一種基于ESP32的智能電表無線通信模塊設計*

印正譽 姚春羽 蔡仲言

(1.上海工程技術大學,上海 201620;2.國家投資項目評審中心,北京 100037)

0 引言

現如今社會經濟的高速發展,使得電能由于其在社會發展中具有舉足輕重的地位受到了人們的高度關注。隨著人民對生活質量要求不斷提高,家庭電器的用電量呈逐年增長的狀態[1]。因此,為了更好地調節電能資源,保證電能的穩定供給,電力公司需要全面了解每個電力用戶的用電需求和用電習慣;電力用戶也需要能夠實時地獲取自己家里的用電信息來培養節約用電的意識[2-3]。智能電表應運而生,恰好能滿足電力公司和電力用戶的需求。智能電表作為智能電網的控制終端,承擔著電能數據的計量和發送功能,由此可見其可靠性和準確性對人們的日常用電具有重要的意義[4-6]。

在智能電表的眾多研究方向中,無線通信技術是其中的熱門,主要為RS-485通信、電力線載波通信、紅外通信、GPRS無線通信等。其中,RS-485通信和紅外通信主要用于本地通信;而電力線載波通信和GPRS無線通信主要用于遠程通信[7-8]。隨著無線通信技術的發展和應用,藍牙、ZigBee、Wi-Fi等技術被引入智能電表中[9]。基于無線通信技術的新型智能電表不僅能夠對電能進行遠程計量和計費,而且可以使電力用戶和電力公司之間進行雙向通訊,成為電力用戶和電力公司之間的橋梁[10]。

無線通信技術飛速發展的同時伴隨著5G網絡的建設,開啟了互聯網萬物互聯的物聯網新時代,和4G技術相比,5G技術不僅應用到我們日常生活中的聯絡,還將應用在我們生產工作的各個方面,能夠為電氣行業的發展帶向全新的高度。基于5G網絡超高的帶寬、超低的延時以及超大規模范圍的特點,如果能夠配合具有強大通訊功能的智能電表將為電氣行業的運營效率和決策水平的智能化帶來質的飛躍,以此來對為環境保護和節約能源事業做出更加有效的系統監測和統籌規劃。

1 通信模塊硬件設計

1.1 技術指標

智能電表統一標準的決定對于電能使用中電能信息采集和電網公司與用戶之間的互動都具有積極的促進作用。本文所采用的技術指標如下:(1)電壓量程:默認為220V,通常給出電壓的峰值;電流量程:默認為50A;(2)信號處理:采用專用測量芯片,24位AD采樣;(3)測量精度:電流和電壓誤差范圍在1%以內;(4)通訊速率:Wi-Fi模式下波特率設置為4800 Bps,而藍牙模式下無需設置;(5)通訊規約:MODBUS-RTU 規約;(6)接口類型:1路TTL通訊接口,兼容5V/3.3V。

1.2 硬件系統選型與設計

1.2.1 無線通信模塊

ESP32是樂鑫信息科技推出的物聯網芯片,可作為獨立系統通過SPI/SDIO或者I2C/UART接口來提供Wi-Fi和藍牙功能,具有極佳的低功耗性能,使得其能夠與可穿戴設備更加兼容[11],原理如圖1所示。

圖1 ESP32原理圖Fig.1 ESP32 principle diagram

1.2.2 電表計量模塊

LT-163是一款集成了測量功能和數字通信技術的單相交流電參數測量產品,可以準確地完成采集電流、電壓等電參數的采集工作和不影響數據準確性的前提下并完成傳輸工作。通訊方面該模塊配備了1路與電路完全隔離的TTL電平接口,可以方便嵌入到各種需要測量用電情況的設備中,具有極優的性價比。模塊接口定義如圖2所示。

圖2 LT-163計量模塊接口定義Fig.2 LT-163 metering module interface definition

1.2.3 硬件系統搭建

電源模塊中,可以選擇為兩個模塊分別供電,由于NodeMCU-32S開發板可提供3.3V電壓供電,LT-163單相互感式電能計量模塊采用3.3V工作電壓,為了接線簡潔化,將計量模塊的電源模塊直接與NodeMCU-32S開發板對接。

計量模塊的“V+”和“V-”兩個接口接在開發板的“VIN3.3V”和“GND”兩個引腳上。通訊接口上,NodeMCU-32S開發板上共三組串行通信接口,選用其中一組“GPIO1”和“GPIO3”接到計量模塊的“TXD”和“RXD”兩個接口。

最后將需要測試的負載的零線和火線分別接到計量模塊對應的接口上,否則無法測量電壓。使用Micro USB數據線連接個人電腦與NodeMCU-32S開發板即可為整個系統供電并且上傳代碼。

2 通信模塊軟件設計

基于ESP32同時擁有強大的Wi-Fi功能的藍牙功能,本文對于兩種通信方式分別進行了軟件設計,使用戶能夠根據不同的情況通過兩種不同的方式在手機上接收到電量信息,流程如圖3所示。

圖3 通訊軟件流程圖Fig.3 Communication software flow chart

3 系統測試

針對基于ESP32 Wi-Fi和藍牙模塊的智能電表的設計,本文組裝了一個簡易的測試平臺來對其性能進行測試與分析。需要測試地主要分為兩大部分:

第一部分先拋開無線通訊功能,只測試LT-163計量模塊的測量數據的準確性,因為電能計量的準確是智能電表設計的基礎。本文首先測試其準確性,為了方便對不同的用電器進行檢測,制作一個簡單的拖線板插座來作為測試平臺,來對本文所設計的智能電表的電能計量部分等進行實際測試。

第二部分測試ESP32模塊的無線通信功能,首先也是拋開整個系統的計量模塊,通過代碼實現一些簡單的功能對其Wi-Fi和藍牙的數據傳輸功能進行實際測試,以驗證ESP32的無線通信性能。再來對整個系統的無線通信功能進行測試。

整個系統搭建完成后,首先檢查NodeMCU-32S開發板和LT-163計量模塊之間的通訊是否正常,當從計量模塊上讀取數據時或者說有通訊發生時,計量模塊的紅燈出現閃爍則說明兩個模塊之間的通訊正常。將負載連接到系統中,通過Wi-Fi和藍牙兩種不同的方式與ESP32建立連接,連接后均可接收到ESP32發來的電參數。

4 結語

本文在智能電表技術進行研究的基礎上,對基于ESP32 Wi-Fi&藍牙雙模組芯片的智能電表進行了總體設計,重點對基于ESP32兩種強大的通信方式的智能電表的硬件系統和軟件系統進行了深入的研究,并結合實際情況對本文設計的智能電表進行了測試與完善,取得較好的效果。