Implementiere WiFi-Integration und Projektverbesserungen
- WiFi-Aktivierung für A/B-Test (bootCount ungerade = WiFi ON, gerade = WiFi OFF) - Zyklusende nach TOTAL_CYCLES*2 Boots implementiert - SERIAL_DEBUG-Guards für alle Debug-Ausgaben hinzugefügt - Secrets-Schutz: config.h in .gitignore, config_example.h als Template - Funktionsfehler behoben: esp_reset_cause → esp_reset_reason - Dokumentation aktualisiert (README, Info.md, CLAUDE.md) - USB-Anforderungen für Upload und Serial Monitor dokumentiert
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c1936e089d
commit
58b386b012
6
.gitignore
vendored
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6
.gitignore
vendored
Normal file
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@ -0,0 +1,6 @@
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.pio
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.vscode/.browse.c_cpp.db*
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.vscode/c_cpp_properties.json
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.vscode/launch.json
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.vscode/ipch
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include/config.h
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51
CLAUDE.md
Normal file
51
CLAUDE.md
Normal file
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@ -0,0 +1,51 @@
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# CLAUDE.md
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This file provides guidance to Claude Code (claude.ai/code) when working with code in this repository.
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## Project Overview
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ESP32-C3 firmware for measuring power consumption across different sleep states using a PowerProfiler Kit II. The firmware cycles between active periods (5s, LED on) and deep sleep (30s, minimal power), with optional WiFi enabling for A/B testing.
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## Build & Development
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All commands use PlatformIO. Board: `esp32-c3-devkitm-1`, Framework: Arduino
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```bash
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# Build firmware
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pio run -e esp32-c3-devkitm-1
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# Upload to device
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pio run -e esp32-c3-devkitm-1 -t upload
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# Monitor serial output (115200 baud)
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pio device monitor -b 115200
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# Clean build artifacts
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pio run -e esp32-c3-devkitm-1 -t clean
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```
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## Architecture
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**Single-purpose firmware** with execution entirely in `setup()` — `loop()` is never reached due to `esp_deep_sleep_start()`.
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**Key design pattern**: RTC memory persistence via `RTC_DATA_ATTR` variables (e.g., `bootCount`) survive deep sleep resets, allowing multi-cycle experiments without external state.
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**Control flow**:
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1. Boot → increment RTC counter
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2. Report reset reason and cycle status
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3. LED on for `ACTIVE_DURATION_MS`
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4. Configure timer wakeup for `SLEEP_DURATION_S`
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5. Enter deep sleep (CPU halts, only RTC timer remains)
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6. Auto-wakeup via RTC timer → restart from boot
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**Configuration** (all in `include/config.h`):
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- `SLEEP_DURATION_S`: Deep sleep interval
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- `ACTIVE_DURATION_MS`: Time spent awake (measurement window)
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- `TOTAL_CYCLES`: Number of complete cycles to run
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- `WIFI_ENABLED_CYCLE_1/2`: Alternating WiFi on/off for A/B measurement comparison
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Serial debug output includes reset reason code (5 = DEEPSLEEP_RESET) for timing validation and cycle tracking.
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## Power Measurement Setup
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Device connects via PowerProfiler Kit II (supplies power + measures current). Use nRF Power Profiler app on host to record measurements. Firmware will cycle autonomously once uploaded; each boot generates serial output for correlation with profiler traces.
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||||
23
README.md
23
README.md
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@ -9,29 +9,42 @@ Dieses PlatformIO-Projekt misst die Stromaufnahme eines ESP32-C3 in verschiedene
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- **UART (Optional)** → RX/TX für Debug-Output
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### 2. Konfiguration
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Datei `include/config.h` anpassen:
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Datei `include/config_example.h` kopieren zu `include/config.h` und anpassen:
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```bash
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cp include/config_example.h include/config.h
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```
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Dann in `include/config.h` bearbeiten:
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- `SLEEP_DURATION_S`: Deep Sleep Dauer (Standard: 30s)
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- `ACTIVE_DURATION_MS`: Zeit wach (Standard: 5s)
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- `WIFI_SSID/WIFI_PASSWORD`: WLAN Credentials falls benötigt
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- `WIFI_SSID/WIFI_PASSWORD`: Deine WLAN Credentials eintragen
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- `TOTAL_CYCLES`: Anzahl Messvorgänge
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**⚠️ Wichtig**: `config.h` ist in `.gitignore` aufgeführt — Credentials werden nicht in git committed.
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### 3. Kompilieren & Hochladen
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**Voraussetzung**: ESP32-C3 per **Micro-USB** mit Computer verbinden
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In VSCode mit PlatformIO:
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```
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Ctrl+Shift+P → PlatformIO: Build
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Ctrl+Shift+P → PlatformIO: Upload
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Ctrl+Shift+P → PlatformIO: Build (USB nicht nötig)
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Ctrl+Shift+P → PlatformIO: Upload (USB erforderlich!)
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```
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Oder Terminal:
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```bash
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pio run -e esp32-c3-devkitm-1 -t upload
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pio run -e esp32-c3-devkitm-1 # Kompilieren
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pio run -e esp32-c3-devkitm-1 -t upload # Hochladen (USB erforderlich!)
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```
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### 4. Serial Monitor
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||||
**Voraussetzung**: ESP32-C3 bleibt per USB angesteckt
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```bash
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pio device monitor -b 115200
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```
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Zeigt Echtzeit-Debug-Ausgabe der laufenden Firmware. Mit `Ctrl+C` beenden.
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## Messbetrieb
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||||
Das Programm läuft automatisch in Zyklen:
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367
docs/Info.md
Normal file
367
docs/Info.md
Normal file
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@ -0,0 +1,367 @@
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# ESP32-C3 Power Measurement Projekt – Dokumentation
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## Projektübersicht
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Dieses Projekt misst die **Stromaufnahme eines ESP32-C3** in verschiedenen Betriebszuständen mithilfe des **PowerProfiler Kit II** von Nordic Semiconductor. Das Ziel ist es, das Stromverbrauchsprofil des Mikrocontrollers unter verschiedenen Bedingungen (Deep Sleep, aktiv, mit/ohne WLAN) zu charakterisieren.
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## 1. Systemarchitektur
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```
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┌─────────────────────────────────────────────────────┐
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||||
│ PowerProfiler Kit II (extern) │
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│ ┌─────────────────┬─────────────────┐ │
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||||
│ │ Stromquelle │ Strommessung │ │
|
||||
│ │ (VDD) │ (Datenerfassung│ │
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||||
│ └────────┬────────┴────────┬────────┘ │
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||||
└──────────────┼────────────────┼───────────────────────┘
|
||||
│ │
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||||
↓ ↓
|
||||
┌─────────────────────────────┐
|
||||
│ ESP32-C3 DevKit │
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||||
│ │
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||||
│ ┌───────────────────────┐ │
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||||
│ │ Firmware (Arduino) │ │
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||||
│ │ │ │
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||||
│ │ • RTC-Memory │ │
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||||
│ │ • Deep Sleep Timer │ │
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||||
│ │ • GPIO/LED Control │ │
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||||
│ │ • Serial Debug │ │
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||||
│ └───────────────────────┘ │
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||||
│ │
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||||
└─────────────────────────────┘
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||||
↓
|
||||
┌─────────────────────────────┐
|
||||
│ nRF Power Profiler App │
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||||
│ (Windows/macOS/Linux) │
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||||
│ → Grafische Messdaten │
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||||
└─────────────────────────────┘
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||||
```
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---
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## 2. Hardware-Verbindungen
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### PowerProfiler Kit II ↔ ESP32-C3
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| PowerProfiler Signal | ESP32-C3 Pin | Funktion |
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|:---|:---|:---|
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| **GND** | GND | Masse |
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| **VDD** | 5V / 3V3 | Stromversorgung |
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||||
| **USB (zur Host-PC)** | — | Datenübertragung & Kalibrierung |
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### ESP32-C3 GPIO (Optional)
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| GPIO | Funktion | Status |
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|:---|:---|:---|
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| **GPIO 2 (LED_BUILTIN)** | Status-LED | High = aktiv, Low = deep sleep |
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||||
| **GPIO 9 (RX)** | Externe Wakeup (optional) | Konfigurierbar in main.cpp |
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||||
| **GPIO 20 (TX) / GPIO 21 (RX)** | Serial Monitor (UART) | 115200 Baud |
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||||
**Aktuelle Konfiguration**: Deep Sleep wird nur per Timer ausgelöst, GPIO-Wakeup ist optional.
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## 3. Firmware-Ausführungsfluss
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### Übersicht: Boot-Zyklus
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```
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┌─────────────────────────────────────────────────────┐
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||||
│ Power-On Reset │
|
||||
│ oder RTC-Timer Wakeup │
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└────────────────────┬────────────────────────────────┘
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↓
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||||
┌────────────────────────────┐
|
||||
│ setup() wird ausgeführt │
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||||
│ (loop() läuft nie!) │
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└────────┬───────────────────┘
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||||
↓
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||||
┌─────────────────────────────────┐
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||||
│ 1. Serial initialisieren │
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||||
│ 2. bootCount++ (RTC-Speicher) │
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||||
│ 3. Boot-Information ausgeben: │
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│ • Boot-Nummer │
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│ • Reset-Grund │
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||||
│ • Aktuelle Cycle-Nr. │
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||||
│ • WiFi-Status │
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└────────────┬────────────────────┘
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||||
↓
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||||
┌────────────────────────────┐
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||||
│ LED einschalten (HIGH) │
|
||||
│ ACTIVE_DURATION_MS warten │
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||||
│ (Standard: 5000ms = 5s) │
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||||
└────────┬───────────────────┘
|
||||
↓
|
||||
┌──────────────────────────────────────┐
|
||||
│ 4. Cycle-Status ausgeben │
|
||||
│ 5. Sleep-Dauer ankündigen │
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||||
│ 6. Serial-Buffer leeren (flush) │
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||||
└──────────┬───────────────────────────┘
|
||||
↓
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||||
┌──────────────────────────────────────┐
|
||||
│ esp_sleep_enable_timer_wakeup() │
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||||
│ (SLEEP_DURATION_S * 1.000.000 µs) │
|
||||
│ Standard: 30 Sekunden │
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||||
└──────────┬───────────────────────────┘
|
||||
↓
|
||||
┌──────────────────────────────────────┐
|
||||
│ LED ausschalten (LOW) │
|
||||
│ esp_deep_sleep_start() │
|
||||
│ → CPU-Halt, nur RTC läuft │
|
||||
└──────────┬───────────────────────────┘
|
||||
↓
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||||
[DEEP SLEEP]
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Dauer: SLEEP_DURATION_S
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||||
Stromaufnahme: µA-Bereich
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||||
↓
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┌──────────────────────────────────────┐
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||||
│ RTC-Timer läuft ab → Wakeup │
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||||
│ Reset-Grund: DEEPSLEEP_RESET (Code) │
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||||
│ bootCount bleibt erhalten │
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└──────────┬───────────────────────────┘
|
||||
↓
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||||
[Rückkehr zu setup()]
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||||
← Der Zyklus beginnt von vorne
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```
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||||
### Reset-Ursachen (esp_reset_cause)
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||||
| Code | Bedeutung | Häufigkeit |
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|:---|:---|:---|
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| **1** | Power-On Reset | Einmalig beim Start |
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||||
| **5** | Deep Sleep Reset | Jeder Wakeup aus Timer |
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||||
| **6** | GPIO Reset (ext. Wakeup) | Nur mit GPIO-Konfiguration |
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||||
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||||
**Wichtig**: Die Firmware prüft die Reset-Ursache, um zwischen erstem Boot und regelmäßigen Wakeups zu unterscheiden.
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||||
## 4. Konfigurationsparameter
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||||
Alle Einstellungen befinden sich in `include/config.h`:
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||||
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||||
```c
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||||
// Zyklusparameter
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||||
#define SLEEP_DURATION_S 30 // Deep Sleep Dauer [Sekunden]
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||||
#define ACTIVE_DURATION_MS 5000 // Aktive Zeit [Millisekunden]
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||||
#define TOTAL_CYCLES 10 // Anzahl Messzyklen
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||||
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||||
// WLAN-Parameter
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||||
#define WIFI_SSID "YOUR_SSID"
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||||
#define WIFI_PASSWORD "YOUR_PASSWORD"
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||||
#define WIFI_ENABLED_CYCLE_1 true // A/B-Test: Erste Messung MIT WLAN
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||||
#define WIFI_ENABLED_CYCLE_2 false // A/B-Test: Zweite Messung OHNE WLAN
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||||
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||||
// Debug
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||||
#define SERIAL_DEBUG 1 // Serial-Output aktivieren
|
||||
```
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||||
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||||
### Berechnete Werte
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||||
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||||
```
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||||
Gesamtdauer pro Zyklus = SLEEP_DURATION_S + (ACTIVE_DURATION_MS / 1000)
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||||
= 30 + 5 = 35 Sekunden (Beispiel)
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||||
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||||
Gesamtmessdauer = TOTAL_CYCLES × Gesamtdauer pro Zyklus
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||||
= 10 × 35 = 350 Sekunden ≈ 5,8 Minuten
|
||||
```
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||||
---
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||||
## 5. RTC-Memory (Datenpersistierung über Sleep)
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||||
### Was ist RTC-Memory?
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||||
RTC = **Real Time Clock**. Während Deep Sleep sind fast alle Komponenten des ESP32-C3 ausgeschaltet, aber der RTC-Timer läuft mit minimalem Stromverbrauch weiter. RTC-Memory behält seinen Zustand.
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||||
### Verwendung im Projekt
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||||
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||||
```cpp
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||||
RTC_DATA_ATTR uint32_t bootCount = 0;
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||||
```
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||||
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||||
- **RTC_DATA_ATTR**: Speichert die Variable in RTC-Memory
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||||
- **bootCount**: Wird bei jedem Boot inkrementiert, bleibt über Deep Sleep erhalten
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||||
- **Nutzen**: Tracking der Messvorgänge ohne externe Speicherung
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||||
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||||
### Ablauf
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||||
|
||||
```
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||||
Boot #1: bootCount=1, Deep Sleep 30s
|
||||
Boot #2: bootCount=2 (erhalten!), Deep Sleep 30s
|
||||
Boot #3: bootCount=3 (erhalten!), Deep Sleep 30s
|
||||
...
|
||||
Boot #10: bootCount=10, fertig
|
||||
```
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||||
|
||||
---
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||||
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||||
## 6. Serial-Debug-Output
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||||
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||||
### Beispiel-Ausgabe
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||||
```
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||||
=== ESP32-C3 Power Measurement ===
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||||
Boot #1
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||||
Reset Reason: 5
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||||
Cycle: 1/20 | WiFi: ON
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||||
Going to sleep for 30 seconds...
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||||
|
||||
=== ESP32-C3 Power Measurement ===
|
||||
Boot #2
|
||||
Reset Reason: 5
|
||||
Cycle: 2/20 | WiFi: OFF
|
||||
Going to sleep for 30 seconds...
|
||||
|
||||
[weitere Zyklen...]
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||||
```
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||||
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||||
### Ausgabe-Bedeutung
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||||
| Feld | Erklärung |
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|:---|:---|
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| **Boot #X** | Seitwert seit Erstes Einschalten |
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||||
| **Reset Reason: 5** | DEEPSLEEP_RESET = regulärer Wakeup |
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||||
| **Cycle: X/20** | Aktuelle Messposition / Gesamtanzahl |
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||||
| **WiFi: ON/OFF** | A/B-Test-Status: Ist WLAN aktiviert? |
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||||
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||||
### Serial-Monitoring
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||||
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||||
**Voraussetzung**: ESP32-C3 per USB mit Computer verbunden (bleibt angesteckt während der Messung).
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||||
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||||
```bash
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||||
# Terminal-Verbindung starten (115200 Baud)
|
||||
pio device monitor -b 115200
|
||||
|
||||
# ESP32-spezifische Exception-Dekodierung
|
||||
pio device monitor -b 115200 --filter=esp32_exception_decoder
|
||||
```
|
||||
|
||||
Mit `Ctrl+C` beenden.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 7. Power-Measurement-Prozess
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||||
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||||
### Physikalischer Ablauf
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||||
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||||
```
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||||
┌──────────────────────────────────────────┐
|
||||
│ nRF Power Profiler App öffnen (Host-PC) │
|
||||
└────────────┬─────────────────────────────┘
|
||||
↓
|
||||
┌──────────────────────────────────────────┐
|
||||
│ PowerProfiler Kit II via USB anschließen│
|
||||
│ → Firmware kalibrieren & starten │
|
||||
└────────────┬─────────────────────────────┘
|
||||
↓
|
||||
┌──────────────────────────────────────────┐
|
||||
│ ESP32-C3 per Micro-USB anschließen │
|
||||
│ (bleibt während Messung angesteckt) │
|
||||
└────────────┬─────────────────────────────┘
|
||||
↓
|
||||
┌──────────────────────────────────────────┐
|
||||
│ Recording starten (PowerProfiler App) │
|
||||
│ → Profiler erfasst Stromkurve │
|
||||
└────────────┬─────────────────────────────┘
|
||||
↓
|
||||
┌──────────────────────────────────────────┐
|
||||
│ Firmware hochladen (pio run -t upload) │
|
||||
│ → Firmware startet automatisch │
|
||||
└────────────┬─────────────────────────────┘
|
||||
↓
|
||||
┌──────────────────────────────────────────┐
|
||||
│ Firmware läuft Zyklen (Stromzustandsändr.│
|
||||
│ → Power Profiler erfasst Daten │
|
||||
│ → Serial Monitor zeigt Milestones │
|
||||
└────────────┬─────────────────────────────┘
|
||||
↓
|
||||
┌──────────────────────────────────────────┐
|
||||
│ Nach TOTAL_CYCLES: Gerät bleibt im │
|
||||
│ Deep Sleep (RTC Timer wartet) │
|
||||
│ → Recording stoppen │
|
||||
│ → Messungen exportieren/analysieren │
|
||||
└──────────────────────────────────────────┘
|
||||
```
|
||||
|
||||
### Messgröße und Genauigkeit
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||||
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||||
- **PowerProfiler Kit II Genauigkeit**: µA-Bereich (Mikro-Ampere)
|
||||
- **Samplingrate**: App-abhängig (typisch: 1 kHz oder mehr)
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||||
- **Zeitsynchronisation**: Serial-Output (Boot/Sleep-Ankündigung) korreliert mit Stromkurve
|
||||
- **A/B-Test**: Vergleich Cycle 1 (WiFi-ON) vs. Cycle 2 (WiFi-OFF) zeigt WiFi-Stromverbrauch
|
||||
|
||||
---
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||||
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||||
## 8. Erweiterungsmöglichkeiten
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||||
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||||
### 1. WiFi-Aktivierung
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||||
```cpp
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||||
if (wifiEnabled) {
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||||
WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD);
|
||||
// Stromaufnahme während WiFi-Verbindung messen
|
||||
}
|
||||
```
|
||||
|
||||
### 2. BLE statt WiFi
|
||||
```cpp
|
||||
#include <BLEDevice.h>
|
||||
// BLE-Beacon oder Scan für höhere Stromaufnahme als WiFi
|
||||
```
|
||||
|
||||
### 3. GPIO-Trigger für genaue Timing
|
||||
```cpp
|
||||
// Pin 9 als Wakeup-Quelle statt nur Timer
|
||||
esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_9, 0);
|
||||
```
|
||||
|
||||
### 4. Längere Messserien
|
||||
Erhöhen Sie `TOTAL_CYCLES` für längere Messzeiten (z. B. 100 Zyklen = ~58 min bei 35s Periode).
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||||
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||||
---
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||||
|
||||
## 9. Troubleshooting
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||||
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||||
| Problem | Ursache | Lösung |
|
||||
|:---|:---|:---|
|
||||
| Gerät startet nicht | Zu viel Strom beim Upload | PowerProfiler ausschalten, dann erneut hochladen |
|
||||
| Keine Serial-Ausgabe | Falsche Baud-Rate | Auf 115200 Baud stellen |
|
||||
| bootCount setzt sich zurück | Stromunterversorgung | PowerProfiler-Verbindung prüfen |
|
||||
| Unerwartetes Wakeup | GPIO-Interferenz | GPIO-Wakeup deaktivieren |
|
||||
| Stromzustandssprünge | WiFi-Activity | WIFI_ENABLED_CYCLE Flags prüfen |
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 10. Zusammenfassung: Messprinzip
|
||||
|
||||
1. **Setup**: PowerProfiler Kit II liefert Strom, nRF App erfasst Stromkurve
|
||||
2. **Firmware-Laden**: Enthält Konfiguration (Sleep-/Wakeup-Parameter, WiFi-Flags)
|
||||
3. **Boot-Zyklus**: Jeder Boot inkrementiert `bootCount`, wartet `ACTIVE_DURATION_MS`, schläft dann `SLEEP_DURATION_S`
|
||||
4. **RTC-Memory**: Erhält `bootCount` über Sleep-Phasen
|
||||
5. **Messdaten**: Stromkurve vom PowerProfiler + Serial-Milestones vom ESP32 → Korrelation = genaues Profil
|
||||
6. **A/B-Test**: Erste Messung (WiFi-ON) vs. zweite Messung (WiFi-OFF) direkt vergleichbar
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## Dateien & Verzeichnisse
|
||||
|
||||
```
|
||||
ESP32C3-ULP/
|
||||
├── src/
|
||||
│ └── main.cpp ← Hauptfirmware
|
||||
├── include/
|
||||
│ └── config.h ← Alle Konfigurationsparameter
|
||||
├── platformio.ini ← PlatformIO-Konfiguration
|
||||
├── README.md ← Kurze Anleitung
|
||||
├── CLAUDE.md ← Hinweise für Claude Code
|
||||
└── docs/
|
||||
└── Info.md ← Diese Datei
|
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**Version**: 1.0
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**Letztes Update**: 19.04.2026
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**Autor**: Projekt-Dokumentation
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19
include/config_example.h
Normal file
19
include/config_example.h
Normal file
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@ -0,0 +1,19 @@
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#ifndef CONFIG_H
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#define CONFIG_H
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// Zyklusparameter
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#define SLEEP_DURATION_S 30 // Deep Sleep Dauer in Sekunden
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#define ACTIVE_DURATION_MS 5000 // Aktive Zeit in Millisekunden
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#define TOTAL_CYCLES 10 // Gesamte Anzahl Zyklen
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// WLAN Parameter (kann per Schleife ändern)
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// HINWEIS: Kopiere diese Datei zu config.h und trage deine echten Credentials ein!
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#define WIFI_SSID "YOUR_SSID"
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#define WIFI_PASSWORD "YOUR_PASSWORD"
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#define WIFI_ENABLED_CYCLE_1 true // Erstes Experiment: WLAN aktiviert
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#define WIFI_ENABLED_CYCLE_2 false // Zweites Experiment: WLAN deaktiviert
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// Debug Output
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#define SERIAL_DEBUG 1
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#endif
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38
src/main.cpp
38
src/main.cpp
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@ -7,14 +7,16 @@
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RTC_DATA_ATTR uint32_t bootCount = 0;
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void setup() {
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#if SERIAL_DEBUG
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Serial.begin(115200);
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delay(500);
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bootCount++;
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Serial.println("\n\n=== ESP32-C3 Power Measurement ===");
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Serial.printf("Boot #%lu\n", bootCount);
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Serial.printf("Reset Reason: %d\n", esp_reset_cause());
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Serial.printf("Reset Reason: %d\n", esp_reset_reason());
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#endif
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bootCount++;
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// GPIO initialisieren (optional, für externe Trigger/Status-LED)
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pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
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@ -27,12 +29,40 @@ void setup() {
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uint32_t currentCycle = (bootCount - 1) % (TOTAL_CYCLES * 2);
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bool wifiEnabled = (bootCount % 2 == 1) ? WIFI_ENABLED_CYCLE_1 : WIFI_ENABLED_CYCLE_2;
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#if SERIAL_DEBUG
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Serial.printf("Cycle: %lu/%u | WiFi: %s\n", currentCycle + 1, TOTAL_CYCLES * 2,
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wifiEnabled ? "ON" : "OFF");
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#endif
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// Vor Sleep: Statistiken ausgeben
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// WiFi aktivieren falls konfiguriert
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if (wifiEnabled) {
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WiFi.mode(WIFI_STA);
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WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD);
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uint8_t attempts = 0;
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while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && attempts < 20) {
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delay(500);
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attempts++;
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}
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#if SERIAL_DEBUG
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Serial.printf("WiFi: %s\n", WiFi.status() == WL_CONNECTED ? "Connected" : "Failed");
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#endif
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WiFi.disconnect(true);
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WiFi.mode(WIFI_OFF);
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}
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#if SERIAL_DEBUG
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Serial.printf("Going to sleep for %d seconds...\n", SLEEP_DURATION_S);
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Serial.flush();
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#endif
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// Nach allen Zyklen beenden
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if (bootCount >= TOTAL_CYCLES * 2) {
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#if SERIAL_DEBUG
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Serial.println("Alle Zyklen abgeschlossen. Gerät bleibt wach.");
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||||
Serial.flush();
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#endif
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while (true) { delay(1000); }
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}
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// Deep Sleep mit Timer-Wakeup
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esp_sleep_enable_timer_wakeup(SLEEP_DURATION_S * 1000000ULL);
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