构建基础板：具有桥接Modbus传感器连接到Lorawan无线连接的能力

时间：2025-10-22 15:53:44

关键字： Modbus传感器基础板工业物联网

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[导读]我从硬件库存的墓地中复活了旧主板。这个板曾经是创业公司的MVP产品。两年前，当初创公司还处于炒作阶段，有很多投资者想要慷慨地为初创公司提供资金时，我们看到了工业物联网领域的巨大机遇。我和其他创始人正在迈出第一步，以实现建立这家主要专注于工业物联网应用的创业公司的想法。

我从硬件库存的墓地中复活了旧主板。这个板曾经是创业公司的MVP产品。两年前，当初创公司还处于炒作阶段，有很多投资者想要慷慨地为初创公司提供资金时，我们看到了工业物联网领域的巨大机遇。我和其他创始人正在迈出第一步，以实现建立这家主要专注于工业物联网应用的创业公司的想法。

我从这些制造业中注意到的一件事是他们使用标准的工业测量工具，这导致了一个相似之处，这些工具使用标准接口称为MODBUS。从这个机会，这个硬件诞生了桥接MODBUS到Lorawan/无线数据。

在本项目中，主要目标是恢复硬件，使其能够从Modbus传感器采集数据，将数据保存到SDCard或内部数据缓冲区，进行数据转换，并将数据发送到云端。

具有MODBUS协议能力的土壤传感器正在这个项目中用于PoC(概念验证)，因为这是我的垃圾抽屉中唯一支持MODBUS的传感器。

主图

从下面的图表中，它大致解释了将在这个项目中实现的想法。从下到上有带modbus RTU - RS485接口的土壤传感器，可采集土壤质量信息。为了获取传感器内部的数据，主板需要借助UART到RS485板转换器进行modbus RTU数据查询。通过这样的查询命令，我们将能够收集土壤的温度、体积含水量(VWC)和电导率(EC)。

一旦板获得土壤数据，主板将对实际值进行转换，并将转换发送到lorawan网关。为了能够发送lorawan协议和lorawan无线电，ESP32S3将需要RFM95支持来完成这些事情。RFM95和ESP32S3之间通过SPI接口通信，在主板内部进行物理连接。

Lorawan网关将接收来自主板的数据，并将数据存储在Lorawan本地服务器内部。在此lorawan网关中，采用RAK网关模块作为集中器，Balena鳍板作为网关基板。基板本身能够运行RPi OS和Chirpstack作为lorawan服务器。从这个阶段开始，我们可以查看主板/节点发送的数据。

Thingsboard需要作为仪表板，以提供传感器数据的交互式视图。Lorawan网关可能需要一个桥接器来执行数据传输到Thingsboard。在Thingsboard免费版中，不支持Chirpstack - Thingsboard集成，因此可能需要在Chirpstack - Thingsboard之间创建手动桥接。

硬件列表

要建立这个项目，需要几个硬件：

•自定义Modbus到Lorawan板

•Lorawan网关

•UART/TTL转RS485

•支持Modbus-RTU的土壤测量传感器

•云服务器/ Thingsboard服务器

明确地，建立自定义Modbus - Lorawan板：

•ESP32S3

•RFM95W

•MPPT太阳能充电器

•SD卡数据接口和插槽。

硬件图

从主板到传感器的连接图解释如下。主板通过USB接口供电，为主板上的各个模块和部件供电。电压转换3.3V也分配到外板提供板支撑，本项目为RS485板转换器。

通过跳线进行Uart连接，将Uart - rs485的TTL端口连接到主板。在转换板的另一侧，引脚A和B连接到传感器引脚。为了使传感器正常工作，本项目采用外接12V适配器，12V输出连接到土壤传感器的输入电源引脚。

为了更好地了解主板，此图对每个模块的连接进行了高级概述。该板的主控板是ESP32S3，能够提供WIFI、BLE等无线连接性能，并带有一些外围设备作为通信接口。

如图所示，ESP32S3通过SPI连接，将命令/数据发送到支持模块(RFM95)，并通过SPI接口将数据文件读/写到SDcard。ESP32S3还保留了其他GPIO，可作其他用途。

电源控制器为单板上的所有模块供电。有三种电源可以切换，它们是USB，太阳能电池板和电池。

主板概述

硬件测试

由于该板长期处于休眠状态，因此可能需要进行功能检查以确保该板正常运行。一些功能性检查包括：

•Lorawan连接测试

•SD卡数据Wr/R测试

•Modbus查询测试

有关此检查的更多细节请参见视频/录音。

固件图与实现

下面的图表描述了正确完成这项工作的主要流程图。经过几次试验，由于库问题，需要通过排除SD卡的写入和读取命令来更新此图，其中expressif - Arduino VSPI没有按预期工作，导致错误行为。

首先初始化外设，然后启动lorawan例程/事件。这个lorawan调度时间是每60秒一次，所以lorawan网关每分钟都会收到最新的数据。一旦启动，lorawan固件将自动处理每个事件和调度。

lorawan初始化后开始Modbus数据查询。单板以Modbus数据格式发送Modbus RTU命令。有关modbus RTU的更多细节，我们可以遵循此信息。

来自modbus的RTU代码，基于modbus的数据协议

Modbus地址：0x01

功能码：0x03

起始地址：0x0000

请求的数据长度：0x000A

CDC: 0xC5CD

一旦modbus从/目标发送反馈，固件将modbus值转换为实际值，并将其复制到lorawan数据负载中。

由于需要执行多个测试，因此在此项目上开发了多个固件。主要实现是ESP32S3_RFM_Firmware，涵盖了从获取土壤传感器数据到将数据发送到云的所有过程。

下面的代码是程序运行的主要流程，这个代码是基于上面的固件图编写的。从外设初始化开始，读取数据总线，发送测量数据。我们可能注意到modbus数据查询和lorawan事件是如何共存的。lorawan栈/事件需要与其他栈中的modbus数据查询分离，这种方法可以防止由于lorawan事件和优先级导致主栈溢出。

从代码中还执行了数据modbus转换到其实际值，并将其存储在lorawan有效负载中。modbus查询每20秒触发一次，但数据每1分钟传输一次，这意味着平台和lorawan服务器将接收到最新/最大的数据。