Deep Sleep（深度睡眠）完整教學：從原理到 STM32/ESP32 實作

前言

Deep Sleep（深度睡眠）是電池供電 IoT 裝置續航力的核心技術。一個感測器節點若 24/7 全速運行，2000 mAh 電池只能撐一天；但若善用 Deep Sleep 讓裝置在 99% 時間處於休眠狀態，續航力可長達數月甚至數年。ESP32 與 STM32 都提供多級低功耗模式，本文將從硬體架構切入，詳細解析 RTC Timer 定時喚醒、GPIO 外部喚醒、Touch 喚醒的機制與程式碼實作，並提供電池續航力估算方法。

一、為何需要 Deep Sleep？

在 IoT 應用中，裝置通常不需要持續運作：

• 感測器節點：每分鐘讀取一次溫度，其餘時間休眠
• 智慧門鎖：平時待命，只有門磁觸發或藍牙開鎖時喚醒
• 追蹤器：每小時回報一次 GPS 座標
• 氣象站：每 15 分鐘上傳一次資料

圖 6：2000 mAh 電池在不同喚醒週期下的續航力 — 每小時喚醒 1 秒可達 7.9 年

圖 1：Deep Sleep 工作週期 — Active 模式消耗 ~80 mA，Deep Sleep 僅 ~5 μA，RTC Timer 或 GPIO 喚醒

二、ESP32 低功耗模式

圖 5：ESP32 六種功耗模式 — 從 Active 的 260 mA 到斷電的 0 μA

2.1 ESP32 喚醒來源

2.2 ESP32 Timer 定時喚醒

// esp32_deep_sleep_timer.ino — 定時喚醒範例
#include 

// 定義 RTC_DATA_ATTR 變數：Deep Sleep 期間保留
RTC_DATA_ATTR int boot_count = 0;

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    delay(1000);  // 等待序列埠穩定

    boot_count++;
    Serial.printf("開機次數: %d\n", boot_count);

    // 取得喚醒原因
    esp_sleep_wakeup_cause_t cause = esp_sleep_get_wakeup_cause();
    switch (cause) {
        case ESP_SLEEP_WAKEUP_TIMER:
            Serial.println("喚醒原因: RTC Timer");
            break;
        case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT0:
            Serial.println("喚醒原因: RTC_GPIO (EXT0)");
            break;
        case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT1:
            Serial.println("喚醒原因: RTC_GPIO (EXT1)");
            break;
        case ESP_SLEEP_WAKEUP_TOUCHPAD:
            Serial.println("喚醒原因: Touch");
            break;
        case ESP_SLEEP_WAKEUP_ULP:
            Serial.println("喚醒原因: ULP Coprocessor");
            break;
        default:
            Serial.println("喚醒原因: 電源開機或復位");
    }

    // === 執行感測器讀取 ===
    float temp = read_temperature();  // 自訂感測器函式
    float hum  = read_humidity();
    Serial.printf("溫度: %.1f°C  濕度: %.1f%%\n", temp, hum);

    // === 透過 WiFi 上傳資料 ===
    WiFi.begin("SSID", "PASSWORD");
    if (WiFi.waitForConnectResult() == WL_CONNECTED) {
        HTTPClient http;
        http.begin("https://api.example.com/sensor");
        http.addHeader("Content-Type", "application/json");
        char payload[64];
        snprintf(payload, sizeof(payload), "{\"temp\":%.1f,\"hum\":%.1f}", temp, hum);
        int code = http.POST(payload);
        Serial.printf("HTTP %d\n", code);
        http.end();
        WiFi.disconnect(true);
        WiFi.mode(WIFI_OFF);
    }

    // === 設定下次喚醒時間（60 秒後） ===
    esp_sleep_enable_timer_wakeup(60 * 1000000);  // 微秒單位
    Serial.println("進入 Deep Sleep...");

    // 清除喚醒原因旗標
    esp_sleep_pd_config(ESP_PD_DOMAIN_RTC_FAST_MEM, ESP_PD_OPTION_ON);
    esp_sleep_pd_config(ESP_PD_DOMAIN_RTC_SLOW_MEM, ESP_PD_OPTION_ON);
    esp_deep_sleep_start();  // 進入睡眠（不會返回此處）
}

void loop() {
    // 永遠不會執行到這裡
}

圖 2：RTC 計數器在 Deep Sleep 期間持續計數，與警報值吻合時觸發喚醒

2.3 ESP32 GPIO 外部喚醒（EXT1）

// esp32_deep_sleep_ext1.ino — 多 GPIO 喚醒範例
#include 

#define BUTTON_PIN   GPIO_NUM_4   // GPIO4 喚醒（外部下拉）
#define DOOR_PIN     GPIO_NUM_33  // GPIO33 門磁開關

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    delay(1000);

    esp_sleep_wakeup_cause_t cause = esp_sleep_get_wakeup_cause();
    if (cause == ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT1) {
        uint64_t gpio_mask = esp_sleep_get_ext1_wakeup_status();
        if (gpio_mask & (1ULL << BUTTON_PIN)) {
            Serial.println("喚醒原因: 按鈕按下");
        }
        if (gpio_mask & (1ULL << DOOR_PIN)) {
            Serial.println("喚醒原因: 門磁觸發");
        }
    }

    // 設定 EXT1 喚醒：GPIO4 和 GPIO33，任意一個高電平喚醒
    const uint64_t ext1_mask = (1ULL << BUTTON_PIN) | (1ULL << DOOR_PIN);
    esp_sleep_enable_ext1_wakeup(ext1_mask, ESP_EXT1_WAKEUP_ANY_HIGH);

    Serial.println("進入 Deep Sleep（等待外部觸發...）");
    esp_deep_sleep_start();
}

void loop() {}

圖 3：GPIO 輸入變化被 RTC_IO 鎖存，產生喚醒脈衝使 CPU 重啟

2.4 ESP32 Touch 喚醒

// esp32_deep_sleep_touch.ino — Touch 喚醒範例
#include 

// T0 = GPIO4 (Touch pad 0)
#define TOUCH_THRESHOLD 40  // 觸碰閾值（越低越靈敏）

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    delay(1000);

    if (esp_sleep_get_wakeup_cause() == ESP_SLEEP_WAKEUP_TOUCHPAD) {
        int touch_pin = esp_sleep_get_touchpad_wakeup_status();
        Serial.printf("Touch pad %d 觸發喚醒\n", touch_pin);
    }

    // 設定 Touch pad 0 喚醒（需先讀取基準值）
    touch_pad_init();
    touch_pad_config(TOUCH_PAD_GPIO4_CHANNEL, TOUCH_THRESHOLD);
    esp_sleep_enable_touchpad_wakeup();

    Serial.println("進入 Deep Sleep（Touch 喚醒模式）...");
    esp_deep_sleep_start();
}

void loop() {}

三、ESP32 ULP 協處理器（進階）

ULP（Ultra Low Power）協處理器是 ESP32 獨有的特色：一個可在 Deep Sleep 期間獨立運作的極低功耗處理器，能執行自訂組合語言程式進行 ADC 採樣、I2C 讀取或 GPIO 控制，僅在需要時才喚醒主 CPU。

// esp32_ulp_adc.S — ULP 組合語言範例（ADC 監控）
// ULP 在 Deep Sleep 中定期讀取 ADC，超過閾值時喚醒主 CPU

/* 定義 ULP 變數存放在 RTC_SLOW_MEM */
.bss
    .global sample
    .global threshold
sample:   .long 0
threshold: .long 1800  // 3.0V × 4095 / 3.3V ≈ 1800

/* ULP 主程式入口 */
.text
    .global entry
entry:
    /* ADC 初始化（channel 0, GPIO36） */
    adc_init 0

    /* 開始 ADC 轉換 */
    adc_start 0
    adc_wait 0
    adc_read 0, sample, 12  // 讀取 12-bit ADC 值

    /* 檢查是否超過閾值 */
    move r0, sample
    lsh  r0, r0, 16   // load high 16 bits
    move r1, threshold
    lsh  r1, r1, 16
    sub  r0, r0, r1   // sample - threshold
    jumpr gt, wakeup  // 若 sample > threshold → 喚醒

    /* 未超過：繼續睡眠 */
    halt

wakeup:
    /* 喚醒主 CPU */
    wake
    halt

四、STM32 低功耗模式

STM32 提供三種低功耗模式，本文以 STM32F1/F4 為例：

圖 4：STM32 三種低功耗模式 — Sleep（最快喚醒）、Stop（平衡）、Standby（最省電）

4.1 STM32 RTC 喚醒（Stop 模式）

// stm32_rtc_stop.c — STM32 RTC 定時喚醒（Stop 模式）
#include "stm32f1xx_hal.h"

RTC_HandleTypeDef hrtc;

void HAL_MspInit(void)
{
    HAL_PWR_EnableBkUpAccess();  // 啟用備份域存取
}

void enter_stop_mode(void)
{
    // 設定 RTC 喚醒：20 秒後
    HAL_RTCEx_SetWakeUpTimer_IT(&hrtc, 20000, RTC_WAKEUPCLOCK_CK_SPRE_16BITS);

    // 進入 Stop 模式
    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
    // === 從此處繼續（喚醒後） ===

    // 重新配置系統時鐘（HSE/PLL）
    SystemClock_Config();
}

// RTC 喚醒中斷回呼
void HAL_RTCEx_WakeUpTimerEventCallback(RTC_HandleTypeDef *hrtc)
{
    // Stop 模式喚醒後，此中斷被觸發
    // 通常不需要在此做任何事，直接返回 main()
}

4.2 STM32 Standby 模式（最低功耗）

// stm32_standby.c — STM32 Standby 模式
#include "stm32f1xx_hal.h"

void enter_standby_mode(void)
{
    // 清除 Wake-up 旗標
    __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);

    // 啟用 RTC 喚醒（40 秒）
    HAL_RTCEx_SetWakeUpTimer_IT(&hrtc, 40000, RTC_WAKEUPCLOCK_CK_SPRE_16BITS);

    // 啟用 WKUP Pin (PA0) 外部喚醒
    HAL_PWR_EnableWakeUpPin(PWR_WAKEUP_PIN1);

    // 進入 Standby 模式
    HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();
    // === 不會到達此處 ===
    // Standby 喚醒等同於復位，程式從頭開始執行
}

// 檢查復位原因
void check_reset_cause(void)
{
    if (__HAL_RCC_GET_FLAG(RCC_FLAG_SFTRST)) {
        printf("軟體復位\n");
    }
    if (__HAL_PWR_GET_FLAG(PWR_FLAG_SB)) {
        printf("Standby 喚醒復位\n");
    }
    // 清除旗標
    __HAL_RCC_CLEAR_RESET_FLAGS();
    __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_SB);
}

五、ESP32 vs STM32 低功耗比較

六、生產級 Deep Sleep 設計指南

6.1 上傳資料策略

每次喚醒後上傳資料是最耗電的操作。優化策略：

• 合併資料：記錄多次讀取值後一次上傳（如每小時上傳 60 筆每分鐘資料）
• 使用快速連接：ESP32 WiFi 啟用 ESP-NOW 可省去 AP 連線時間
• 條件式上傳：只有資料變化超過閾值時才上傳
• 批次上傳：利用 RTC RAM（ESP32）或外部 EEPROM 快取資料

6.2 RTC_DATA_ATTR 變數設計

// 保留在 RTC RAM 中的資料結構
RTC_DATA_ATTR struct {
    uint32_t boot_count;       // 總開機次數
    uint32_t error_count;      // 錯誤計數	
    float    last_temperature; // 上次測量的溫度
    uint8_t  data_buffer[64];  // 資料快取區
    uint32_t crc32;            // 資料完整性檢查
} rtc_data;

// 每次喚醒後更新 RTC 資料
void save_to_rtc_mem(float temp, float hum) {
    rtc_data.boot_count++;
    rtc_data.last_temperature = temp;
    rtc_data.data_buffer[rtc_data.boot_count % 64] = (uint8_t)(temp * 10);
    rtc_data.crc32 = esp_crc32_le(0, (uint8_t*)&rtc_data, sizeof(rtc_data) - 4);
}

6.3 電源管理最佳實踐

• 關閉不必要的週邊：進入睡眠前關閉 ADC、I2C、SPI 等週邊時鐘
• GPIO 狀態管理：睡眠前將所有 GPIO 設為高阻抗輸入或固定電平，避免漏電
• 電壓調節器：ESP32 可選擇啟用 RTC 調節器（效率高但啟動慢）或數位調節器（反之）
• Flash 斷電：ESP32 在 Deep Sleep 前自動斷開 Flash 電源，但若使用外部 Flash 則需手動控制
• WiFi 完全關閉：esp_deep_sleep_start() 前呼叫 WiFi.disconnect(true) 和 WiFi.mode(WIFI_OFF)
• RTC 記憶體選擇：只在 RTC_SLOW_MEM 保留必要資料，RTC_FAST_MEM 可關閉節電

七、總結

Deep Sleep 是 IoT 裝置從「桌上原型」走向「實際部署」的關鍵技術。本文涵蓋了 ESP32 的五種喚醒來源與完整的 Arduino/IDF 程式碼、STM32 三級低功耗模式的 HAL 實作，以及電池續航力的估算方法。關鍵在於：每次喚醒都在「做事」，每次睡眠都在「省電」 — 正確設計喚醒週期、資料上傳策略與 GPIO 狀態管理，就能讓你的感測器節點以一顆電池運行數年。