徐科明+劉恩華

摘 要：針對傳統(tǒng)DCS 系統(tǒng)在過程控制中采用有線方式來實現(xiàn)其數(shù)據(jù)通信而出現(xiàn)布線復(fù)雜、可靠性差等諸多問題，提出了基于ZigBee技術(shù)的無線DCS現(xiàn)場控制站，以集成符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的STM32W108單片機為硬件平臺，采用ZigBee技術(shù)為核心組建WSN網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)無線替代有線的DCS現(xiàn)場控制解決方案。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù);無線DCS;STM32W108單片機;現(xiàn)場控制站

中圖分類號：TP216 ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2014）12-00-02

0 ?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(shù)，具有大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、信息管理及較強數(shù)據(jù)通信能力等特點而成為目前主導(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、維護困難等。因此采用基于ZigBee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(shù)及STM32W108簡介

1.1 ?ZigBee技術(shù)

ZigBee 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技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點，決定了ZigBee 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(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。采用具有Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器STM32W108為硬件平臺，以ZigBee 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)點結(jié)合多種傳感器將收集到數(shù)據(jù)通過WSN網(wǎng)絡(luò)送至協(xié)調(diào)器，再由RS 232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[3]。也可發(fā)送控制指令，控制指令通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)到達被控制節(jié)點，通過執(zhí)行器達到控制現(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

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(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)計直接關(guān)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(jié)合多種傳感器構(gòu)成底層的STM32W108節(jié)點對現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)進行采集，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采集節(jié)點原理圖如圖2所示。

圖2 ?STM32W108采集節(jié)點原理圖

3.2 ?STM32W108協(xié)調(diào)器

STM32W108協(xié)調(diào)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(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，負責(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

ZigBee具備強大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，本方案采用ZigBee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)點程序流程

STM32W108節(jié)點是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)點與傳感器節(jié)點的具體工作。首先將對應(yīng)的程序燒寫入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點及傳感器節(jié)點中，然后將協(xié)調(diào)器及傳感器節(jié)點進行硬件設(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)點的程序流程圖如圖5所示。

圖5 ?STM32W108協(xié)調(diào)器與節(jié)點流程圖

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(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

通信距離點對點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

通信測試1：無障礙通信測試 通信測試2：有障礙通信測試

組號 距離（m） 通信狀態(tài)（Y/N） 丟包率（%） 組號 距離（m） 通信狀態(tài)（Y/N） 丟包率（%）

1 30 Y 0 1 6 Y 0

2 50 Y 0 2 8 Y 0

3 70 Y 0 3 10 Y 0

4 80 Y 0 4 12 Y 0

5 82 Y 0 5 14 Y 0

6 84 Y 1 6 16 N 1

7 86 N 3 7 18 N 3

8 88 N 10 8 20 N 10

9 90 N 25 9 22 N 25

10 95 N 45 10 25 N 45

11 100 N 100 11 30 N 100

結(jié)論：測試距離在82 m之前無丟包現(xiàn)象，通信穩(wěn)定可靠，在82 m之后開始出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，因此無障礙有效通信距離可達80 m以上 。 ? ? ? 結(jié)論：在隔墻（38 cm厚）測試實驗中，測試距離在14 m之前無丟包現(xiàn)象，通信狀態(tài)良好，14 m之后數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

6 ?結(jié) ?語

經(jīng)過實驗測試，基于ZigBee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，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(shù)據(jù)采集及DCS系統(tǒng)進一步擴展的需求。

參考文獻

[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，等. 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（4）52-54.

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[5]張勇 ，張志奇 ，于宏宇，等?；?STM32W108 的無線傳感系統(tǒng)[J] 電子設(shè)計工程 2014，22（4）：182-184.

[6]沈建華，郝立平.STM32W108W無線射頻ZigBee單片機原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[7]管其勇. 基于分布式控制系統(tǒng)的通信軟件開發(fā)實現(xiàn)[J]. 制造業(yè)自動化，2011（21）：32-33.

[8]武永勝，王偉，沈昱明. ?基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計[J]. 電子測量技術(shù)， 2009，32（11）：121-124.

4 ?軟件設(shè)計

ZigBee具備強大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，本方案采用ZigBee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)點程序流程

STM32W108節(jié)點是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)點與傳感器節(jié)點的具體工作。首先將對應(yīng)的程序燒寫入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點及傳感器節(jié)點中，然后將協(xié)調(diào)器及傳感器節(jié)點進行硬件設(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)點的程序流程圖如圖5所示。

圖5 ?STM32W108協(xié)調(diào)器與節(jié)點流程圖

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(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

通信距離點對點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

通信測試1：無障礙通信測試 通信測試2：有障礙通信測試

組號 距離（m） 通信狀態(tài)（Y/N） 丟包率（%） 組號 距離（m） 通信狀態(tài)（Y/N） 丟包率（%）

1 30 Y 0 1 6 Y 0

2 50 Y 0 2 8 Y 0

3 70 Y 0 3 10 Y 0

4 80 Y 0 4 12 Y 0

5 82 Y 0 5 14 Y 0

6 84 Y 1 6 16 N 1

7 86 N 3 7 18 N 3

8 88 N 10 8 20 N 10

9 90 N 25 9 22 N 25

10 95 N 45 10 25 N 45

11 100 N 100 11 30 N 100

結(jié)論：測試距離在82 m之前無丟包現(xiàn)象，通信穩(wěn)定可靠，在82 m之后開始出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，因此無障礙有效通信距離可達80 m以上 。 ? ? ? 結(jié)論：在隔墻（38 cm厚）測試實驗中，測試距離在14 m之前無丟包現(xiàn)象，通信狀態(tài)良好，14 m之后數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

6 ?結(jié) ?語

經(jīng)過實驗測試，基于ZigBee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，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(shù)據(jù)采集及DCS系統(tǒng)進一步擴展的需求。

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[8]武永勝，王偉，沈昱明. ?基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計[J]. 電子測量技術(shù)， 2009，32（11）：121-124.

4 ?軟件設(shè)計

ZigBee具備強大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，本方案采用ZigBee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)點程序流程

STM32W108節(jié)點是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)點與傳感器節(jié)點的具體工作。首先將對應(yīng)的程序燒寫入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點及傳感器節(jié)點中，然后將協(xié)調(diào)器及傳感器節(jié)點進行硬件設(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)點的程序流程圖如圖5所示。

圖5 ?STM32W108協(xié)調(diào)器與節(jié)點流程圖

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(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

通信距離點對點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

通信測試1：無障礙通信測試 通信測試2：有障礙通信測試

組號 距離（m） 通信狀態(tài)（Y/N） 丟包率（%） 組號 距離（m） 通信狀態(tài)（Y/N） 丟包率（%）

1 30 Y 0 1 6 Y 0

2 50 Y 0 2 8 Y 0

3 70 Y 0 3 10 Y 0

4 80 Y 0 4 12 Y 0

5 82 Y 0 5 14 Y 0

6 84 Y 1 6 16 N 1

7 86 N 3 7 18 N 3

8 88 N 10 8 20 N 10

9 90 N 25 9 22 N 25

10 95 N 45 10 25 N 45

11 100 N 100 11 30 N 100

結(jié)論：測試距離在82 m之前無丟包現(xiàn)象，通信穩(wěn)定可靠，在82 m之后開始出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，因此無障礙有效通信距離可達80 m以上 。 ? ? ? 結(jié)論：在隔墻（38 cm厚）測試實驗中，測試距離在14 m之前無丟包現(xiàn)象，通信狀態(tài)良好，14 m之后數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

6 ?結(jié) ?語

經(jīng)過實驗測試，基于ZigBee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，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(shù)據(jù)采集及DCS系統(tǒng)進一步擴展的需求。

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