EM-200 集中器设计：多协议抄读调度与离线续传

问题背景

省级工业园区要落实重点用能单位能耗在线监测要求，园区企业的配电房里电表、水表、气表品牌杂乱、协议不一，过去靠人工抄表、月报表格，数据滞后无法监管。EM-200 的任务很明确：本地定时抄读三表，每日 0 点冻结，经 4G 上报园区能耗监测平台，数据直通市级平台。抄表数据关联能耗考核，一条都不能丢。

硬件是 ESP32-S3-WROOM-1（16MB Flash + 8MB PSRAM，双核 Xtensa LX7 @240MHz，512KB 内部 SRAM），3 路 RS485 各配一片 SP3485，4G 走 USB-OTG 做主上行、W5500 以太网做备份，TF 卡挂 SPI3 存冻结与断网缓存，另有外置 RTC 和掉电检测电路。

选型阶段算过三笔账：64 块表每 5 分钟一轮，每表合并后 1–2 帧，单帧总线时间约 60ms，总线占用约 2.6%；每帧 CRC 加解析只有几十微秒，双核占用低于 1%；表档案 64×300B 约 19KB、值库约 12KB、冻结数据约 12KB/天，总量不到 100KB，远小于 512KB。唯一瓶颈是 UART 只有 3 个，正好被 3 路 RS485 占满，所以 4G 走 USB-OTG 而不是 UART。

设计思路

软件分四层：服务层（抄表调度、MQTT 上报、存储续传、配置系统服务）、数据模型（表档案库 + 实时值库 + 冻结/事件记录）、协议适配（Modbus RTU 主站，协议层留抽象）、总线（FreeRTOS 队列 + 事件组）。

三个决策定了整个系统的形状：

决策	选择	理由
表计适配	表档案配置化，地址/波特率/点表/周期全配置	现场表计品牌杂，换表不改代码
模块间通信	服务化 + FreeRTOS 队列，不直接调用	解耦，单服务崩溃不影响其他
可靠性优先级	完整性优先于实时性	冻结必达、失联必报

关键实现

表档案配置化

每块表一份档案，定长数组存 64 条上限，NVS 持久化：

typedef struct {
    uint16_t meter_id;
    uint8_t  channel;      /* 0/1/2 对应三路 RS485 */
    uint8_t  slave_addr;
    uint32_t baudrate;
    uint16_t period_s;
    uint8_t  priority;
    uint16_t fail_cnt;
    int64_t  last_ok_ms;
    point_t  points[];     /* 寄存器地址+数量+点ID+缩放系数 */
} meter_archive_t;

换表只改档案不改代码，这是现场实施效率的关键。

三通道错峰轮询

3 个通道各一个调度器，3 个 UART 物理并行；通道内按"下次执行时刻"排序（时间轮或小堆），到期才发。错峰的目的是避免 64 块表同一时刻齐抄把总线堵死。失败的表下次间隔 ×2 并封顶，失联表重试不挤占正常表的带宽。

寄存器区间合并

每块表有多个测点（电压/电流/功率/电量），零散读会产生大量小帧。同表连续寄存器一次事务读完：

text

点表按寄存器地址升序：0x0000, 0x0001, 0x0002, 0x0006
合并结果：读 0x0000 起 3 个  +  读 0x0006 起 1 个

中间夹着不读的寄存器是主要边界情况：间隔小于阈值就一起吃进同一个读事务，大于阈值就拆开。大点表超过帧长上限（如 60 字节）时自动分批。

协议层抽象与 DL/T 645 预留

协议层用函数指针抽象，当前只实现 Modbus RTU：

typedef struct {
    int (*encode)(const rd_task_t *t, uint8_t *buf, size_t *len);
    int (*decode)(const uint8_t *rx, size_t *len, rd_result_t *out);
} proto_ops_t;

园区表统一是支持 Modbus 的导轨表，国网抄表体系才用 DL/T 645。留一个注册位，将来接 645 只加一个实现，调度与上报都不用动。这是"预留但不实现"的克制，避免过度设计。

实时值库与日冻结

值库条目 = 点ID + 值 + 质量戳（新鲜/超时/失联）+ 时间戳，采用双缓冲：抄读任务写后备缓冲，周期性翻转，读侧无锁。上报服务从这里取数发实时遥测（QoS0）；每日 0 点冻结当日水电气数据，形成考核用正式记录（QoS1）。

断网缓存与按水位补传

上报失败或断网时，冻结与告警数据落 TF 卡。存储不用文件系统数据库，按条追加：记录 = 记录头（序号 + 时间戳 + 类型）+ 数据 + CRC，环形滚动。链路恢复后严格按水位顺序补传，上报服务确认一条推进一档，平台侧按序号去重防重复。启动时扫描环形区，用 CRC 丢掉半条记录并修复水位。容量超限丢最旧并上报告警。

失联判定与直报

连续 N 次失败或 M 秒无成功即标失联，抛告警事件走 QoS1 且插队优先——链路再堵，失联告警也必须先出去。

踩坑与经验

波特率按通道固定。换表时动态切波特率极易出错，实施阶段统一约定更稳。
应答超时固定 100ms 起步，慢表在档案里单独放宽。
帧间静默遵守 3.5 字符间隔，配合 DE/RE 收发切换，否则会踩到上一条帧的尾巴。
广播校时无应答，成功与否只能靠回读抽查代表表时钟来验证。
现场联调遇到的真实问题集中在表地址冲突、波特率配错、总线没接终端电阻——硬件侧由实施同事处理，协议层要能留下排查记录自证无责。
掉电检测触发中断，在彻底断电前的几十 ms 窗口里落最后一批数据。

小结

EM-200 的核心不是"把数据抄上来"，而是在表计品牌杂、链路不稳定、现场无人值守的约束下，让数据完整可达。表档案配置化解决适配，错峰轮询与区间合并解决总线带宽，环形存储与水位补传解决断网，分级 QoS 与失联直报解决时效。完整性优先于实时性，是这个项目所有取舍的出发点。