0 引 言
DCS（集散控制系統(tǒng)）綜合了計(jì)算機(jī)、自動控制、通信等技術(shù)，具有大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、信息管理及較強(qiáng)數(shù)據(jù)通信能力等特點(diǎn)而成為目前主導(dǎo)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(shè)備間大多采用有線方式來實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)通信功能，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；在地形條件不好、臨時組網(wǎng)時，系統(tǒng)控制設(shè)備布線復(fù)雜、維護(hù)困難等。
因此采用基于ZigBee數(shù)傳技術(shù)的無線DCS 系統(tǒng)是對現(xiàn)場工業(yè)控制領(lǐng)域一個有益的補(bǔ)充，對進(jìn)行信號傳輸，避免布線和維護(hù)具有重要意義。
1 ZigBee 技術(shù)及STM32W108 簡介
1.1 ZigBee 技術(shù)
ZigBee數(shù)傳技術(shù)是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要用于近距離無線連接，由于ZigBee無線模塊的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點(diǎn)，決定了ZigBee模塊技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的包括工業(yè)控制、工業(yè)自動化等工業(yè)領(lǐng)域。
1.2 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(diào)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(guān)的ZigBee 協(xié)議棧，就可以直接利用協(xié)議棧提供的API 進(jìn)行二次開發(fā)。其優(yōu)勢主要有三點(diǎn)：一是在保
持低功耗的基礎(chǔ)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(nèi)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(jìn)行符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品開發(fā)，大大簡化產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)復(fù)雜度，增加了可靠性。
2 系統(tǒng)總體架構(gòu)
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(cè)重現(xiàn)場控制站的設(shè)計(jì)。采用具有Cortex-M3 內(nèi)核的32 位微控制器STM32W108 為硬件平臺，以ZigBee數(shù)傳模塊技術(shù)為核心，通過應(yīng)用程序各個任務(wù)之間的協(xié)調(diào)來共同完成數(shù)據(jù)通信與傳輸。工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)合多種傳感器進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集，將收集到數(shù)據(jù)通過WSN 網(wǎng)絡(luò)送至協(xié)調(diào)器，再由RS232 串口通信送到Tiny6410 網(wǎng)關(guān)或C/S 與B/S 模式的客戶端，完成數(shù)據(jù)庫的記錄、檢測。也可發(fā)送控制指令，控制指令通過ZigBee 數(shù)傳模塊網(wǎng)絡(luò)到達(dá)被控制節(jié)點(diǎn)，通過執(zhí)行器達(dá)到控制現(xiàn)場參數(shù)目的。現(xiàn)場控制站數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖 1 所示。
圖1 現(xiàn)場控制站數(shù)據(jù)傳輸示意圖
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)。
3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 STM32W108 ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)
ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的核心，用于完成數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、執(zhí)行通信協(xié)議和節(jié)點(diǎn)調(diào)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(shù)據(jù)和執(zhí)行各種控制動作（如A/D 轉(zhuǎn)換）；電源是所有電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)，電源模塊的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到節(jié)點(diǎn)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(diǎn)不可缺少的組成部分。
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ZigBee數(shù)據(jù)采集，并自動搜索周圍的協(xié)調(diào)器、加入WSN 網(wǎng)絡(luò)并將采集到的數(shù)據(jù)集中發(fā)送至STM32W108 和Tiny 6410 網(wǎng)關(guān)，將RS 232 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。STM32W108 ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)原理圖如圖2 所示。
圖2 STM32W108采集節(jié)點(diǎn)原理圖
3.2 STM32W108 協(xié)調(diào)器
STM32W108 協(xié)調(diào)器主要功能是ZigBee無線模塊通信和人機(jī)交互，主要由ZigBee模塊和鍵盤模塊、液晶模塊等模塊構(gòu)成。STM32W108 協(xié)調(diào)器原理圖如圖3 所示。
圖3 STM32W108協(xié)調(diào)器原理圖
3.3 Tiny 6410 網(wǎng)關(guān)
Tiny 6410 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。6410 網(wǎng)關(guān)將協(xié)調(diào)器傳來的底層數(shù)據(jù)反映在液晶屏上，方便用戶操作；同時將實(shí)時數(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)時監(jiān)測工業(yè)現(xiàn)場的情況。Tiny 6410 網(wǎng)關(guān)原理圖如圖4 所示。
圖4 Tiny 6410網(wǎng)關(guān)原理圖
4 軟件設(shè)計(jì)
ZigBee 具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，本方案采用ZigBee模塊技術(shù)來組建無線通信平臺，軟件部分主要包含網(wǎng)關(guān)與USB-WiFi模塊通信、協(xié)調(diào)器與節(jié)點(diǎn)間通信兩部分。
4.1 網(wǎng)關(guān)程序流程
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。
4.2 協(xié)調(diào)器與節(jié)點(diǎn)程序流程
STM32W108 節(jié)點(diǎn)是WSN 網(wǎng)絡(luò)的載體，是無線DCS 現(xiàn)場控制站的核心內(nèi)容，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)的具體工作。首先將對應(yīng)的程序燒寫入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)及傳感器節(jié)點(diǎn)中，然后將協(xié)調(diào)器及傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行硬件設(shè)備上電初始化，協(xié)調(diào)器開始協(xié)議棧初始化、掃描傳輸通道并建立網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)檢查合適的網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)后將網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到信息后，將信息接受、處理。其協(xié)調(diào)器與節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖5 所示。
圖5 STM32W108協(xié)調(diào)器與節(jié)點(diǎn)流程圖
5 系統(tǒng)測試
5.1 傳輸時延與可靠性測試
ZigBee數(shù)傳技術(shù)作為一種近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線通信，響應(yīng)速度較快，在工業(yè)控制系統(tǒng)傳輸實(shí)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(wǎng)絡(luò)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(diǎn)對點(diǎn)的可靠性測試分無障礙測試和隔墻測試，在保證數(shù)據(jù)不丟失的前提下，對不同的現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行了50 次測試，查看并對比數(shù)據(jù)的收發(fā)次數(shù)（發(fā)送50 次）計(jì)算出數(shù)據(jù)丟包率，測試結(jié)果如表1 所示。
表1 有效通信距離測試
6 結(jié) 語
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，基于ZigBee模塊技術(shù)構(gòu)建的無線DCS 現(xiàn)場控制站突破了有線網(wǎng)絡(luò)物理媒質(zhì)的限制，可對現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行無線ZigBee數(shù)據(jù)采集，拓展了DCS 系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。該無線DCS 現(xiàn)場控制站組網(wǎng)迅速，信息采集精確，實(shí)時性好，檢測和控制穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，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。