1. Giới thiệu nhanh

Khi làm việc với các ứng dụng IoT, tiết kiệm năng lượng luôn là một yếu tố cực kỳ quan trọng. Tuy nhiên, với những bạn mới bắt đầu tiếp cận – đặc biệt là khi mới sử dụng RTOS – thường dễ gặp phải một số vấn đề khi cố gắng tối ưu điện năng, chẳng hạn như:

• Dùng delay thật dài và nghĩ rằng như vậy là đã tiết kiệm điện, vì cho rằng khi delay thì MCU sẽ “ngủ” – thực tế thì chưa chắc!
• Chọn sai chế độ sleep, dẫn đến việc tiết kiệm không hiệu quả hoặc thậm chí chẳng tiết kiệm được gì.
• Cấu hình chưa đúng với mục tiêu mong muốn, khiến hệ thống không hoạt động như kỳ vọng.

Trong bài viết này, mình sẽ dùng ESP32 để minh họa cách tiết kiệm năng lượng hiệu quả. Với bạn nào chưa biết: ESP32 là một MCU khá mạnh, có tích hợp Wi-Fi, Bluetooth và hai lõi xử lý (XTensa hoặc RISC-V). Nhưng đi kèm với hiệu năng cao là mức tiêu thụ điện năng cũng khá lớn (thường từ 27–44 mA ở 160 MHz), điều này khiến nó không thật sự lý tưởng cho các ứng dụng IoT chạy bằng pin trong thời gian dài nếu không có biện pháp tiết kiệm phù hợp.

Vì vậy, để tối ưu năng lượng, cần tận dụng các cơ chế mà ESP-IDF và FreeRTOS đã hỗ trợ sẵn:

• Dynamic Frequency Scaling (DFS): Tự động điều chỉnh tần số CPU/APB theo nhu cầu thực tế.
• Light-sleep (hay còn gọi là Deep Idle): CPU vẫn giữ lại ngữ cảnh, nhưng nhiều khối clock sẽ bị tắt để tiết kiệm năng lượng.
• Deep-sleep: Gần như toàn bộ chip sẽ được tắt, chỉ giữ lại RTC và một phần nhỏ bộ nhớ – rất phù hợp cho các ứng dụng đo lường định kỳ, đánh thức bằng GPIO hoặc timer.
• Tickless Idle: Khi hệ thống rảnh (idle), FreeRTOS có thể dừng tick timer và gọi lệnh ngủ (WFI) để tiết kiệm hơn, thay vì cứ đều đặn “đánh thức” CPU chỉ để kiểm tra xem có task nào cần chạy hay không.

Tất cả những kỹ thuật này nếu được kết hợp đúng cách sẽ giúp hệ thống ESP32 vừa hoạt động hiệu quả, vừa tiết kiệm năng lượng đáng kể – đặc biệt là trong các thiết bị IoT dùng pin.

2. Các lỗi phổ biến của người mới

2.1. Nhầm lẫn giữa delay() và sleep chế độ

Trên Arduino, delay() chỉ tạo một vòng đếm thời gian, không đưa CPU vào sleep mode. Bạn cần gọi rõ API esp_light_sleep_start() hoặc esp_deep_sleep_start() .

Hiểu đơn giản thì khi bạn delay bạn chỉ đang gọi một vòng loop và đợi tới khi điều kiện tick trong loop thỏa mãn thì chương trình được tiếp tục chạy. Và dĩ nhiên rồi, trong quá trình đó CPU vẫn phải xử lý tính toán chương trình và vẫn tốn năng lượng và nếu trong phạm vi tiết kiệm năng lượng thì đó là tốn năng lượng vô ích.

2.2. Không tắt Wi‑Fi/Bluetooth trước khi sleep

Trong ứng dụng IoT, việc kết nối mạng là điều cần thiết. Chúng ta có 2 option để tiết kiệm năng lượng khi cần kết nối mạng như sau:

• Tắt wifi trước khi vào chế độ sleep để tiết kiệm năng lượng: ở option này, thiết bị sẽ tiết kiệm năng lượng tối đa vì gần như đã shutdown luôn rồi, không còn chạy một chút nào nữa cả. Tuy nhiên, chính vì tắt hết như vậy nên khi bật trở lại, vi điều khiển phải init và re-connect lại tới wifi khiến quá trình khởi động tốn nhiều thời gian hơn. Ở option này nó sẽ thích hợp cho các ứng dụng hoạt động định kỳ, không cần phản hồi nhanh, hoặc khi dùng pin nhỏ cần chạy thời gian dài và thời gian giữa các lần gửi dữ liệu không quá gần nhau.
• Đặt vào chế độ light sleep: ở chế độ này, mặc dù đã ít tiêu hao năng lượng và vào chế độ ngủ nhưng vi điều khiển vẫn còn hoạt động để lưu giữ thông tin wifi và khi khởi động lại thì không cần kết nối lại wifi/bluetooth nữa vì chúng vẫn còn được duy trì kết nối khi sleep. Hiểu đơn giản thì nó giống như chế độ hibernate mà các bạn hay dùng trên máy tính windows vậy đó. Và dĩ nhiên rồi, ở chế độ này mức năng lượng khi sleep sẽ tốn nhiều hơn so với option 1. Nó thích hợp cho các ứng dụng thiết bị cần phản ứng nhanh với sự kiện, thiết bị đo đạc thời gian thực cần duy trì kết nối wifi/bluetooh.

2.3. Tickless Idle chưa bật hoặc cấu hình sai

Tickless giúp bỏ qua tick khi hệ thống idle đủ lâu. Nếu không bật configUSE_TICKLESS_IDLE hoặc thiếu hook vPortSuppressTicksAndSleep(), CPU vẫn chạy tick liên tục, không tiết kiệm được. Các cấu hình thường gặp:

#define configUSE_TICKLESS_IDLE 1
#define configPRE_SLEEP_PROCESSING( x ) … // WFI
#define configPOST_SLEEP_PROCESSING( x )

Tickless giảm năng lượng đáng kể trên MCU khi không dùng FreeRTOS.

2.4. Chạy ở tần số cao liên tục

Tần số CPU/APB cao kéo theo tiêu thụ lớn. DFS có thể hạ xuống XTAL (hoặc XTAL/÷n) khi idle, song cần cấu hình light_sleep_enable = true để kết hợp với tickless . Nếu bỏ qua, hệ thống vẫn chạy ở full-speed sau resume.

2.5. Board Dev không tối ưu

Nhiều board ESP32 Dev dùng regulator và chip USB chuyển đổi khiến dòng deep-sleep luôn ở mức 5–10 mA (thay vì µA). Muốn tiết kiệm thật cần lựa chọn board tiêu thụ thấp (ví dụ có LDO hiệu suất cao ~40 µA standby) .

3. Phân tích chế độ Low‑Power ESP32

3.1 Dynamic Frequency Scaling (DFS)

ESP-IDF tự động giảm xung khi hệ thống không còn giữ “power lock”. Tick rate (CONFIG_FREERTOS_HZ) ảnh hưởng đến tần suất schedule và DFS điều chỉnh định kỳ ([docs.espressif.com][3]).

3.2 Light‑Sleep & Light-idle

• Light-sleep: CPU giữ tại chỗ, RAM và CPU clock bị tắt, wake-up tức thì.
• Auto light-sleep: khi task blocked đủ lâu (cấu hình CONFIG_FREERTOS_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP), ros Power Management tự bật chế độ light-sleep ([docs.espressif.com][3]).

3.3 Deep‑Sleep

Tắt chip toàn bộ trừ RTC. Khi wake-up, hệ thống khởi boot lại . Phù hợp cho ứng dụng chờ dài.

4. Cách tiếp cận chuẩn cho người mới

Bước 1: Bật tickless idle

Trong FreeRTOSConfig.h:

#define configUSE_TICKLESS_IDLE 1

Triển khai hook pre/post sleep như đã minh họa.

Bước 2: Kết hợp với Light‑sleep tự động

Trong cấu hình ESP‑IDF (menuconfig):

• Bật light_sleep_enable
• Thiết lập DFS
• Đặt mức thời gian idle trước khi sleep

esp_pm_config_t pm_config = { .max_cpu_freq = 240000000, .min_cpu_freq = 80000000, .light_sleep_enable = true
};
esp_pm_configure(&pm_config);

Bước 3: Tắt các module không cần

Trước sleep:

esp_wifi_stop();
esp_bt_controller_disable();

Bước 4: Sử dụng Deep‑sleep khi phù hợp

Ví dụ:

esp_sleep_enable_timer_wakeup(10 * 60 * 1000000);
esp_deep_sleep_start();

Bước 5: Chọn board tiết kiệm

• Dùng board có regulator tiêu hao thấp (≤ 40 µA).
• Nếu pin yếu, cân nhắc dùng ESP32-SOLO1 single‑core để giảm ~30% tiêu thụ.

5. Checklist chi tiết

6. Triển khai code mẫu

void app_main(void) { // Bật DFS + Light-sleep esp_pm_config_t pm = { .max_cpu_freq = 240e6, .min_cpu_freq = 80e6, .light_sleep_enable = true }; esp_pm_configure(&pm); // Tắt Wi-Fi trước deep-sleep esp_wifi_stop(); for (;;) { // Thực hiện công việc ngắn measure_sensor(); // Delay để CPU có cơ hội WFI tự động vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100)); // Nếu không có task cấp cao cần chạy, hệ thống tự vào Light-sleep }
} // Hàm hook tickless
void vPortSuppressTicksAndSleep(TickType_t xExpectedIdleTime) { configPRE_SLEEP_PROCESSING(xExpectedIdleTime); __asm volatile("wfi"); configPOST_SLEEP_PROCESSING(xExpectedIdleTime);
}

7. Kết luận

Việc tiết kiệm năng lượng với FreeRTOS trên ESP32 đề cao việc hiểu rõ cơ chế sleep, tickless, DFS, và lựa chọn môi trường phần cứng phù hợp. Những người mới tiếp cận dễ mắc lỗi như dùng delay() nhầm, board Dev không tiết kiệm, bỏ qua tắt Wi‑Fi, hoặc không nên bật tickless.

Thực hiện đúng 5 bước đã liệt kê kết hợp sơ đồ hoạt động, bạn có thể đạt đến mức hạ dòng xuống µA trong Light‑sleep và đạt deep-sleep thật sự khi cần. Đây là nền tảng để phát triển các thiết bị IoT hoạt động pin kéo dài hàng tuần cho đến tháng thậm chí hàng năm nếu kết hợp tối ưu tốt cả phần cứng.