一种基于ESP32的智能电表无线通信模块设计*
2021-08-19印正誉姚春羽蔡仲言
印正誉 姚春羽 蔡仲言
(1.上海工程技术大学,上海 201620;2.国家投资项目评审中心,北京 100037)
0 引言
现如今社会经济的高速发展,使得电能由于其在社会发展中具有举足轻重的地位受到了人们的高度关注。随着人民对生活质量要求不断提高,家庭电器的用电量呈逐年增长的状态[1]。因此,为了更好地调节电能资源,保证电能的稳定供给,电力公司需要全面了解每个电力用户的用电需求和用电习惯;电力用户也需要能够实时地获取自己家里的用电信息来培养节约用电的意识[2-3]。智能电表应运而生,恰好能满足电力公司和电力用户的需求。智能电表作为智能电网的控制终端,承担着电能数据的计量和发送功能,由此可见其可靠性和准确性对人们的日常用电具有重要的意义[4-6]。
在智能电表的众多研究方向中,无线通信技术是其中的热门,主要为RS-485通信、电力线载波通信、红外通信、GPRS无线通信等。其中,RS-485通信和红外通信主要用于本地通信;而电力线载波通信和GPRS无线通信主要用于远程通信[7-8]。随着无线通信技术的发展和应用,蓝牙、ZigBee、Wi-Fi等技术被引入智能电表中[9]。基于无线通信技术的新型智能电表不仅能够对电能进行远程计量和计费,而且可以使电力用户和电力公司之间进行双向通讯,成为电力用户和电力公司之间的桥梁[10]。
无线通信技术飞速发展的同时伴随着5G网络的建设,开启了互联网万物互联的物联网新时代,和4G技术相比,5G技术不仅应用到我们日常生活中的联络,还将应用在我们生产工作的各个方面,能够为电气行业的发展带向全新的高度。基于5G网络超高的带宽、超低的延时以及超大规模范围的特点,如果能够配合具有强大通讯功能的智能电表将为电气行业的运营效率和决策水平的智能化带来质的飞跃,以此来对为环境保护和节约能源事业做出更加有效的系统监测和统筹规划。
1 通信模块硬件设计
1.1 技术指标
智能电表统一标准的决定对于电能使用中电能信息采集和电网公司与用户之间的互动都具有积极的促进作用。本文所采用的技术指标如下:(1)电压量程:默认为220V,通常给出电压的峰值;电流量程:默认为50A;(2)信号处理:采用专用测量芯片,24位AD采样;(3)测量精度:电流和电压误差范围在1%以内;(4)通讯速率:Wi-Fi模式下波特率设置为4800 Bps,而蓝牙模式下无需设置;(5)通讯规约:MODBUS-RTU 规约;(6)接口类型:1路TTL通讯接口,兼容5V/3.3V。
1.2 硬件系统选型与设计
1.2.1 无线通信模块
ESP32是乐鑫信息科技推出的物联网芯片,可作为独立系统通过SPI/SDIO或者I2C/UART接口来提供Wi-Fi和蓝牙功能,具有极佳的低功耗性能,使得其能够与可穿戴设备更加兼容[11],原理如图1所示。
图1 ESP32原理图Fig.1 ESP32 principle diagram
1.2.2 电表计量模块
LT-163是一款集成了测量功能和数字通信技术的单相交流电参数测量产品,可以准确地完成采集电流、电压等电参数的采集工作和不影响数据准确性的前提下并完成传输工作。通讯方面该模块配备了1路与电路完全隔离的TTL电平接口,可以方便嵌入到各种需要测量用电情况的设备中,具有极优的性价比。模块接口定义如图2所示。
图2 LT-163计量模块接口定义Fig.2 LT-163 metering module interface definition
1.2.3 硬件系统搭建
电源模块中,可以选择为两个模块分别供电,由于NodeMCU-32S开发板可提供3.3V电压供电,LT-163单相互感式电能计量模块采用3.3V工作电压,为了接线简洁化,将计量模块的电源模块直接与NodeMCU-32S开发板对接。
计量模块的“V+”和“V-”两个接口接在开发板的“VIN3.3V”和“GND”两个引脚上。通讯接口上,NodeMCU-32S开发板上共三组串行通信接口,选用其中一组“GPIO1”和“GPIO3”接到计量模块的“TXD”和“RXD”两个接口。
最后将需要测试的负载的零线和火线分别接到计量模块对应的接口上,否则无法测量电压。使用Micro USB数据线连接个人电脑与NodeMCU-32S开发板即可为整个系统供电并且上传代码。
2 通信模块软件设计
基于ESP32同时拥有强大的Wi-Fi功能的蓝牙功能,本文对于两种通信方式分别进行了软件设计,使用户能够根据不同的情况通过两种不同的方式在手机上接收到电量信息,流程如图3所示。
图3 通讯软件流程图Fig.3 Communication software flow chart
3 系统测试
针对基于ESP32 Wi-Fi和蓝牙模块的智能电表的设计,本文组装了一个简易的测试平台来对其性能进行测试与分析。需要测试地主要分为两大部分:
第一部分先抛开无线通讯功能,只测试LT-163计量模块的测量数据的准确性,因为电能计量的准确是智能电表设计的基础。本文首先测试其准确性,为了方便对不同的用电器进行检测,制作一个简单的拖线板插座来作为测试平台,来对本文所设计的智能电表的电能计量部分等进行实际测试。
第二部分测试ESP32模块的无线通信功能,首先也是抛开整个系统的计量模块,通过代码实现一些简单的功能对其Wi-Fi和蓝牙的数据传输功能进行实际测试,以验证ESP32的无线通信性能。再来对整个系统的无线通信功能进行测试。
整个系统搭建完成后,首先检查NodeMCU-32S开发板和LT-163计量模块之间的通讯是否正常,当从计量模块上读取数据时或者说有通讯发生时,计量模块的红灯出现闪烁则说明两个模块之间的通讯正常。将负载连接到系统中,通过Wi-Fi和蓝牙两种不同的方式与ESP32建立连接,连接后均可接收到ESP32发来的电参数。
4 结语
本文在智能电表技术进行研究的基础上,对基于ESP32 Wi-Fi&蓝牙双模组芯片的智能电表进行了总体设计,重点对基于ESP32两种强大的通信方式的智能电表的硬件系统和软件系统进行了深入的研究,并结合实际情况对本文设计的智能电表进行了测试与完善,取得较好的效果。
