基于ESP32 的電力測量設備多協議接口轉換裝置設計

丁宏林，周立忠，周桐，王筠韻，張晟愷，李亞東

（國網陜西省電力有限公司商洛供電公司，陜西商洛 726000）

智能設備已經廣泛應用于電力系統[1]，設備的功能越強大，操作也就越簡單便捷。現在幾乎所有的電力設備都具備了通信功能，有相應的通信接口[2]，但是設備的用途、分類各不相同，廠家的技術水平也各有高低，導致除國家強制要求的接口外，特別是一些專用設備，其接口不統一，例如電能表現場校驗儀就有232 接口、網口、USB 等不同硬件接口的設備。隨著國家電網信息化要求的不斷提升，需要將這些設備也納入到信息化應用中[3]，以往的做法都是由廠家提供對應的連接線纜和PC 端的應用程序，實現設備的通信，這種方式導致的后果就是設備的專有性太強，一旦更換其他廠家的設備，整個流程和應用軟件就全部需要調整，而且設備的更新換代速度很快，導致這些設備的數字化應用一直未能有效實現。

為了解決計量設備驗收工作的自動化、信息化問題，應用無線通信技術，實現不同規約和硬件接口檢驗設備的數據訪問，設計了“關口計量設備一鍵式驗收及故障診斷裝置”項目，對電能表現場校驗儀、電壓互感器校驗儀、電流互感器校驗儀、二次回路接線、負荷檢測儀、標準電能表等多種設備完成數據采集[4]，最終在手持終端（安卓平臺）進行展示。

1 系統總體設計

“關口計量設備一鍵式驗收及故障診斷裝置”項目需要解決的主要問題是與現場使用的不同廠家、不同硬件接口和規約的設備進行通信并讀取數據。如果這些工作全部由軟件實現會使項目不可控，因為在不考慮硬件接口的情況下，每種設備的通信規約和數據均不相同，必須針對每種設備開發專門的接口程序，雖然采用模塊化設計可以有效地降低工作量，但是每加入一種新的設備都需要軟件人員再次進行開發，而軟件項目的開發都需要一個團隊的合作，要求有明確的目標，以最高的效率來完成，這樣可以有效降低成本，不可能針對某項功能提供長期的反復開發和設計[5]，否則項目的周期和成本將顯著增加，最終失控。

因此該項目設計使用硬件接口裝置將應用APP的開發和底層硬件分開，針對每類設備，確定其需要交互的數據，并考慮一定的擴展需求。先確定APP與接口裝置的連接方式，明確通信協議，則APP 的開發與硬件就可以獨立進行，將硬件設備的接入交由接口裝置來實現，這樣軟件開發人員可以集中精力在軟件的功能和設計上，直接啟動軟件的開發，提升效率。

針對不同的設備，從便攜性和易用性考慮，決定將整個接口裝置再分為轉換裝置和接口模塊。這樣的好處是連接的端口單一，電路的設計簡化，代碼簡化，可靠性提升，可以使裝置的體積比較小，設想裝置和模塊最終組合的成品類似一個U 盤，需要采集數據時連接到設備上，即插即用，用完即走。且所連接的設備基本為低速設備，傳遞的數據量小，傳輸時間短，這樣裝置的工作時間也短，可以優先考慮電池供電，進一步提升便攜性。接口模塊獨立也便于后期的維護和二次開發，對于新的設備，僅需要對接口模塊進行調整，匹配對應設備的規約，即可實現接入。項目的功能結構圖如圖1 所示。

圖1 功能結構圖

1.1 接口轉換裝置的設計

接口轉換裝置部分主要實現各個設備的接入，并與APP按預定的協議實現數據的交互，各種設備的接入由對應的接口模塊來實現，與接口裝置之間也定義標準的硬件通信接口和協議，主要實現硬件之間的數據交互，并可以緩存部分數據，確保通信的可靠。

因為APP 最終的運行環境為安卓平臺的掌機，為此必須選擇易于在安卓平臺上實現的接口，所以裝置的上行接口采用藍牙和WiFi 雙通道，該項目中采用樂鑫的ESP32 模組[6]來實現，該模組支持藍牙和WiFi[7]，是成熟穩定的產品，成本低，可靠性高，而且其接口豐富，有SPI 接口、串口，還有有線網絡接口，便于實現與接口模塊的連接。

項目中選擇使用串口來實現與接口模塊的本地連接，主要考慮到使用的設備對數據通信的實時性要求不高，且串口結構簡單、成本低、可靠性好，ESP32 模組內置串口最高速率可達5 Mbps，支持硬件流控，完全滿足需要。

1.2 接口模塊的設計

接口模塊的功能是實現與各個設備的硬件連接，根據設備接口的不同，匹配不同的接口模塊，可以為232 接口、485 接口、有線網口或USB 接口等，該項目中先實現各種硬件接口的連接，匹配對應的設備，后期可以安排專人進行維護，對新設備僅需完成相應通信協議的二次開發，不用再次開發硬件，有效地減少工作量，降低維護成本。

1.3 通信協議的設計

轉換裝置與APP 通信協議的設計是該項目的重點，因為要接入不同的設備，設備的種類不同，讀寫的數據類型、數據項、數據長度等各不相同，不能每接入一種設備就修改一次通信協議或者上層的軟件，必須使其具有強大的兼容性和擴展性[8]。

協議設計首先是對設備的操作流程和傳遞的數據進行標準化，這是實現不同設備兼容的關鍵，結合相關設備的具體使用場景，設備操作流程如圖2所示。

圖2 設備操作流程圖

針對交互的數據，按所有設備最大信息量進行設計，此外預留部分擴展字段，可以通過軟件進行調整，增加程序的靈活性。

協議設計以上述標準化流程為基礎，首先按功能對命令進行劃分，具體分為控制、讀取、設置（寫入）三種。其中控制命令主要實現對設備的管理，包括上電、復位、啟動等操作；讀取命令即對設備數據進行訪問，可以是設備描述符、檢測數據，也可以是相關參數；設置命令主要對設備的運行參數進行設置，這幾種操作使用命令字的方式來區分。

針對數據的傳遞，規約中確定每項數據傳遞都必須同時傳遞數據的類型和長度，具體為一個字節的數據類型，一個字節的數據長度，后續為具體的數據，規約中包含數組和結構體兩種類型，數組類型為多個相同類型數據的集合，而結構體則可以是不同數據類型的集合，提升了整體的靈活性。

規約中幀格式的定義如表1 所示，其中控制字實現了功能的劃分。

表1 幀格式定義

規約中數據區定義如表2 所示，其中數據標識給出數據的定義，數據類型說明數據的格式，數據長度說明有多少個相同類型的數據，可以看到靈活性很高，只需要定義新的數據標識以及數據類型，即可引入新的數據項，便于后期進行擴展。

表2 數據區定義

2 系統的硬件設計

2.1 接口轉換裝置的硬件設計

裝置設計了電源管理部分，采用鋰電池作為電源，使用鋰電的充放電管理芯片TP5400[9]，電源管理部分原理圖如圖3 所示。下行模塊的接口使用具備硬件流控的串口實現，同時設計了模塊插入檢測和硬件復位引腳，檢測到模塊插入后，才開始對模塊進行供電，同時可以對模塊的硬件進行復位，提升其可靠性。

裝置本身充電接口設計為TYPE-C 接口，并使用FDTI232RL 轉換芯片連接模組的本地調試接口，使用電腦方便充電的同時也可實現對模組的監控、調試和升級，增強了設備的易用性，接口部分原理圖如圖4 所示。

ESP32模組本身支持FreeRTOS嵌入式系統[10]，支持多任務，因此軟件的設計采用多任務的方式實現，接口轉換裝置初始化流程圖如圖5 所示。當裝置上電后，首先完成初始化操作，接著開啟兩個任務，一個為上行通信任務，一個是下行通信任務，下行通信任務首先檢查下行轉換模塊的連接情況，當檢測到轉換模塊后，讀取模塊的設備描述符，了解具體的設備類型，匹配對應的數據項和數據內容，做好數據傳遞的準備，此時等待上行通信任務的進一步操作；上行通信任務檢測到與APP 連接后，主動上報設備的類型和支持的數據項，APP 此時即可開始對設備數據的訪問和控制。

2.2 接口模塊的硬件設計

接口模塊的設計思路主要是低成本，易實現，因為與轉換裝置的接口為串口，這樣基本所有的嵌入式平臺都滿足需要，只需要針對設備的硬件接口，使用成熟的方案，實現接口和規約的轉換即可。

圖3 電源管理部分原理圖

圖4 充電及調試接口原理圖

圖5 轉換裝置初始化流程圖

實際應用中同樣使用ESP32 模組實現了232 接口、485 接口、有線網口、藍牙[11]等設備的接入。針對USB 接口的設備，使用STM32 平臺進行了連接[12]；針對CAN 總線設備，應用Microchip 平臺進行連接[13]，因為硬件均為成熟的電路，此處不做詳細描述。

2.3 可靠性設計

設計中需要考慮的是與APP 連接斷開的情況，因為轉換裝置與APP 之間為無線連接，設備的故障或者意外均有可能導致連接失效的情況。采取措施如下：1）應用硬件設計的流控機制對下行數據傳輸進行管理；2）在規約的設計中增加了斷點恢復重傳的功能，同時增加轉換裝置的緩存，可以將一次的試驗數據完整地保存在內存，必要時保存到閃存中，連接恢復后重新傳輸到手機端，提升可靠性。

轉換裝置和接口模塊的設計均支持OTA 升級[14]，在APP 中預留接口，這樣可以針對不同的設備，現場直接更改對應的固件，減少硬件的數量。

3 應用效果

在實際工作中，使用裝置連接了山西互感器電測設備有限公司的HLE1-F 型電流互感器現場檢定裝置、山西互感器電測設備有限公司的HYE1-C 型電壓互感器現場檢定裝置、秦皇島海納電測儀器有限公司的HN-2K01B1 電壓互感器現場校驗裝置、浙江涵普電力科技有限公司的HPU-3030B 型電能表現場校驗儀、保定新云達電力設備有限責任公司的WDX-2NH 型智能電表校驗儀、武漢南電至誠電力設備有限公司的LYPT-C 型無線二次壓降及負荷測試儀，均實現了檢測數據的正常訪問，并使用APP 完成了對應的驗收工作。

4 結論

該項目的設計思路與以往的嵌入式開發不同，以往出于成本考慮，總是盡量將嵌入式系統潛力發掘出來，一個平臺既實現上行通信，同時又匹配下行的各種接口[15]，硬件的復雜程度高，編程的工作量較大，但隨著技術的進步，嵌入式系統的成本和復雜程度大大降低，如今嵌入式芯片的集成度越來越高，外圍電路有效簡化，很多芯片只需要幾個元件，并提供電源即可正常工作[16]。這也是該項目的設計來源，不采用單一的平臺來實現全部的功能，而是由不同的平臺各完成部分的功能，硬件的開發工作也因此進行了分解，可以由多人同步完成，有效提升了工作效率，所有的工作在接口上進行統一。看似系統的結構變得復雜了，但是每個模塊的工作卻簡化了，難度降低也意味著可靠性的提升，可以由不同的人員同時完成，效率得到有效的提升，更適合大型項目的需求。