基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線DCS現(xiàn)場(chǎng)控制站設(shè)計(jì)

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)。目前，DCS系統(tǒng)在 過(guò)程控制級(jí)與控制管理級(jí)之間以及過(guò)程控制級(jí)設(shè)備間大多采 用有線方式來(lái)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(hào) 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，信號(hào)可靠性、抗干擾等性能較差；在地形條 件不好、臨時(shí)組網(wǎng)時(shí)，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技術(shù)的無(wú)線DCS系統(tǒng)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控 制領(lǐng)域一個(gè)有益的補(bǔ)充，對(duì)進(jìn)行信號(hào)傳輸，避免布線和維護(hù) 具有重要意義。

1 ZigBee 技術(shù)及 STM32W108 簡(jiǎn)介

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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要用于近距離無(wú)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(diǎn), 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(dòng)化等工業(yè)領(lǐng)域。

STM32W108 簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)。其優(yōu)勢(shì)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(kāi)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(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，大大簡(jiǎn)化產(chǎn)品開(kāi)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(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)。采 用具有Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器STM32W108為硬件 平臺(tái)，以ZigBee技術(shù)為核心，通過(guò)應(yīng)用程序各個(gè)任務(wù)之間的 協(xié)調(diào)來(lái)共同完成數(shù)據(jù)通信與傳輸。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(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?，F(xiàn)場(chǎng)控制站數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖1所示。

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)。

3硬件設(shè)計(jì)

3.1 STM32W108采集節(jié)點(diǎn)

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(chǔ)、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(dòng)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(cè)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并自動(dòng)捜索 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(diǎn)原理圖 如圖2所示。

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(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。

3.3Tiny 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(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。

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 技術(shù)來(lái)組建無(wú)線通信平臺(tái)，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(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。

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(wú)線DCS現(xiàn) 場(chǎng)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(duì)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(kāi)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。

5系統(tǒng)測(cè)試

5.1傳輸時(shí)延與可靠性測(cè)試

ZigBee作為一種近距離、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。本方案無(wú)線DCS現(xiàn)場(chǎng)控制站系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試，該網(wǎng) 絡(luò)的丟包率為0,時(shí)延低（平均30.8 ms），傳輸穩(wěn)定，滿足工 業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制要求。

5.2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, 在保證數(shù)據(jù)不丟失的前提下，對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行了 50次 測(cè)試，查看并對(duì)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(cè)試結(jié)果如表1所示。

6結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，基于ZigBee技術(shù)構(gòu)建的無(wú)線DCS現(xiàn)場(chǎng)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(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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