基于ESP32 的电力测量设备多协议接口转换装置设计

丁宏林，周立忠，周桐，王筠韵，张晟恺，李亚东

（国网陕西省电力有限公司商洛供电公司，陕西商洛 726000）

智能设备已经广泛应用于电力系统[1]，设备的功能越强大，操作也就越简单便捷。现在几乎所有的电力设备都具备了通信功能，有相应的通信接口[2]，但是设备的用途、分类各不相同，厂家的技术水平也各有高低，导致除国家强制要求的接口外，特别是一些专用设备，其接口不统一，例如电能表现场校验仪就有232 接口、网口、USB 等不同硬件接口的设备。随着国家电网信息化要求的不断提升，需要将这些设备也纳入到信息化应用中[3]，以往的做法都是由厂家提供对应的连接线缆和PC 端的应用程序，实现设备的通信，这种方式导致的后果就是设备的专有性太强，一旦更换其他厂家的设备，整个流程和应用软件就全部需要调整，而且设备的更新换代速度很快，导致这些设备的数字化应用一直未能有效实现。

为了解决计量设备验收工作的自动化、信息化问题，应用无线通信技术，实现不同规约和硬件接口检验设备的数据访问，设计了“关口计量设备一键式验收及故障诊断装置”项目，对电能表现场校验仪、电压互感器校验仪、电流互感器校验仪、二次回路接线、负荷检测仪、标准电能表等多种设备完成数据采集[4]，最终在手持终端（安卓平台）进行展示。

1 系统总体设计

“关口计量设备一键式验收及故障诊断装置”项目需要解决的主要问题是与现场使用的不同厂家、不同硬件接口和规约的设备进行通信并读取数据。如果这些工作全部由软件实现会使项目不可控，因为在不考虑硬件接口的情况下，每种设备的通信规约和数据均不相同，必须针对每种设备开发专门的接口程序，虽然采用模块化设计可以有效地降低工作量，但是每加入一种新的设备都需要软件人员再次进行开发，而软件项目的开发都需要一个团队的合作，要求有明确的目标，以最高的效率来完成，这样可以有效降低成本，不可能针对某项功能提供长期的反复开发和设计[5]，否则项目的周期和成本将显著增加，最终失控。

因此该项目设计使用硬件接口装置将应用APP的开发和底层硬件分开，针对每类设备，确定其需要交互的数据，并考虑一定的扩展需求。先确定APP与接口装置的连接方式，明确通信协议，则APP 的开发与硬件就可以独立进行，将硬件设备的接入交由接口装置来实现，这样软件开发人员可以集中精力在软件的功能和设计上，直接启动软件的开发，提升效率。

针对不同的设备，从便携性和易用性考虑，决定将整个接口装置再分为转换装置和接口模块。这样的好处是连接的端口单一，电路的设计简化，代码简化，可靠性提升，可以使装置的体积比较小，设想装置和模块最终组合的成品类似一个U 盘，需要采集数据时连接到设备上，即插即用，用完即走。且所连接的设备基本为低速设备，传递的数据量小，传输时间短，这样装置的工作时间也短，可以优先考虑电池供电，进一步提升便携性。接口模块独立也便于后期的维护和二次开发，对于新的设备，仅需要对接口模块进行调整，匹配对应设备的规约，即可实现接入。项目的功能结构图如图1 所示。

图1 功能结构图

1.1 接口转换装置的设计

接口转换装置部分主要实现各个设备的接入，并与APP按预定的协议实现数据的交互，各种设备的接入由对应的接口模块来实现，与接口装置之间也定义标准的硬件通信接口和协议，主要实现硬件之间的数据交互，并可以缓存部分数据，确保通信的可靠。

因为APP 最终的运行环境为安卓平台的掌机，为此必须选择易于在安卓平台上实现的接口，所以装置的上行接口采用蓝牙和WiFi 双通道，该项目中采用乐鑫的ESP32 模组[6]来实现，该模组支持蓝牙和WiFi[7]，是成熟稳定的产品，成本低，可靠性高，而且其接口丰富，有SPI 接口、串口，还有有线网络接口，便于实现与接口模块的连接。

项目中选择使用串口来实现与接口模块的本地连接，主要考虑到使用的设备对数据通信的实时性要求不高，且串口结构简单、成本低、可靠性好，ESP32 模组内置串口最高速率可达5 Mbps，支持硬件流控，完全满足需要。

1.2 接口模块的设计

接口模块的功能是实现与各个设备的硬件连接，根据设备接口的不同，匹配不同的接口模块，可以为232 接口、485 接口、有线网口或USB 接口等，该项目中先实现各种硬件接口的连接，匹配对应的设备，后期可以安排专人进行维护，对新设备仅需完成相应通信协议的二次开发，不用再次开发硬件，有效地减少工作量，降低维护成本。

1.3 通信协议的设计

转换装置与APP 通信协议的设计是该项目的重点，因为要接入不同的设备，设备的种类不同，读写的数据类型、数据项、数据长度等各不相同，不能每接入一种设备就修改一次通信协议或者上层的软件，必须使其具有强大的兼容性和扩展性[8]。

协议设计首先是对设备的操作流程和传递的数据进行标准化，这是实现不同设备兼容的关键，结合相关设备的具体使用场景，设备操作流程如图2所示。

图2 设备操作流程图

针对交互的数据，按所有设备最大信息量进行设计，此外预留部分扩展字段，可以通过软件进行调整，增加程序的灵活性。

协议设计以上述标准化流程为基础，首先按功能对命令进行划分，具体分为控制、读取、设置（写入）三种。其中控制命令主要实现对设备的管理，包括上电、复位、启动等操作；读取命令即对设备数据进行访问，可以是设备描述符、检测数据，也可以是相关参数；设置命令主要对设备的运行参数进行设置，这几种操作使用命令字的方式来区分。

针对数据的传递，规约中确定每项数据传递都必须同时传递数据的类型和长度，具体为一个字节的数据类型，一个字节的数据长度，后续为具体的数据，规约中包含数组和结构体两种类型，数组类型为多个相同类型数据的集合，而结构体则可以是不同数据类型的集合，提升了整体的灵活性。

规约中帧格式的定义如表1 所示，其中控制字实现了功能的划分。

表1 帧格式定义

规约中数据区定义如表2 所示，其中数据标识给出数据的定义，数据类型说明数据的格式，数据长度说明有多少个相同类型的数据，可以看到灵活性很高，只需要定义新的数据标识以及数据类型，即可引入新的数据项，便于后期进行扩展。

表2 数据区定义

2 系统的硬件设计

2.1 接口转换装置的硬件设计

装置设计了电源管理部分，采用锂电池作为电源，使用锂电的充放电管理芯片TP5400[9]，电源管理部分原理图如图3 所示。下行模块的接口使用具备硬件流控的串口实现，同时设计了模块插入检测和硬件复位引脚，检测到模块插入后，才开始对模块进行供电，同时可以对模块的硬件进行复位，提升其可靠性。

装置本身充电接口设计为TYPE-C 接口，并使用FDTI232RL 转换芯片连接模组的本地调试接口，使用电脑方便充电的同时也可实现对模组的监控、调试和升级，增强了设备的易用性，接口部分原理图如图4 所示。

ESP32模组本身支持FreeRTOS嵌入式系统[10]，支持多任务，因此软件的设计采用多任务的方式实现，接口转换装置初始化流程图如图5 所示。当装置上电后，首先完成初始化操作，接着开启两个任务，一个为上行通信任务，一个是下行通信任务，下行通信任务首先检查下行转换模块的连接情况，当检测到转换模块后，读取模块的设备描述符，了解具体的设备类型，匹配对应的数据项和数据内容，做好数据传递的准备，此时等待上行通信任务的进一步操作；上行通信任务检测到与APP 连接后，主动上报设备的类型和支持的数据项，APP 此时即可开始对设备数据的访问和控制。

2.2 接口模块的硬件设计

接口模块的设计思路主要是低成本，易实现，因为与转换装置的接口为串口，这样基本所有的嵌入式平台都满足需要，只需要针对设备的硬件接口，使用成熟的方案，实现接口和规约的转换即可。

图3 电源管理部分原理图

图4 充电及调试接口原理图

图5 转换装置初始化流程图

实际应用中同样使用ESP32 模组实现了232 接口、485 接口、有线网口、蓝牙[11]等设备的接入。针对USB 接口的设备，使用STM32 平台进行了连接[12]；针对CAN 总线设备，应用Microchip 平台进行连接[13]，因为硬件均为成熟的电路，此处不做详细描述。

2.3 可靠性设计

设计中需要考虑的是与APP 连接断开的情况，因为转换装置与APP 之间为无线连接，设备的故障或者意外均有可能导致连接失效的情况。采取措施如下：1）应用硬件设计的流控机制对下行数据传输进行管理；2）在规约的设计中增加了断点恢复重传的功能，同时增加转换装置的缓存，可以将一次的试验数据完整地保存在内存，必要时保存到闪存中，连接恢复后重新传输到手机端，提升可靠性。

转换装置和接口模块的设计均支持OTA 升级[14]，在APP 中预留接口，这样可以针对不同的设备，现场直接更改对应的固件，减少硬件的数量。

3 应用效果

在实际工作中，使用装置连接了山西互感器电测设备有限公司的HLE1-F 型电流互感器现场检定装置、山西互感器电测设备有限公司的HYE1-C 型电压互感器现场检定装置、秦皇岛海纳电测仪器有限公司的HN-2K01B1 电压互感器现场校验装置、浙江涵普电力科技有限公司的HPU-3030B 型电能表现场校验仪、保定新云达电力设备有限责任公司的WDX-2NH 型智能电表校验仪、武汉南电至诚电力设备有限公司的LYPT-C 型无线二次压降及负荷测试仪，均实现了检测数据的正常访问，并使用APP 完成了对应的验收工作。

4 结论

该项目的设计思路与以往的嵌入式开发不同，以往出于成本考虑，总是尽量将嵌入式系统潜力发掘出来，一个平台既实现上行通信，同时又匹配下行的各种接口[15]，硬件的复杂程度高，编程的工作量较大，但随着技术的进步，嵌入式系统的成本和复杂程度大大降低，如今嵌入式芯片的集成度越来越高，外围电路有效简化，很多芯片只需要几个元件，并提供电源即可正常工作[16]。这也是该项目的设计来源，不采用单一的平台来实现全部的功能，而是由不同的平台各完成部分的功能，硬件的开发工作也因此进行了分解，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进行统一。看似系统的结构变得复杂了，但是每个模块的工作却简化了，难度降低也意味着可靠性的提升，可以由不同的人员同时完成，效率得到有效的提升，更适合大型项目的需求。