摘 要： 針對傳統(tǒng)DCS在數(shù)據(jù)傳輸和通信方面出現(xiàn)的布線復(fù)雜、可靠性差等問題，提出了基于STM32W的無線DCS現(xiàn)場控制站設(shè)計(jì)方案。以集成符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的STM32W單片機(jī)為載體，采用ZigBee技術(shù)為核心組建WSN網(wǎng)絡(luò)，提出了無線DCS控制站替代有線控制站的解決方案。

　　關(guān)鍵詞： DCS；STM32W 單片機(jī)；ZigBee技術(shù)；現(xiàn)場控制站

0 引言

　　DCS(集散控制系統(tǒng)）因具有大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、信息管理及較強(qiáng)數(shù)據(jù)通信能力而成為目前主導(dǎo)的自動化控制系統(tǒng)[1]。DCS系統(tǒng)綜合了計(jì)算機(jī)、自動控制、通信等技術(shù)，但該系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場控制方面存在以下不足：（1）系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)模擬信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，信號可靠性、抗干擾等性能較差；（2）不同廠家的DCS由于標(biāo)準(zhǔn)不同而無法實(shí)現(xiàn)互相通信，給系統(tǒng)集成帶來困難；（3）系統(tǒng)控制設(shè)備布線復(fù)雜、受物理空間限制、維護(hù)困難等。因此采用無線組網(wǎng)方式進(jìn)行信號傳輸具有重要意義。

1 系統(tǒng)方案

　　本設(shè)計(jì)方案針對有線連接的不足，以短距離無線通信ZigBee（IEEE802.15.4）技術(shù)為核心，以集成符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的STM32W單片機(jī)為硬件載體，提出了無線替代有線的DCS系統(tǒng)解決方案[2]。

　　DCS系統(tǒng)通常分為現(xiàn)場控制站（級）、操作監(jiān)控級和綜合信息管理級3個(gè)部分，而本方案側(cè)重現(xiàn)場控制站的設(shè)計(jì)。工業(yè)現(xiàn)場各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總到協(xié)調(diào)器以后，協(xié)調(diào)器通過自身定義的網(wǎng)關(guān)功能，將RS232串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)口數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)并完成數(shù)據(jù)庫的記錄、檢測[3]。底層的STM32節(jié)點(diǎn)自動搜索周圍的協(xié)調(diào)器，加入WSN網(wǎng)絡(luò)并將各種傳感器收集到的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過該網(wǎng)絡(luò)傳給協(xié)調(diào)器。上位PC機(jī)通過相關(guān)軟件，即可接收到ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)，并通過軟件逆向發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制。通過執(zhí)行器達(dá)到控制現(xiàn)場參數(shù)的目的?，F(xiàn)場控制站數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖 1所示[4]。

　　根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸鏈路，確定了以傳感器信息為數(shù)據(jù)源，以底層節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器組成WSN網(wǎng)絡(luò)和串口通信為數(shù)據(jù)鏈路，網(wǎng)關(guān)完成數(shù)據(jù)的初步整合處理，通過人機(jī)交互終端，可以完成信息的接收展示、數(shù)據(jù)庫的操作以及控制指令的下發(fā)[5]。

2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 STM32W108節(jié)點(diǎn)

　　STM32W系列產(chǎn)品集成IEEE 802.15.4物理層（PHY）單元以及媒體訪問控制層（MAC）單元，使開發(fā)人員能夠靈活地主攻ZigBee協(xié)議兼容規(guī)范或創(chuàng)建任何一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)化的 IEEE802.15.4 MAC相連的網(wǎng)絡(luò)無線傳輸協(xié)議。STM32W系列是一款真正的系統(tǒng)級（SoC）芯片，整合最優(yōu)異的IEEE 802.15.4射頻性能與32位處理性能。這個(gè)器件可發(fā)射最大7 dBm的輸出功率，支持最高107 dB的鏈路預(yù)算，接收靈敏度高達(dá)100 dBm。其主要特色是采用先進(jìn)的32位ARM Cortex-M3處理器，而且率先徹底消除了32位微控制器在嵌入式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的所有障礙。

　　本設(shè)計(jì)方案采用STM32W108作為核心芯片，結(jié)合多種傳感器構(gòu)成底層的STM32W108節(jié)點(diǎn)對現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并自動搜索周圍的協(xié)調(diào)器加入WSN網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)集中發(fā)送至STM32W108和Tiny6410網(wǎng)關(guān)，將RS232串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)口數(shù)據(jù)然后發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)中[6]。STM32W108節(jié)點(diǎn)原理圖如圖2所示。

　　2.2 STM32W108協(xié)調(diào)器

　　STM32W108協(xié)調(diào)器的主要功能是ZigBee通信和人機(jī)交互，主要由ZigBee模塊、鍵盤模塊、液晶模塊等構(gòu)成。STM32W108協(xié)調(diào)器原理圖如圖3所示。

　　2.3 Tiny6410網(wǎng)關(guān)

　　Tiny6410網(wǎng)關(guān)包含多種接口和傳感器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、傳輸及下行控制。Tiny6410網(wǎng)關(guān)將協(xié)調(diào)器傳來的底層數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上,方便用戶操作；同時(shí)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過板載的EtherNet接口發(fā)送到以太網(wǎng)上，用戶可登錄服務(wù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測工業(yè)現(xiàn)場的情況。Tiny6410網(wǎng)關(guān)原理圖如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 協(xié)調(diào)器程序流程圖

　　STM32W108協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)ZigBee通信和人機(jī)交互，是無線DCS現(xiàn)場控制站的核心內(nèi)容，協(xié)調(diào)器的程序流程圖如圖5所示[7]。

　　3.2 網(wǎng)關(guān)程序流程圖

　　Tiny 6410與USB-WiFi模塊相連接，將ZigBee協(xié)調(diào)器上的信息通過無線的方式寫到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，Tiny 6410網(wǎng)關(guān)在共享數(shù)據(jù)庫資源中起到重要作用。網(wǎng)關(guān)部分的軟件流程圖如圖6所示。

4 傳輸可靠性試驗(yàn)結(jié)果

　　工業(yè)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠非常重要。ZigBee作為一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線通信技術(shù),響應(yīng)速度較快，用于工業(yè)控制系統(tǒng)中傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性高。通過協(xié)調(diào)器對傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)并返回的方法對其組成的WSN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸研究測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明，該網(wǎng)絡(luò)丟包率為0，時(shí)延低（平均32.11 ms），傳輸穩(wěn)定可靠，達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場控制要求。

　　5 結(jié)論

　　結(jié)果證明，基于STM32W的無線DCS現(xiàn)場控制站突破了有線網(wǎng)絡(luò)物理媒介的限制，拓展了DCS系統(tǒng)的控制地域范圍。該無線DCS現(xiàn)場控制站組網(wǎng)迅速，信息采集精確，實(shí)時(shí)性好，傳輸穩(wěn)定，可以滿足工業(yè)的現(xiàn)場控制、數(shù)據(jù)采集及DCS系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展的需求。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 趙眾,馮曉東,孫康. 集散控制系統(tǒng)原理及其應(yīng)用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2007.

　　[2] 葛智平,郭濤,石耀武. 一種DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障分析與優(yōu)化方案探討[J]. 電力科技與環(huán)保, 2014,30(2):52-54.