引言

DCS （集散控制系統(tǒng)）綜合了計算機、自動控制、通信等 技術，具有大規(guī)模數據處理、信息管理及較強數據通信能力 等特點而成為目前主導的自動化控制系統(tǒng)。目前，DCS系統(tǒng)在 過程控制級與控制管理級之間以及過程控制級設備間大多采 用有線方式來實現(xiàn)其數據通信功能，系統(tǒng)采用標準模擬信號 進行數據傳輸，信號可靠性、抗干擾等性能較差；在地形條 件不好、臨時組網時，系統(tǒng)控制設備布線復雜、維護困難等。 因此采用基于ZigBee技術的無線DCS系統(tǒng)是對現(xiàn)場工業(yè)控 制領域一個有益的補充，對進行信號傳輸，避免布線和維護 具有重要意義。

1 ZigBee 技術及 STM32W108 簡介

ZigBee 技術

ZigBee技術是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、 低數據速率和低成本的無線網絡技術。主要用于近距離無線 連接，由于ZigBee技術的低數據速率和通信范圍較小的特點, 決定了 ZigBee技術適合于承載數據流量較小的包括工業(yè)控 制、工業(yè)自動化等工業(yè)領域。

STM32W108 簡介

STM32W108是ST公司的具有更高性能、低功耗、發(fā)射 功率軟件可調的系統(tǒng)芯片。STM32W108芯片采用硬件固化協(xié) 議棧，不必移植相關的ZigBee協(xié)議棧，就可以直接利用協(xié)議 棧提供的API進行二次開發(fā)。其優(yōu)勢主要有三點：一是在保 持低功耗的基礎上,采用了 32位ARM Cortex-M3的微處理器, 并有廣泛的ARM開發(fā)工具支持；二是芯片內部帶有功率放大 器，發(fā)射輸出功率可配置至+8 dBm，無需外部功放就可以獲 得較大的通信距離；三是STM32W108芯片不同版本分別固化了 802.15.4 MAC、ZigBee、RF4CE等協(xié)議棧，用戶可以進行 符合相關標準的無線網絡產品開發(fā)，大大簡化產品開發(fā)的技術 復雜度，增加了可靠性。

2系統(tǒng)總體架構

DCS系統(tǒng)通常分為現(xiàn)場控制站（級）、操作監(jiān)控級和綜合 信息管理級三個部分，而本方案側重現(xiàn)場控制站的設計。采 用具有Cortex-M3內核的32位微控制器STM32W108為硬件 平臺，以ZigBee技術為核心，通過應用程序各個任務之間的 協(xié)調來共同完成數據通信與傳輸。工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點結合多 種傳感器將收集到數據通過WSN網絡送至協(xié)調器，再由RS 232串口通信送到Tiny6410網關或C/S與B/S模式的客戶端, 完成數據庫的記錄、檢測。也可發(fā)送控制指令，控制指令通 過ZigBee網絡到達被控制節(jié)點，通過執(zhí)行器達到控制現(xiàn)場參 數目的?，F(xiàn)場控制站數據傳輸示意圖如圖1所示。

根據數據傳輸鏈路，確定了以傳感器信息為數據源，以 底層節(jié)點與協(xié)調器組成WSN網絡和串口通信為數據鏈路，網 關完成數據的初步整合處理，通過人機交互終端，可以完成 信息的接收展示、數據庫的操作以及控制指令的下發(fā)。

3硬件設計

3.1 STM32W108采集節(jié)點

采集節(jié)點主要由處理器模塊、傳感器模塊、電源模塊及 其他外圍模塊組成。STM32W108處理器模塊是節(jié)點的核心, 用于完成數據發(fā)送，數據處理、數據存儲、執(zhí)行通信協(xié)議和 節(jié)點調度管理等工作；傳感器模塊包括各種傳感器和執(zhí)行器, 用于感知數據和執(zhí)行各種控制動作（如A/D轉換）；電源是所 有電子系統(tǒng)的基礎，電源模塊的設計直接關系到節(jié)點的壽命；其他外圍模塊包括按鍵、LED、低電量檢測電路等，也是節(jié)點 不可缺少的組成部分。

STM32W108作為核心芯片，結合多種傳感器構成底層 的STM32W108節(jié)點對現(xiàn)場環(huán)境參數進行采集，并自動捜索 周圍的協(xié)調器、加入WSN網絡并將采集到的數據集中發(fā)送至 STM32W108和Tiny 6410網關，將RS 232串口數據轉換成網 口數據然后發(fā)送到外部網絡中。STM32W108采集節(jié)點原理圖 如圖2所示。

3.2  STM32W108 協(xié)調器

STM32W108協(xié)調器主要功能是ZigBee通信和人機交 互，主要由ZigBee模塊和鍵盤模塊、液晶模塊等模塊構成。 STM32W108協(xié)調器原理圖如圖3所示。

3.3Tiny 6410 網關

Tiny 6410網關包含多種接口和傳感器節(jié)點，負責數據采 集、傳輸及下行控制。6410網關將協(xié)調器傳來的底層數據反 映在液晶屏上，方便用戶操作；同時將實時數據通過板載的 EtherNet接口發(fā)送到以太網上，用戶可登錄服務器實時監(jiān)測工 業(yè)現(xiàn)場的情況。Tiny 6410網關原理圖如圖4所示。

4軟件設計

ZigBee具備強大的設備聯(lián)網功能，本方案采用ZigBee 技術來組建無線通信平臺，軟件部分主要包含網關與USB- WiFi模塊通信、協(xié)調器與節(jié)點間通信兩部分。

4.1網關程序流程

Tiny 6410與USB-Wifi模塊相連接，將ZigBee協(xié)調器上 的信息通過無線的方式寫到數據庫服務器，Tiny 6410網關在 共享數據庫資源中起到重要作用。

4.2協(xié)調器與節(jié)點程序流程

STM32W108節(jié)點是WSN網絡的載體，是無線DCS現(xiàn) 場控制站的核心內容，協(xié)調器節(jié)點與傳感器節(jié)點的具體工作。

首先將對應的程序燒寫入協(xié)調器節(jié)點及傳感器節(jié)點中，然后將協(xié)調器及傳感器節(jié)點進行硬件設備上電初始化，協(xié)調器開始協(xié)議棧初始化、掃描傳輸通道并建立網絡，傳感器節(jié)點檢查合 適的網絡，加入網絡后將網絡地址發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器收 到信息后，將信息接受、處理。其協(xié)調器與節(jié)點的程序流程圖 如圖5所示。

5系統(tǒng)測試

5.1傳輸時延與可靠性測試

ZigBee作為一種近距離、低功耗、低數據速率、低成本 的無線通信，響應速度較快，在工業(yè)控制系統(tǒng)傳輸實時性和 可靠性高。本方案無線DCS現(xiàn)場控制站系統(tǒng)通過測試，該網 絡的丟包率為0,時延低（平均30.8 ms），傳輸穩(wěn)定，滿足工 業(yè)現(xiàn)場控制要求。

5.2通信距離測試

通信距離點對點的可靠性測試分無障礙測試和隔墻測試, 在保證數據不丟失的前提下，對不同的現(xiàn)場環(huán)境進行了 50次 測試，查看并對比數據的收發(fā)次數（發(fā)送50次）計算出數據 丟包率，測試結果如表1所示。

6結語

經過實驗測試，基于ZigBee技術構建的無線DCS現(xiàn)場控制站突破了有線網絡物理媒質的限制，拓展了 DCS 系統(tǒng)的應用范圍。該無線 DCS 現(xiàn)場控制站組網迅速，信息采集精確，實時性好，檢測和控制穩(wěn)定等諸多優(yōu)點，可以滿足工業(yè)的現(xiàn)場控制、數據采集及 DCS 系統(tǒng)進一步擴展的需求。

20211223_61c44ce3e639a__基于ZigBee技術的無線DCS現(xiàn)場控制站設計