcd.setBacklight(HIGH);
  lcd.home();                   // go home
  lcd.print("Hello, World! ");  
  lcd.setCursor ( 0, 1 );        // go to the next line
  lcd.print("darkthread.net");
}

int count = 0;

void loop()
{
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
  delay(500);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
  delay(500);
  count++;
  lcd.home();
  lcd.print(String("* Loop Count=") + String(count));
  if (count > 5) {
    lcd.clear();
    ESP.deepSleep(5e6);
  }
}

程式運行邏輯為啟動後在 LCD 顯示文字，在 loop() 中讓 LED 燈一秒閃爍一次及在 LCD 顯示計次，閃爍五次後呼叫 ESP.deepSleep(5e6) 休眠 5 秒，周而復始。實測正常閃爍期間耗電約 125 mA，休眠時則為 38 mA，耗電降到 1/3，但發現一個問題，在休眠期間，5V、3.3V 仍會正常供電，故 LCD 背光是亮的，

LCD 顯示器有關閉背光 API，但想想並非所有裝置都能透過程式關閉省電，休眠期間停掉周邊設備供電才是治本之道。放連假在家腦波格外耗弱，我做了個越級打怪的決定 - 沒用現成的繼電器或 L298N 之類的現成模組，要自己用手邊現有零件做電晶體開關。(就這麼耗去了兩天的光陰，鳴...)

電子學只懂皮毛，這種題目對我來說太難，卡關卡到快吐了。

首先是零件問題，我手邊的電晶體幾乎全是 NPN 的，常見的 NPN 開關電路，是基極有電壓時導通過電；而 ESP 休眠時，PIN 腳會呈現 3V 以上的電壓，讓 NPN 開關成為通路。PNP 是 3V 以上斷路，程式執行時將 PIN 電壓改為 0 通電，休眠時電歷上升斷路，比較符合我的需要。

翻箱倒櫃挖到幾顆不知從哪裡拆下來的 A1015 PNP 電晶體，這才有辦法繼續玩下去。我成功用 E 極接 3V、B 極接 PIN 輸出，做到 PIN 腳 LOW 時通電、PIN 腳 HIGH 或休眠時斷電的效果。

但很快遇到下一個難題，LCD1602 顯示器要用 5V 驅動，PNP 是基極低電壓時導通，ESP 休眠時 PIN 腳電壓 3V，對 5V 形成順向偏壓，繼續導通。印象中可用電阻分壓搞定，書到用時方恨少，從沒想過看自己會有需要計算電晶電流大小、分壓的一天... (我居然在看電子學計算教學)

但我很便快放棄這條路，一來是電子學計算式一向讓我厭世，二來即使算得出正確答案，我手邊不一定湊得出所需電阻值，加上沒有知識經驗判斷差距是否可接受，能不能替換，估評將會困難重重。最後我選了另一條路，先用 PNP 做出休眠 0V、開機 3V 的開關，再用它當成 NPN 的基極輸入。噗，胡搞瞎搞，居然成功了! (順便試了線上晝電路圖的網站 - Visual Paradigm)

成功將斷電降到 13 mA，比官方文件 Deep Sleep 模式聲稱的耗電量 60 µA 高出非常多，在網路討論區有看到 20 μA 到 6 mA 不等的耗電值，我猜跟開發板設計、連接裝置有關聯，但這塊再次超出我的知識範圍，朕乏了，留待以後有機會來研究。

實測影片