基于ESP32的工業(yè)RS485網(wǎng)關(guān)項(xiàng)目

PCB圖如下：

描述

工業(yè) RS485 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

歡迎來(lái)到我基于 ESP32 的工業(yè) RS485 網(wǎng)關(guān)項(xiàng)目。如果您從未聽說(shuō)過(guò)任何工業(yè)網(wǎng)關(guān)，這個(gè)項(xiàng)目將是令人興奮的。

如果您想知道這個(gè)網(wǎng)關(guān)是什么，那么請(qǐng)留下來(lái)，我們很快就會(huì)探索。

什么是工業(yè)網(wǎng)關(guān)？

簡(jiǎn)而言之，工業(yè)網(wǎng)關(guān)主要需要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。

它應(yīng)該維持工業(yè)環(huán)境。

該設(shè)備應(yīng)能夠與其他工業(yè)設(shè)備通信，例如 VFD、電能表、多功能儀表、逆變器等。

最重要的是它應(yīng)該與互聯(lián)網(wǎng)對(duì)話。

這就是你現(xiàn)在所需要的一切我認(rèn)為應(yīng)該清楚的是，該設(shè)備充當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)和其他工業(yè)設(shè)備之間的網(wǎng)關(guān)。

為了與不同的工業(yè)設(shè)備進(jìn)行通信，有不同的工業(yè)協(xié)議，例如 Profibus、CAN、Profinet、AI 總線、內(nèi)部總線等等。

但是在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將使用一個(gè)名為 Modbus 的著名協(xié)議，它適用于 RS485 串行總線。

我們的設(shè)備上有一個(gè) RS485 端口，因此我們可以使用 Modbus RTU、Modbus ASCII，并且通過(guò) WiFi 和以太網(wǎng)，我們可以使用 Modbus TCP IP。

要了解有關(guān) Modbus 的更多信息，您可以查看Simply Modbus ，他們已經(jīng)涵蓋了所有內(nèi)容。

主要特征：

它支持高達(dá) 6 - 35Vdc 的工業(yè)電壓水平。

用于互聯(lián)網(wǎng)連接的板載Wi-Fi和以太網(wǎng)。

以太網(wǎng)100Mb接口。

ESP32-WROOM-32D WiFi/BLE 模塊。（雙核能力）。

USB 連接器，用于使用 Arduino IDE輕松編程ESP32 。

半雙工RS485通訊口。

用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的板載EEPROM IC。

RS485 的自動(dòng)數(shù)據(jù)流控制。

兩個(gè)可編程 LED 指示。（我將它們用作 Tx 和 Rx LED）

可選擇的 RS485 收發(fā)器電壓電平。(5v & 3.3v)

帶有 DIN 安裝和緊湊尺寸 PCB 的工業(yè)外殼。

這個(gè)項(xiàng)目可以做什么？

工業(yè)電能表監(jiān)控

大多數(shù)工業(yè)能源公用事業(yè)儀表都提供 RS485 通信。因此，我們可以從電能表中讀取數(shù)據(jù)，例如整體工業(yè)單位消耗、功率因數(shù)、頻率、消耗的總有功或無(wú)功功率等。

使用設(shè)備讀取數(shù)據(jù)后，我們可以使用 MQTT 或任何其他協(xié)議輕松將其發(fā)送到云端。您可以將其顯示在許多開源應(yīng)用程序中，例如MQTT 儀表板、 Blynk ，或者您可以使用Adafruit IO 或者您可以構(gòu)建自己的儀表板。

監(jiān)控太陽(yáng)能逆變器

如今，所有太陽(yáng)能逆變器都具有 RS485 功能，其中一些逆變器還提供諸如通過(guò) RS485 進(jìn)行開關(guān)操作等功能。

我們的 RS485 網(wǎng)關(guān)將直接與此類逆變器連接并與逆變器通信，我們可以輕松獲取逆變器的實(shí)時(shí)狀態(tài)，例如 PV 電壓、所有 MPPT 電壓水平、產(chǎn)生的單位、每相電流輸出以及不同的錯(cuò)誤。此外，如果您的逆變器支持控制，您可以使用這個(gè)小型網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程打開或關(guān)閉逆變器。

實(shí)時(shí)工業(yè)溫度和濕度值

在許多工業(yè)領(lǐng)域，他們安裝了溫度和濕度傳感器，用于將區(qū)域的整體溫度控制在設(shè)定值。此類傳感器還具有 RS485 通信功能，我們可以通過(guò)此網(wǎng)關(guān)在手掌中獲取該傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

我們還可以對(duì)它進(jìn)行編程，例如溫度上升到 65°C 以上，然后通過(guò)電子郵件、短信或應(yīng)用程序等發(fā)送警報(bào)。

監(jiān)測(cè)氣壓和流量

氣動(dòng)系統(tǒng)廣泛用于工業(yè)中以產(chǎn)生受控的機(jī)械運(yùn)動(dòng)或力。而氣動(dòng)系統(tǒng)以空氣運(yùn)行，主要考慮流量和壓力兩個(gè)參數(shù)來(lái)計(jì)算耗氣量或空氣損失計(jì)算。

上面是氣動(dòng)壓力和流量指示器，并有一個(gè) RS485 端口。我們現(xiàn)在可以使用 RS485 網(wǎng)關(guān)輕松計(jì)算和非常精確地監(jiān)控。

監(jiān)控 MFM（多功能儀表）

多功能儀表用作工業(yè)面板中的子儀表。MFM 用于零件，就像他們?yōu)樾袠I(yè)的每個(gè)部分/機(jī)器部分安裝此類儀表一樣。這樣他們就可以觀察特定的機(jī)器消耗、效率等。以下是使用 IoT RS485 網(wǎng)關(guān)將 MFM 儀表實(shí)時(shí)饋送到移動(dòng)設(shè)備。

這些儀表提供了對(duì)行業(yè)整體運(yùn)作的完美洞察。因?yàn)樗鼈兛梢詼y(cè)量所有重要的電氣參數(shù)，例如三相電壓和電流、有功和無(wú)功功率、功率因數(shù)、頻率、千瓦時(shí)等。

我見過(guò)有超過(guò) 120 多個(gè)這樣的小儀表的行業(yè)。這是一個(gè)裝滿多功能儀表的工業(yè)電氣面板室，他們有5個(gè)這樣的大面板室。

因此，在這種情況下安裝 RS485 網(wǎng)關(guān)是最可靠的，因?yàn)樗鼈凅w積小、成本效益高、準(zhǔn)確，并且可以提供有關(guān)工業(yè)電網(wǎng)的大量有用信息。

如果您想監(jiān)視或控制此類 RS485 設(shè)備，那么您將需要要監(jiān)視或控制的從站的 Modbus 寄存器映射數(shù)據(jù)。這很可能會(huì)在 RS485 通信端口的從設(shè)備的應(yīng)用說(shuō)明中給出。

作為多功能儀表的起點(diǎn)，您可以查看Aggsoft網(wǎng)站，他們列出了來(lái)自不同公司的許多不同 MFM，并為您準(zhǔn)備了 Modbus 注冊(cè)表。

除此之外，我還使用此網(wǎng)關(guān)通過(guò) RS485 控制了 VFD（交流驅(qū)動(dòng)器）。

正如我們所見，這種小型設(shè)備在工業(yè)用例中的可能性是無(wú)限的。

探索 PCB 組件

DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器

由于印度的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)為 12Vdc 和 24Vdc，因?yàn)榇蠖鄶?shù)自動(dòng)化設(shè)備（如 HMI、PLC 等）都在此電壓等級(jí)上工作。

因此，我們的設(shè)備需要在這樣的電壓水平下完美運(yùn)行，才能滿足行業(yè)要求。

為了高效且經(jīng)濟(jì)高效地完成此操作，我選擇在板上添加一個(gè) DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器作為初級(jí)電壓轉(zhuǎn)換。

我在項(xiàng)目中使用了轉(zhuǎn)換器名稱 XL1509。

XL1509 主要有 3 種不同的型號(hào)

3.3v輸出電壓（XL1509-3.3）

5v輸出電壓（XL1509-5）

可調(diào)輸出電壓（XL1509-ADJ）

該轉(zhuǎn)換器可以提供我們不需要的 2A 恒流輸出。

它以 150KHz 的開關(guān)頻率工作。

就我而言，我將高壓直流電源轉(zhuǎn)換為 5v 作為主要轉(zhuǎn)換。因此，我為此使用XL1509-5變體。

它需要很少的外部組件，例如

輸入輸出大容量濾波電容（電石電容 470uF - 330uF）

一個(gè)電感器（47uH - 68uH）

一個(gè)肖特基二極管（SS34）

這就是轉(zhuǎn)換器所需的一切，并且要從中獲得適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果，需要對(duì)電感器和電容器值進(jìn)行微調(diào)。

PCB 布局在此類轉(zhuǎn)換器中起著至關(guān)重要的作用，例如到轉(zhuǎn)換器 IC 的反饋路徑應(yīng)短且遠(yuǎn)離高頻開關(guān)，應(yīng)牢記適當(dāng)?shù)纳岬鹊取?/p>

二次電壓轉(zhuǎn)換

我們?nèi)匀恍枰?3.3v 電平來(lái)運(yùn)行我們的 ESP32。因此我使用了ESP32開發(fā)板具有AMS1117-3.3的著名LDO 。

它還具有不同的輸出電壓和電流變體。我在這個(gè)項(xiàng)目中使用了 3.3v 和 1A 輸出變體。

USB接口

為了盡量降低整體 BOM 價(jià)格，我選擇 CH340 作為 USB 轉(zhuǎn) TTL 轉(zhuǎn)換器，因?yàn)?CP2102 價(jià)格有點(diǎn)高，而且我有足夠的空間放置 CH340。

主要有兩種類型的 CH340 IC，即著名的 CH340G 和 CH340C，它們具有相同的封裝和功能。唯一不同的是CH340C不需要外接晶振。

而且我添加了 ESP32 自動(dòng)復(fù)位電路，因此使用 Arduino IDE 對(duì)設(shè)備進(jìn)行編程非常簡(jiǎn)單。

并且為了穩(wěn)固的連接，我選擇了 USB B 型，因?yàn)樗c微型 USB 或其他類型相比，與價(jià)格相比，它很大并且具有穩(wěn)定的適合性。

以太網(wǎng)接口

對(duì)于以太網(wǎng)功能，我使用了 LAN8710A 芯片，也稱為單芯片以太網(wǎng)物理層收發(fā)器 (PHY)。

該 IC 遵循 10/100BASE-T 標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)數(shù)據(jù)表，它可以達(dá)到 100mbps 的數(shù)據(jù)速度（尚未以最大速度對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)槿绻腥艘宰畲笏俣仁褂盟?，我不需要它，?qǐng)?jiān)谙旅媪粝略u(píng)論）

此外，該 IC 具有用于以太網(wǎng)連接器的內(nèi)置兩個(gè)狀態(tài) LED 輸出。

使用它

自動(dòng)協(xié)商啟用模式

RMII 配置

SMI 地址：0x00

對(duì)于以太網(wǎng)連接器，我使用的是 帶有磁性的 Hanrun HR911105A 連接器。

RS485接口

RS485 接口使用差分電壓進(jìn)行無(wú)差錯(cuò)通信。因此，我們需要使用 RS485 收發(fā)器 IC，將普通的 TTL 信號(hào)轉(zhuǎn)換為 RS485 差分電壓信號(hào)。

入圍兩款著名收發(fā)IC

MAX485（工作在 5v 輸入電源）

MAX3485（工作在3.3V輸入電源）

最初，我使用 MAX485 并不擔(dān)心 ESP32 GPIO 處于 3.3v 邏輯電平，幸運(yùn)的是它的工作原理很迷人，并且沒有 ESP32 損壞，它們?nèi)匀还ぷ髡！?/p>

但過(guò)了一會(huì)兒，我發(fā)現(xiàn)了支持3.3v輸入電源的MAX3485，現(xiàn)在我不用擔(dān)心了。（現(xiàn)在我有一個(gè) SMD 跳線 JP2 用于選擇此 RS485 收發(fā)器的輸入電壓）

此外，我為 RS485 收發(fā)器的自動(dòng)數(shù)據(jù)流控制使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的晶體管邏輯。如果您需要使用軟件控制流程，則需要移除組件 R4、R5 和 T2?，F(xiàn)在將 JP1 跳線短接，流量控制引腳將連接到 ESP32 的 GPIO2。

RS485用于遠(yuǎn)距離有線通信，我個(gè)人測(cè)試過(guò)1Km的無(wú)差錯(cuò)通信，波特率為9600。

我使用了Belden 公司 (3105A)的標(biāo)準(zhǔn)雙絞線和屏蔽RS485 通信線

使用此 RS485 收發(fā)器 IC，我們可以讀取/寫入多達(dá) 32 個(gè)從設(shè)備。所有從機(jī)都需要連接在菊花鏈中以進(jìn)行正確通信，并且所有從機(jī)都應(yīng)具有唯一的從機(jī) IC，以避免主從機(jī)之間的通信沖突。

如果通訊距離較近，則需要 120ohm 的終端電阻 Rt，對(duì)于長(zhǎng)距離，可以省略。

RS485 總線保護(hù)

為了保護(hù) RS485 總線，我使用了小型 SM712 系列 600W 非對(duì)稱 TVS 二極管陣列。SM712 專門設(shè)計(jì)用于保護(hù)具有不對(duì)稱工作電壓（-7V 至 12V）的 RS-485 應(yīng)用免受靜電放電 (ESD)、電快速瞬變 (EFT) 和雷電感應(yīng)浪涌造成的損壞。

根據(jù)數(shù)據(jù)表，它提供以下保護(hù) -

ESD，IEC 61000-4-2，±30kV 接觸，±30kV 空氣

EFT、IEC 61000-4-4、50A (5/50ns)

閃電，IEC 61000-4-5 第 2 版，19A (tP=8/20μs)?

如果需要更多的防雷保護(hù)，則可以使用 LittelFuse 的 SG6和 SG7 SMD 氣體放電管。

板載存儲(chǔ)

如果有一段時(shí)間沒有互聯(lián)網(wǎng)可用并且監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)很重要，那么我們有板載 EEPROM 存儲(chǔ)。

我使用了 Microchip 的AT24C512 EEPROM IC ，它為我們提供了額外的 65536 字節(jié)存儲(chǔ)內(nèi)存。

電氣外殼

對(duì)于工業(yè)用途，外殼還應(yīng)滿足工業(yè)要求，例如

它應(yīng)該具有 DIN 導(dǎo)軌安裝功能。

耐高溫能力。(-40 °C ... 80 °C)

適當(dāng)?shù)?IP 等級(jí)。(IP20)

適當(dāng)?shù)耐L(fēng)

因此，經(jīng)過(guò)大量搜索，我找到了我正在尋找的項(xiàng)目的完美外殼。

我在這個(gè)項(xiàng)目中使用的外殼來(lái)自Phoenix Contact 。他們有大量的工業(yè)級(jí)外殼可供選擇。

對(duì)于基礎(chǔ)，我使用2200474和頂部，我使用2201770。

這是帶有電氣外殼的整個(gè)項(xiàng)目的 3D 動(dòng)畫。

想玩 3D 模型然后試試這個(gè)。

未來(lái)范圍

將來(lái)我想在這個(gè)項(xiàng)目中加入的東西很少。

添加隔離式以太網(wǎng)供電功能 (POE)。

添加隔離式 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器，為設(shè)備提供更多保護(hù)。（但如果我們使用適當(dāng)?shù)?SMPS，則不需要）。

添加額外的 RS485 端口。因?yàn)橐粭l總線最多只能支持 32 個(gè)設(shè)備。

當(dāng)前版本在 RS485 端口中有一個(gè) 120 歐姆的終端電阻。需要時(shí)希望添加一個(gè)開關(guān)或跳線來(lái)打開和關(guān)閉終端。

添加幾個(gè)高壓直流 IO 引腳。

添加一個(gè)板載繼電器，可以對(duì)其進(jìn)行編程以在故障條件下打開重負(fù)載，例如交流警報(bào)。

配置 Wi-Fi 憑據(jù)

我使用 ESP touch (SmartConfig) 在 ESP32 中輕松配置 WiFi 憑據(jù)。

一旦配置好，我將它們存儲(chǔ)在 ESP32 非易失性存儲(chǔ)器中，因此無(wú)需重新配置。

為此，我有一個(gè)在 ESP32 中使用 SmartConfig 的分步指南，請(qǐng)查看。

此外，您可以查看我的網(wǎng)站TechTONions.com了解更多此類項(xiàng)目

畫廊

還有幾張要展示的照片，現(xiàn)在我已經(jīng)說(shuō)不出話了，所以在這里添加它們很有趣。

代碼

https://github.com/TechTONions/RS485-master-liberary