基于 ESP32 和 LAN8720A 的网关

该项目推出了一款基于 ESP32 微控制器和 LAN8720A 以太网 PHY 的紧凑型、低功耗的 Modbus RTU 至以太网/ Wi-Fi 的网关。

其目标是将传统的 Modbus RTU(RS-485)工业设备连接到现代的 IP 网络和云端，从而能够利用 MQTT 进行远程监控和数据采集。

该网关已在包含可编程逻辑控制器(PLC)和工业能源计量设备的实际应用中进行了测试，并且适用于工业改造、物联网集成以及创客项目。

为何要开展此项目?

许多工业设备仍依赖于通过 RS-485 进行的 Modbus RTU 通信方式，这使得远程监控和系统集成变得十分困难。

该项目通过以下方式解决了那个问题：

•将 Modbus RTU 协议转换为 Modbus TCP / MQTT 协议

•支持以太网和 Wi-Fi 两种网络技术

•保持硬件设计简洁、价格合理且开放化

系统架构

硬件组件

•ESP32 — 主微控制器和协议处理程序

•RS-485 串口收发器(MAX485 / SP485 / SN65HVD1781)

•LAN8720A 以太网物理层(RMII 接口)

•以太网隔离变压器(汉润 HR911105A)

•电源输入和保护电路

高层级流程

•ESP32 通过 RS-485 接口从 Modbus RTU 从机读取/写入数据

•数据被处理并进行了格式化。

•数据通过以下方式发送至云端：

无线网络，或者以太网(LAN8720A)

数据通过以下方式传输至云端：无线网络(Wi-Fi)，或以太网(LAN8720A)

与上层系统的所有通信均采用 MQTT 协议进行。

主要特点

✅ 模块化串行总线 RTU 主站(RS-485)

✅ 通过 LAN8720A 实现以太网(10/100 Mbps)连接

✅ Wi-Fi 连接功能

✅ MQTT 数据发布

✅ 与 PLC(可编程逻辑控制器)及工业设备兼容

✅ 基于 Arduino 的固件

✅ 低功耗(小于 2 瓦)

Modbus RTU 规范

接口：RS-485

支持的波特率：1200、2400、4800、9600……115200，最高可达 512000 波特。

最大从机数量：一个总线上最多可连接 32 个设备

保护：

•100 毫安保险丝(过载保护)

•TVS 二极管(6.8 伏)用于过压保护

•保护功能：100 毫安保险丝(过载保护)以及 6.8 伏瞬态电压抑制二极管(用于防浪涌保护)

以太网规范(LAN8720A)

•速度：10/100 Mbps

•工作温度：-40°C 至 +85°C

•隔离：汉润 HR911105A 变压器

•专为在工业环境中实现稳定运行而设计

功率与散热设计

•输入电压：7 - 40 伏(交流或直流)

•功耗：< 2 瓦

•运行时的典型板件温度：45 至 55 摄氏度

为确保可靠性：

•一个 5 伏特的散热风扇

•当温度升高时，散热器就会启动。

软件实现

•使用 Arduino IDE 开发而成

•模块化固件结构

用途：

•用于 RS-485 通信的 Modbus RTU 库

ESP32 网络协议栈(Wi-Fi / 以太网)

•用于云数据传输的 MQTT 协议

•用途：用于 RS-485 通信的 Modbus RTU 库、ESP32 网络协议栈(Wi-Fi / 以太网)、用于云端数据传输的 MQTT 协议

可以通过以下方式对数据进行监控：

•智能手机应用程序

•个人电脑/笔记本电脑软件(包括定制的 C# 工具)

•应用程序

•工业数据记录

•PLC 监控

•电能表(例如 MFM 设备)

•工厂自动化改造工程

•适用于传统系统的物联网网关

•用于 Modbus 及工业网络的教育项目

代码一

代码二

代码三

本文编译自hackster.io