用ESP8266模塊讀取RS485電能表的電流數(shù)據(jù)并在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控

李冰濤，李曙俏

（江蘇省徐州技師學(xué)院，江蘇徐州，221151）

相較于RS232的通信，RS485通信的特點(diǎn)如下：首先是采用差分信號(hào)，其最大的優(yōu)勢(shì)是可以抑制共模干擾。尤其當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，干擾比較多時(shí)，采用差分方式可以有效的提高通信可靠性。其次是通信速率快，通信距離長(zhǎng)，且可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。

RS485 的接口簡(jiǎn)單，只需要一個(gè) RS485轉(zhuǎn)換器，就可以直接與微控制器的 UART 串口連接起來(lái)，并且使用完全相同的異步串行通信協(xié)議。由于 RS485采用主從通信方式，數(shù)據(jù)的收發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行，是一種半雙工通信。正因如此，在工業(yè)領(lǐng)域，RS485/MODBUS是一種流行的布網(wǎng)方式，實(shí)施簡(jiǎn)單方便 ，支持RS485的儀表很多。

1 硬件電路的搭建

設(shè)備端器件的連接如圖1所示。圖1中的主要器件包括：

圖1 ESP8266模塊讀取電能表電流數(shù)據(jù)接線圖

(1)電能表

此處使用的電能表為導(dǎo)軌式電能表，其貨號(hào)是DDS238-1ZN。此電能表為多功能電子式電能表，具有RS485通信功能，可以實(shí)時(shí)測(cè)量電壓、電流、電功率、電量等參數(shù)。這里主要是利用它的RS485通信端口功能，讀取其電流值。

在讀取電能表的電流值之前，首先要了解電能表存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的寄存器情況，此電能表的寄存器情況如表1所示（這是一個(gè)簡(jiǎn)表，其中地址0002H~0007H與0012H~0014H的寄存器為保留字段，已刪去）。

表1 電能表的寄存器情況

從表1中可以看出，地址為000DH也就是13號(hào)地址的寄存器存放的是電流的數(shù)據(jù)，要讀取電能表中的其他參數(shù)數(shù)據(jù)，可以此表為依據(jù)。

電能表的接線如圖1所示，符合傳統(tǒng)電能表的接線習(xí)慣，1、3進(jìn)，2、4出。如果只是讀取電能表的電流值，只需將繼電器的a、b兩個(gè)接線端短路即可。電能表上的RS485通信的接線端子是9端口和10端口，由于ESP8266模塊沒(méi)有RS485通信端口，故需要使用RS485轉(zhuǎn)TTL模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

(2)RS485轉(zhuǎn)TTL模塊

RS485轉(zhuǎn)TTL模塊可以實(shí)現(xiàn)TTL信號(hào)與RS485信號(hào)的的相互轉(zhuǎn)換。RS485是半雙工通信，正常使用5V電源供電。因?yàn)镋SP8266模塊的信號(hào)電平為3.3V，而RS485信號(hào)電平范圍是2-6V，所以如果使用3.3V電源供電，則可以省去5V電平信號(hào)與3.3V電平信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。圖1中的RS485轉(zhuǎn)TTL模塊的VCC端與ESP8266模塊的3.3V端口直接連接就是這個(gè)原因。

(3)ESP8266模塊

ESP8266模塊可以理解成一個(gè)帶有WiFi功能的單片機(jī)，這款模塊簡(jiǎn)單易學(xué)，體積小，功能強(qiáng)，便于嵌入式開(kāi)發(fā)。

本制作使用的控制器是WiFiduino模塊。WiFiduino是使用ESP8266作為核心的開(kāi)發(fā)板，與傳統(tǒng)的Arduino UNO R3控制器相比，WiFiduino提供了WiFi支持，可以更輕松地構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目。WiFiduino模塊的引腳說(shuō)明如圖2所示。從圖2中可以看出，板子上有5V和3V3兩個(gè)電源端子，使用起來(lái)非常方便，而且它的引腳排列與Arduino Uno板非常相似。

圖2 WiFiduino模塊的引腳說(shuō)明

本次制作主要使用D0、D1作為通信端口，并使用一個(gè)數(shù)字輸出端口D4連接一個(gè)繼電器以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制燈泡的亮滅。

(4)繼電器

繼電器的功能是對(duì)電能表的負(fù)載—燈泡實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，這里使用的繼電器線圈的電源是直流5V，如圖1虛線框部分所示。繼電器的電路連接相當(dāng)簡(jiǎn)單，只是在編程時(shí)要注意，D4端口為低電位時(shí)繼電器線圈得電，為高電位時(shí)繼電器線圈失電，只有這樣連接繼電器才能正常工作。

2 在Arduino IDE上搭建ESP8266開(kāi)發(fā)環(huán)境并編寫(xiě)程序

硬件電路準(zhǔn)備完畢，接下來(lái)是軟件編程部分。本次制作使用的編程工具是Arduino IDE，使用它的好處一是編程簡(jiǎn)單，尤其是使用它開(kāi)發(fā)過(guò)Arduino Uno板子的更容易上手；二是它有許多現(xiàn)成的庫(kù)，可以拿過(guò)來(lái)直接使用。

在編寫(xiě)程序之前，軟件的準(zhǔn)備部分整理如下，希望對(duì)初學(xué)者有所幫助。

(1)下載并安裝Arduino IDE，可以到Arduino的官網(wǎng)去下載，盡量下載新版本，如本次制作使用的版本是1.8.15。安裝完畢，最好用Arduino Uno的板子下載一個(gè)簡(jiǎn)單的示例程序，如果下載成功，說(shuō)明軟件與驅(qū)動(dòng)都可以正常工作，軟件安裝成功。

(2)添加ESP8266支持

打開(kāi)Arduino IDE軟件，點(diǎn)擊菜單欄的“文件”→“首選項(xiàng)”的“設(shè)置”頁(yè)面，找到“附加開(kāi)發(fā)板管理器地址”行，并在其后添加如下信息：

http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

之后點(diǎn)擊菜單欄的“工具”→“開(kāi)發(fā)板”→“開(kāi)發(fā)板管理器”，進(jìn)入“開(kāi)發(fā)板管理器”界面，找到ESP8266并安裝。盡量安裝新版本，本次制作安裝的版本是3.0.1。

安裝完成后，重啟 Arduino IDE 軟件。在菜單欄“工具”→“ 開(kāi)發(fā)板”選項(xiàng)中即會(huì)看到 “ESP8266 Boards(3.0.1)”開(kāi)發(fā)板的選項(xiàng)。點(diǎn)擊進(jìn)入，找到“WiFiduino”，開(kāi)發(fā)板添加完成。

這時(shí)可以將WiFiduino板用USB數(shù)據(jù)線與電腦相連，選擇相應(yīng)的COM端口，在菜單欄“文件”→“示例”→“WiFiduino的例子”欄目下找到“esp8266”→“Blink”。打開(kāi)此軟件，并將其下載到WiFiduino板子里，如果看到D2（見(jiàn)圖2）上面的LED燈閃爍，說(shuō)明軟件與硬件都工作正常，可以進(jìn)行下面的步驟。

(3)添加ModbusMaster庫(kù)

ESP8266要讀取RS485通信端口的數(shù)據(jù)，可以用ModbusMaster庫(kù)實(shí)現(xiàn)。在使用此庫(kù)之前，必須在Arduino IDE軟件里添加ModbusMaster庫(kù)。添加的方法是，點(diǎn)擊菜單欄的“工具”→“管理庫(kù)…”打開(kāi)“庫(kù)管理器”頁(yè)面，找到“ModbusMaster”庫(kù)，選擇版本，本制作選擇的版本是2.0.1。然后點(diǎn)擊“安裝”，完成安裝后，在庫(kù)頁(yè)面版本行后面多了“INSTALLED”字樣，說(shuō)明安裝完成。

至此，軟件準(zhǔn)備工作完成，可以進(jìn)行程序編寫(xiě)了。如果只是要讀取電能表的電流值，將圖1中的a、b兩點(diǎn)短接即可。程序編寫(xiě)如下：

將程序通過(guò)USB數(shù)據(jù)線下載到WiFiduino板。正常情況下，點(diǎn)擊Arduino IDE界面右上角的“串口監(jiān)視器”圖標(biāo)，串口監(jiān)視器的接收窗口會(huì)顯示出此時(shí)流過(guò)燈泡的電流值。

這里要特別注意：下載程序時(shí)，要將RS485轉(zhuǎn)TTL模塊的數(shù)據(jù)線從WiFiduino板的D0、D1端口斷開(kāi)，這樣程序才能寫(xiě)入WiFiduino板。程序下載完成，要再將RS485轉(zhuǎn)TTL模塊的數(shù)據(jù)線與WiFiduino板的D0、D1端口連接上，這樣電能表的數(shù)據(jù)才能傳給WiFiduino板。

3 手機(jī)端遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

WiFiduino板的最大特點(diǎn)是具有WiFi功能，容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。遠(yuǎn)程監(jiān)控項(xiàng)目主要由設(shè)備端、客戶端、服務(wù)器端三部分組成，本制作服務(wù)器端采用的是blinker。blinker實(shí)際上是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)接入方案，可以非常方便接入物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。blinker提供了ESP8266支持固件，設(shè)備只需要連接一個(gè)燒寫(xiě)了blinker固件的WiFi模塊即可接入。

blinker提供了手機(jī)APP到設(shè)備端的控制方案，配合由blinker團(tuán)隊(duì)運(yùn)維的客戶端（blinker APP）、服務(wù)器端，可以快速搭建出遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

手機(jī)端要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，主要完成以下兩個(gè)步驟。

(1)設(shè)備端程序中添加WiFi網(wǎng)絡(luò)連接功能

在改寫(xiě)程序之前，首先要在Arduino IDE軟件里添加blinker Arduino庫(kù)。方法是打開(kāi)“點(diǎn)燈科技”官網(wǎng)首頁(yè)，點(diǎn)擊進(jìn)入“開(kāi)發(fā)文檔”，點(diǎn)擊左邊的“快速開(kāi)始”欄，打開(kāi)“esp8266-WiFi接入”欄目，點(diǎn)擊“下載并安裝blinker Arduino庫(kù)”條目下的“點(diǎn)擊下載”，將下載好的blinker庫(kù)解壓到Arduino IDE程序文件夾的libraries 文件夾中，

打開(kāi)Arduino IDE軟件，點(diǎn)擊菜單欄的“文件”→“示例”，在“第三方庫(kù)示例”欄目下，可以看到有“blinker”，表示blinker Arduino庫(kù)安裝成功。

下面是本制作實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的完整程序。

如果仔細(xì)閱讀程序就可以發(fā)現(xiàn)，程序2只不過(guò)是在程序1的基礎(chǔ)上，添加了WiFi功能部分及遠(yuǎn)程監(jiān)控部分而已，還是比較容易理解的。

將程序下載到WIFiduino板子上，設(shè)備端部分即制作完成。

(2)手機(jī)端APP的設(shè)置

手機(jī)端APP的下載方法是打開(kāi)“點(diǎn)燈科技”官網(wǎng)首頁(yè)，點(diǎn)擊進(jìn)入“開(kāi)發(fā)文檔”，點(diǎn)擊左邊的“快速開(kāi)始”欄，打開(kāi)“esp8266-WiFi接入”欄目，點(diǎn)擊“下載并安裝blinker APP”條目下的“點(diǎn)擊下載”，或在android應(yīng)用商店搜索“blinker”下載安裝。

其基本設(shè)置步驟如下：

①添加設(shè)備

打開(kāi)blinker APP，首先要添加設(shè)備。在blinker 中，點(diǎn)擊右上角的“+”進(jìn)入添加設(shè)備頁(yè)面，點(diǎn)擊“獨(dú)立設(shè)備”圖標(biāo)，進(jìn)入“設(shè)備接入向?qū)А表?yè)面，點(diǎn)擊右下角的“網(wǎng)絡(luò)接入”按鈕，進(jìn)入“網(wǎng)絡(luò)接入”頁(yè)面，選擇通信服務(wù)商為“阿里云”，獲取SecretKey（設(shè)備密鑰），記住這串?dāng)?shù)字，并將其填入到程序2中。點(diǎn)擊下面的“返回我的設(shè)備”按鈕，在“所有設(shè)備”頁(yè)面即多出一個(gè)Arduino設(shè)備的圖標(biāo)，添加設(shè)備完成。

②設(shè)置“按鍵”組件

點(diǎn)擊新添加的設(shè)備圖標(biāo)，即進(jìn)入設(shè)備控制頁(yè)面。點(diǎn)擊右上角筆形的圖標(biāo)，即進(jìn)入編輯頁(yè)面。在編輯頁(yè)面的最下方是組件欄，有“文字”，“按鍵”，“數(shù)據(jù)”，“圖表”等組件。點(diǎn)擊“文字”組件圖標(biāo)，頁(yè)面上就出現(xiàn)一個(gè)文本框，可以進(jìn)行文字編輯。點(diǎn)擊“按鍵”組件圖標(biāo)，頁(yè)面上就出現(xiàn)一個(gè)按鍵控制圖標(biāo)。

點(diǎn)擊這個(gè)按鍵圖標(biāo)，即進(jìn)入按鍵組件編輯頁(yè)面。此頁(yè)面由兩部分組成，“樣式設(shè)置”可以選擇按鍵的圖標(biāo)樣式，“參數(shù)設(shè)置”則可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。如本制作的程序2中的按鍵組件名稱(chēng)是“btn-abc”，如果將本頁(yè)面“參數(shù)設(shè)置”里的“數(shù)據(jù)鍵名”填寫(xiě)為“btn-abc”，那么本按鍵就可以控制WiFiduino板上的繼電器觸點(diǎn)閉合與斷開(kāi)。

③設(shè)置“數(shù)據(jù)”組件

同樣，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)”組件圖標(biāo)，頁(yè)面上就出現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)顯示圖標(biāo)。點(diǎn)擊這個(gè)數(shù)據(jù)圖標(biāo)，即進(jìn)入數(shù)據(jù)組件編輯頁(yè)面。此頁(yè)面也由兩部分組成，“樣式設(shè)置”可以選擇數(shù)據(jù)的顯示樣式，“參數(shù)設(shè)置”則可以設(shè)置顯示哪一個(gè)參數(shù)。如本制作的程序2中的數(shù)據(jù)組件名稱(chēng)是“num-abc”，如果將本頁(yè)面“參數(shù)設(shè)置”里的“數(shù)據(jù)鍵名”填寫(xiě)為“num-abc”，那么本數(shù)據(jù)顯示組件就可以顯示W(wǎng)iFiduino板從電能表上采集的電流數(shù)據(jù)。

設(shè)置完畢，點(diǎn)擊保存，基本的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能即可實(shí)現(xiàn)。更多的功能，還需要制作者自己去探索完成。