PCB圖如下：

描述

工業(yè) RS485 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關

歡迎來到我基于 ESP32 的工業(yè) RS485 網(wǎng)關項目。如果您從未聽說過任何工業(yè)網(wǎng)關，這個項目將是令人興奮的。

如果您想知道這個網(wǎng)關是什么，那么請留下來，我們很快就會探索。

什么是工業(yè)網(wǎng)關？

簡而言之，工業(yè)網(wǎng)關主要需要實現(xiàn)這些目標。

它應該維持工業(yè)環(huán)境。

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

最重要的是它應該與互聯(lián)網(wǎng)對話。

這就是你現(xiàn)在所需要的一切我認為應該清楚的是，該設備充當互聯(lián)網(wǎng)和其他工業(yè)設備之間的網(wǎng)關。

為了與不同的工業(yè)設備進行通信，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。

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

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

要了解有關 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 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。

用于存儲數(shù)據(jù)的板載EEPROM IC。

RS485 的自動數(shù)據(jù)流控制。

兩個可編程 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。

這個項目可以做什么？

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、消耗的總有功或無功功率等。

使用設備讀取數(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 或者您可以構建自己的儀表板。

監(jiān)控太陽能逆變器

如今，所有太陽能逆變器都具有 RS485 功能，其中一些逆變器還提供諸如通過 RS485 進行開關操作等功能。

我們的 RS485 網(wǎng)關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時狀態(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誤。此外，如果您的逆變器支持控制，您可以使用這個小型網(wǎng)關遠程打開或關閉逆變器。

實時工業(yè)溫度和濕度值

在許多工業(yè)領域，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定值。此類傳感器還具有 RS485 通信功能，我們可以通過此網(wǎng)關在手掌中獲取該傳感器的實時數(shù)據(jù)。

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

監(jiān)測氣壓和流量

氣動系統(tǒng)廣泛用于工業(yè)中以產(chǎn)生受控的機械運動或力。而氣動系統(tǒng)以空氣運行，主要考慮流量和壓力兩個參數(shù)來計算耗氣量或空氣損失計算。

上面是氣動壓力和流量指示器，并有一個 RS485 端口。我們現(xiàn)在可以使用 RS485 網(wǎng)關輕松計算和非常精確地監(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)的每個部分/機器部分安裝此類儀表一樣。這樣他們就可以觀察特定的機器消耗、效率等。以下是使用 IoT RS485 網(wǎng)關將 MFM 儀表實時饋送到移動設備。

這些儀表提供了對行業(yè)整體運作的完美洞察。因為它們可以測量所有重要的電氣參數(shù)，例如三相電壓和電流、有功和無功功率、功率因數(shù)、頻率、千瓦時等。

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

因此，在這種情況下安裝 RS485 網(wǎng)關是最可靠的，因為它們體積小、成本效益高、準確，并且可以提供有關工業(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)。這很可能會在 RS485 通信端口的從設備的應用說明中給出。

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

除此之外，我還使用此網(wǎng)關通過 RS485 控制了 VFD（交流驅(qū)動器）。

正如我們所見，這種小型設備在工業(yè)用例中的可能性是無限的。

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DC-DC 降壓轉換器

由于印度的工業(yè)標準電壓等級為 12Vdc 和 24Vdc，因為大多數(shù)自動化設備（如 HMI、PLC 等）都在此電壓等級上工作。

因此，我們的設備需要在這樣的電壓水平下完美運行，才能滿足行業(yè)要求。

為了高效且經(jīng)濟高效地完成此操作，我選擇在板上添加一個 DC-DC 降壓轉換器作為初級電壓轉換。

我在項目中使用了轉換器名稱 XL1509。

XL1509 主要有 3 種不同的型號

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）

該轉換器可以提供我們不需要的 2A 恒流輸出。

它以 150KHz 的開關頻率工作。

就我而言，我將高壓直流電源轉換為 5v 作為主要轉換。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）

一個電感器（47uH - 68uH）

一個肖特基二極管（SS34）

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

PCB 布局在此類轉換器中起著至關重要的作用，例如到轉換器 IC 的反饋路徑應短且遠離高頻開關，應牢記適當?shù)纳岬鹊取?/p>

二次電壓轉換

我們?nèi)匀恍枰?3.3v 電平來運行我們的 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。我在這個項目中使用了 3.3v 和 1A 輸出變體。

USB接口

為了盡量降低整體 BOM 價格，我選擇 CH340 作為 USB 轉 TTL 轉換器，因為 CP2102 價格有點高，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 自動復位電路，因此使用 Arduino IDE 對設備進行編程非常簡單。

并且為了穩(wěn)固的連接，我選擇了 USB B 型，因為它與微型 USB 或其他類型相比，與價格相比，它很大并且具有穩(wěn)定的適合性。

以太網(wǎng)接口

對于以太網(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 標準，根據(jù)數(shù)據(jù)表，它可以達到 100mbps 的數(shù)據(jù)速度（尚未以最大速度對其進行測試，因為如果有人以最大速度使用它，我不需要它，請在下面留下評論）

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

使用它

自動協(xié)商啟用模式

RMII 配置

SMI 地址：0x00

對于以太網(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行無差錯通信。因此，我們需要使用 RS485 收發(fā)器 IC，將普通的 TTL 信號轉換為 RS485 差分電壓信號。

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 并不擔心 ESP32 GPIO 處于 3.3v 邏輯電平，幸運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>

但過了一會兒，我發(fā)現(xiàn)了支持3.3v輸入電源的MAX3485，現(xiàn)在我不用擔心了。（現(xiàn)在我有一個 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)器的自動數(shù)據(jù)流控制使用了一個簡單的晶體管邏輯。如果您需要使用軟件控制流程，則需要移除組件 R4、R5 和 T2。現(xiàn)在將 JP1 跳線短接，流量控制引腳將連接到 ESP32 的 GPIO2。

RS485用于遠距離有線通信，我個人測試過1Km的無差錯通信，波特率為9600。

我使用了Belden 公司 (3105A)的標準雙絞線和屏蔽RS485 通信線

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

如果通訊距離較近，則需要 120ohm 的終端電阻 Rt，對于長距離，可以省略。

RS485 總線保護

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

根據(jù)數(shù)據(jù)表，它提供以下保護 -

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，則可以使用 LittelFuse 的 SG6和 SG7 SMD 氣體放電管。

板載存儲

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

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

電氣外殼

對于工業(yè)用途，外殼還應滿足工業(yè)要求，例如

它應該具有 DIN 導軌安裝功能。

耐高溫能力。(-40 °C ... 80 °C)

適當?shù)?IP 等級。(IP20)

適當?shù)耐L

因此，經(jīng)過大量搜索，我找到了我正在尋找的項目的完美外殼。

我在這個項目中使用的外殼來自Phoenix Contact 。他們有大量的工業(yè)級外殼可供選擇。

對于基礎，我使用2200474和頂部，我使用2201770。

這是帶有電氣外殼的整個項目的 3D 動畫。

想玩 3D 模型然后試試這個。

未來范圍

將來我想在這個項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 降壓轉換器，為設備提供更多保護。（但如果我們使用適當?shù)?SMPS，則不需要）。

添加額外的 RS485 端口。因為一條總線最多只能支持 32 個設備。

當前版本在 RS485 端口中有一個 120 歐姆的終端電阻。需要時希望添加一個開關或跳線來打開和關閉終端。

添加幾個高壓直流 IO 引腳。

添加一個板載繼電器，可以對其進行編程以在故障條件下打開重負載，例如交流警報。

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，我將它們存儲在 ESP32 非易失性存儲器中，因此無需重新配置。

為此，我有一個在 ESP32 中使用 SmartConfig 的分步指南，請查看。

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

畫廊

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

代碼

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