劉恩華

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 214153）

0 引言

DCS(集散控制系統(tǒng)）綜合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)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(dòng)化控制系統(tǒng)。但DCS系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采用有線連接方式的不足之處體現(xiàn)在：1）系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，信號(hào)可靠性、抗干擾等性能較差；2）不同廠家的DCS無(wú)法實(shí)現(xiàn)互相通訊，給系統(tǒng)集成帶來(lái)困難；3）系統(tǒng)控制設(shè)備布線復(fù)雜、維護(hù)困難等。因此采用無(wú)線組網(wǎng)方式進(jìn)行信號(hào)傳輸，避免布線和維護(hù)具有重要意義。

本設(shè)計(jì)針對(duì)有線連接的不足，以DCS過(guò)程控制為基礎(chǔ)，ZigBee（IEEE802.15.4）短距離無(wú)線通信技術(shù)為核心，以集成符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz收發(fā)器的STM32W108單片機(jī)為硬件載體，提出了無(wú)線替代有線的DCS系統(tǒng)解決方案。

1 總體方案

DCS系統(tǒng)通常分為現(xiàn)場(chǎng)控制站（級(jí)）、操作監(jiān)控級(jí)和綜合信息管理級(jí)三個(gè)部分，而本方案?jìng)?cè)重現(xiàn)場(chǎng)控制站的設(shè)計(jì)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)合多種傳感器將收集到數(shù)據(jù)通過(guò)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(kù)的記錄、檢測(cè)。也可發(fā)送控制指令，控制指令通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)到達(dá)被控制節(jié)點(diǎn)，通過(guò)執(zhí)行器達(dá)到控制現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)目的。現(xiàn)場(chǎng)控制站數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)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(guò)人機(jī)交互終端，可以完成信息的接收展示、數(shù)據(jù)庫(kù)的操作以及控制指令的下發(fā)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32W108節(jié)點(diǎn)

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(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并自動(dòng)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。STM32W108節(jié)點(diǎn)原理圖如圖2所示。

圖2 STM32W108節(jié)點(diǎn)原理圖

2.2 STM32W108協(xié)調(diào)器

STM32W108協(xié)調(diào)器主要功能是ZigBee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

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。6410網(wǎng)關(guān)將協(xié)調(diào)器傳來(lái)的底層數(shù)據(jù)反映在液晶屏上,方便用戶操作；同時(shí)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)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(cè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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

圖5 STM32W108節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器流程圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 STM32W108節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器程序流程圖

STM32W108節(jié)點(diǎn)是WSN網(wǎng)絡(luò)的載體，是無(wú)線DCS現(xiàn)場(chǎng)控制站的核心內(nèi)容，其節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的程序流程圖如圖5所示。

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(guò)無(wú)線的方式寫到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，Tiny 6410網(wǎng)關(guān)在共享數(shù)據(jù)庫(kù)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。

圖6 網(wǎng)關(guān)部分的軟件流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 通信距離測(cè)試

通信距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的可靠性測(cè)試分無(wú)障礙測(cè)試和隔墻測(cè)試，通過(guò)查看并對(duì)比數(shù)據(jù)的收發(fā)次數(shù)（發(fā)送一百次）計(jì)算出數(shù)據(jù)丟包率，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

4.2 傳輸時(shí)延與可靠性測(cè)試

ZigBee作為一種近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線通信,響應(yīng)速度較快，在工業(yè)控制系統(tǒng)傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性高。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 通信狀態(tài)可靠性測(cè)試

表2 傳輸時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)可靠性測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

結(jié)果證明，基于STM32W108W的無(wú)線DCS現(xiàn)場(chǎng)控制站突破了有線網(wǎng)絡(luò)物理媒體的限制，拓展了DCS系統(tǒng)的控制地域范圍。該無(wú)線DCS現(xiàn)場(chǎng)控制站組網(wǎng)迅速，信息采集精確，實(shí)時(shí)性好，檢測(cè)和控制穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以滿足工業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)控制、數(shù)據(jù)采集及DCS系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展的需求。

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