2e5001f0d1
- Tasten-Sequenz: BOOT halten → RESET → BOOT loslassen - Erforderlich für erfolgreichen Firmware-Upload - LED-Indikator für Bootloader-Modus (grünes Blinken) - Pin-Positionen auf DevKit dokumentiert
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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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│ PowerProfiler Kit II (extern) │
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│ ┌─────────────────┬─────────────────┐ │
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│ │ Stromquelle │ Strommessung │ │
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│ │ (VDD) │ (Datenerfassung│ │
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│ └────────┬────────┴────────┬────────┘ │
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└──────────────┼────────────────┼───────────────────────┘
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│ │
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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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↓
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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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## 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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│ Power-On Reset │
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│ oder RTC-Timer Wakeup │
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└────────────────────┬────────────────────────────────┘
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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) │
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│ ACTIVE_DURATION_MS warten │
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│ (Standard: 5000ms = 5s) │
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└────────┬───────────────────┘
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↓
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┌──────────────────────────────────────┐
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│ 4. Cycle-Status ausgeben │
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│ 5. Sleep-Dauer ankündigen │
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│ 6. Serial-Buffer leeren (flush) │
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└──────────┬───────────────────────────┘
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↓
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┌──────────────────────────────────────┐
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│ esp_sleep_enable_timer_wakeup() │
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│ (SLEEP_DURATION_S * 1.000.000 µs) │
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│ Standard: 30 Sekunden │
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└──────────┬───────────────────────────┘
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↓
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┌──────────────────────────────────────┐
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│ LED ausschalten (LOW) │
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│ esp_deep_sleep_start() │
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│ → CPU-Halt, nur RTC läuft │
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└──────────┬───────────────────────────┘
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↓
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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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↓
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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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**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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```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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// 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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// 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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Gesamtdauer pro Zyklus = SLEEP_DURATION_S + (ACTIVE_DURATION_MS / 1000)
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= 30 + 5 = 35 Sekunden (Beispiel)
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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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```cpp
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RTC_DATA_ATTR uint32_t bootCount = 0;
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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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### Ablauf
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```
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Boot #1: bootCount=1, Deep Sleep 30s
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Boot #2: bootCount=2 (erhalten!), Deep Sleep 30s
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Boot #3: bootCount=3 (erhalten!), Deep Sleep 30s
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...
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Boot #10: bootCount=10, fertig
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```
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## 6. Serial-Debug-Output
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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 ===
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Boot #2
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Reset Reason: 5
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Cycle: 2/20 | WiFi: OFF
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||
Going to sleep for 30 seconds...
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[weitere Zyklen...]
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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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### Serial-Monitoring
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**Voraussetzung**: ESP32-C3 per USB mit Computer verbunden (bleibt angesteckt während der Messung).
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```bash
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# Terminal-Verbindung starten (115200 Baud)
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pio device monitor -b 115200
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# ESP32-spezifische Exception-Dekodierung
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pio device monitor -b 115200 --filter=esp32_exception_decoder
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```
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Mit `Ctrl+C` beenden.
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## 7. Power-Measurement-Prozess
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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) │
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└────────────┬─────────────────────────────┘
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↓
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┌──────────────────────────────────────────┐
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│ PowerProfiler Kit II via USB anschließen│
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│ → Firmware kalibrieren & starten │
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└────────────┬─────────────────────────────┘
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↓
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┌──────────────────────────────────────────┐
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│ ESP32-C3 per Micro-USB anschließen │
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│ (bleibt während Messung angesteckt) │
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└────────────┬─────────────────────────────┘
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↓
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┌──────────────────────────────────────────┐
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│ Recording starten (PowerProfiler App) │
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│ → Profiler erfasst Stromkurve │
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└────────────┬─────────────────────────────┘
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↓
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┌──────────────────────────────────────────┐
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│ Firmware hochladen (pio run -t upload) │
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│ → Firmware startet automatisch │
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└────────────┬─────────────────────────────┘
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↓
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┌──────────────────────────────────────────┐
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│ Firmware läuft Zyklen (Stromzustandsändr.│
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│ → Power Profiler erfasst Daten │
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│ → Serial Monitor zeigt Milestones │
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└────────────┬─────────────────────────────┘
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↓
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┌──────────────────────────────────────────┐
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│ Nach TOTAL_CYCLES: Gerät bleibt im │
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│ Deep Sleep (RTC Timer wartet) │
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│ → Recording stoppen │
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│ → Messungen exportieren/analysieren │
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└──────────────────────────────────────────┘
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```
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### Messgröße und Genauigkeit
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- **PowerProfiler Kit II Genauigkeit**: µA-Bereich (Mikro-Ampere)
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- **Samplingrate**: App-abhängig (typisch: 1 kHz oder mehr)
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- **Zeitsynchronisation**: Serial-Output (Boot/Sleep-Ankündigung) korreliert mit Stromkurve
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- **A/B-Test**: Vergleich Cycle 1 (WiFi-ON) vs. Cycle 2 (WiFi-OFF) zeigt WiFi-Stromverbrauch
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## 8. Erweiterungsmöglichkeiten
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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);
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// Stromaufnahme während WiFi-Verbindung messen
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}
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```
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### 2. BLE statt WiFi
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```cpp
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#include <BLEDevice.h>
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// BLE-Beacon oder Scan für höhere Stromaufnahme als WiFi
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```
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### 3. GPIO-Trigger für genaue Timing
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```cpp
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// Pin 9 als Wakeup-Quelle statt nur Timer
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esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_9, 0);
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### 4. Längere Messserien
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Erhöhen Sie `TOTAL_CYCLES` für längere Messzeiten (z. B. 100 Zyklen = ~58 min bei 35s Periode).
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## 9. Troubleshooting
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| Problem | Ursache | Lösung |
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|:---|:---|:---|
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| Gerät startet nicht | Zu viel Strom beim Upload | PowerProfiler ausschalten, dann erneut hochladen |
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| Keine Serial-Ausgabe | Falsche Baud-Rate | Auf 115200 Baud stellen |
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| bootCount setzt sich zurück | Stromunterversorgung | PowerProfiler-Verbindung prüfen |
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| Unerwartetes Wakeup | GPIO-Interferenz | GPIO-Wakeup deaktivieren |
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| Stromzustandssprünge | WiFi-Activity | WIFI_ENABLED_CYCLE Flags prüfen |
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## 10. Zusammenfassung: Messprinzip
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1. **Setup**: PowerProfiler Kit II liefert Strom, nRF App erfasst Stromkurve
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2. **Firmware-Laden**: Enthält Konfiguration (Sleep-/Wakeup-Parameter, WiFi-Flags)
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3. **Boot-Zyklus**: Jeder Boot inkrementiert `bootCount`, wartet `ACTIVE_DURATION_MS`, schläft dann `SLEEP_DURATION_S`
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4. **RTC-Memory**: Erhält `bootCount` über Sleep-Phasen
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5. **Messdaten**: Stromkurve vom PowerProfiler + Serial-Milestones vom ESP32 → Korrelation = genaues Profil
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6. **A/B-Test**: Erste Messung (WiFi-ON) vs. zweite Messung (WiFi-OFF) direkt vergleichbar
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## Bootloader-Modus (für Upload)
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Der ESP32-C3 muss sich im Bootloader-Modus befinden, um neue Firmware zu akzeptieren:
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### Aktivierung
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1. BOOT-Taste drücken + halten
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2. RESET-Taste drücken + loslassen
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3. BOOT-Taste auch loslassen
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4. LED blinkt grün → Bootloader aktiv
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### Pins auf dem ESP32-C3-DevKitM-1
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- **BOOT**: GPIO0 (links neben USB)
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- **RESET**: Oben rechts (neben BOOT)
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Beide Tasten sind Druck-Schalter. Sequenz muss genau eingehalten werden.
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## Dateien & Verzeichnisse
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ESP32C3-ULP/
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├── src/
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│ └── main.cpp ← Hauptfirmware
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├── include/
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│ └── config.h ← Alle Konfigurationsparameter
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├── platformio.ini ← PlatformIO-Konfiguration
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├── README.md ← Kurze Anleitung
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├── CLAUDE.md ← Hinweise für Claude Code
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└── docs/
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└── Info.md ← Diese Datei
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**Version**: 1.1
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**Letztes Update**: 19.04.2026
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**Autor**: Projekt-Dokumentation
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