基于ZigBee技術的無線DCS現場控制站設計

徐科明+劉恩華

摘 要：針對傳統DCS 系統在過程控制中采用有線方式來實現其數據通信而出現布線復雜、可靠性差等諸多問題，提出了基于ZigBee技術的無線DCS現場控制站，以集成符合IEEE 802.15.4標準的STM32W108單片機為硬件平臺，采用ZigBee技術為核心組建WSN網絡，實現無線替代有線的DCS現場控制解決方案。

關鍵詞：ZigBee技術;無線DCS;STM32W108單片機;現場控制站

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

0 ?引 ?言

DCS（集散控制系統）綜合了計算機、自動控制、通信等技術，具有大規模數據處理、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。目前，DCS系統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其數據通信功能，系統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系統是對現場工業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

1.1 ?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控制、工業自動化等工業領域。

1.2 ?STM32W108 簡介

STM32W108是ST公司的具有更高性能、低功耗、發射功率軟件可調的系統芯片。STM32W108芯片采用硬件固化協議棧，不必移植相關的ZigBee協議棧，就可以直接利用協議棧提供的API 進行二次開發。其優勢主要有三點：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開發工具支持;二是芯片內部帶有功率放大器，發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等協議棧，用戶可以進行符合相關標準的無線網絡產品開發，大大簡化產品開發的技術復雜度，增加了可靠性。

2 ?系統總體架構

DCS系統通常分為現場控制站（級）、操作監控級和綜合信息管理級三個部分，而本方案側重現場控制站的設計。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調來共同完成數據通信與傳輸。工業現場監控節點結合多種傳感器將收集到數據通過WSN網絡送至協調器，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[3]。也可發送控制指令，控制指令通過ZigBee網絡到達被控制節點，通過執行器達到控制現場參數目的。現場控制站數據傳輸示意圖如圖 1所示。

圖1 ?現場控制站數據傳輸示意圖

根據數據傳輸鏈路，確定了以傳感器信息為數據源，以底層節點與協調器組成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。

3 ?硬件設計

3.1 ?STM32W108采集節點

采集節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處理器模塊是節點的核心，用于完成數據發送，數據處理、數據存儲、執行通信協議和節點調度管理等工作;傳感器模塊包括各種傳感器和執行器，用于感知數據和執行各種控制動作（如A/D 轉換）;電源是所有電子系統的基礎，電源模塊的設計直接關系到節點的壽命;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節點對現場環境參數進行采集，并自動搜索周圍的協調器、加入WSN網絡并將采集到的數據集中發送至STM32W108和Tiny 6410網關，將RS 232串口數據轉換成網口數據然后發送到外部網絡中。STM32W108采集節點原理圖如圖2所示。

圖2 ?STM32W108采集節點原理圖

3.2 ?STM32W108協調器

STM32W108協調器主要功能是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協調器原理圖如圖3所示。

圖3 ?STM32W108協調器原理圖

3.3 ?Tiny 6410網關

Tiny 6410網關包含多種接口和傳感器節點，負責數據采集、傳輸及下行控制。6410網關將協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接口發送到以太網上，用戶可登錄服務器實時監測工業現場的情況。Tiny 6410網關原理圖如圖4所示。

圖4 ?Tiny 6410網關原理圖

4 ?軟件設計

ZigBee具備強大的設備聯網功能，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、協調器與節點間通信兩部分。

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 ?協調器與節點程序流程

STM32W108節點是WSN網絡的載體，是無線DCS現場控制站的核心內容，協調器節點與傳感器節點的具體工作。首先將對應的程序燒寫入協調器節點及傳感器節點中，然后將協調器及傳感器節點進行硬件設備上電初始化，協調器開始協議棧初始化、掃描傳輸通道并建立網絡，傳感器節點檢查合適的網絡，加入網絡后將網絡地址發送給協調器，協調器收到信息后，將信息接受、處理。其協調器與節點的程序流程圖如圖5所示。

圖5 ?STM32W108協調器與節點流程圖

5 ?系統測試

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，在工業控制系統傳輸實時性和可靠性高。本方案無線DCS現場控制站系統通過測試，該網絡的丟包率為0，時延低（平均30.8 ms），傳輸穩定，滿足工業現場控制要求。

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，對不同的現場環境進行了50次測試，查看并對比數據的收發次數（發送50次）計算出數據丟包率，測試結果如表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（Y/N） 丟包率（%） 組號 距離（m） 通信狀態（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

結論：測試距離在82 m之前無丟包現象，通信穩定可靠，在82 m之后開始出現丟包現象，因此無障礙有效通信距離可達80 m以上 。 ? ? ? 結論：在隔墻（38 cm厚）測試實驗中，測試距離在14 m之前無丟包現象，通信狀態良好，14 m之后數據開始出現丟包現象。

6 ?結 ?語

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

參考文獻

[1]趙眾，馮曉東，孫康.集散控制系統原理及其應用[M].北京：電子工業出版社，2007.

[2]葛智平，郭濤，石耀武，等. 一種DCS系統網絡故障分析與優化方案探討[J]. 電力科技與環保 ，2014（4）52-54.

[3]祝忠方，劉紅. 基于Tiny6410開發板的應用研究[J]. 價值工程， 2013（23） ：210-212.

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

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

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

[8]武永勝，王偉，沈昱明. ?基于ZigBee技術的無線傳感器網絡組網設計[J]. 電子測量技術， 2009，32（11）：121-124.

4 ?軟件設計

ZigBee具備強大的設備聯網功能，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、協調器與節點間通信兩部分。

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 ?協調器與節點程序流程

STM32W108節點是WSN網絡的載體，是無線DCS現場控制站的核心內容，協調器節點與傳感器節點的具體工作。首先將對應的程序燒寫入協調器節點及傳感器節點中，然后將協調器及傳感器節點進行硬件設備上電初始化，協調器開始協議棧初始化、掃描傳輸通道并建立網絡，傳感器節點檢查合適的網絡，加入網絡后將網絡地址發送給協調器，協調器收到信息后，將信息接受、處理。其協調器與節點的程序流程圖如圖5所示。

圖5 ?STM32W108協調器與節點流程圖

5 ?系統測試

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，在工業控制系統傳輸實時性和可靠性高。本方案無線DCS現場控制站系統通過測試，該網絡的丟包率為0，時延低（平均30.8 ms），傳輸穩定，滿足工業現場控制要求。

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，對不同的現場環境進行了50次測試，查看并對比數據的收發次數（發送50次）計算出數據丟包率，測試結果如表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（Y/N） 丟包率（%） 組號 距離（m） 通信狀態（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

結論：測試距離在82 m之前無丟包現象，通信穩定可靠，在82 m之后開始出現丟包現象，因此無障礙有效通信距離可達80 m以上 。 ? ? ? 結論：在隔墻（38 cm厚）測試實驗中，測試距離在14 m之前無丟包現象，通信狀態良好，14 m之后數據開始出現丟包現象。

6 ?結 ?語

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

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4 ?軟件設計

ZigBee具備強大的設備聯網功能，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、協調器與節點間通信兩部分。

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 ?協調器與節點程序流程

STM32W108節點是WSN網絡的載體，是無線DCS現場控制站的核心內容，協調器節點與傳感器節點的具體工作。首先將對應的程序燒寫入協調器節點及傳感器節點中，然后將協調器及傳感器節點進行硬件設備上電初始化，協調器開始協議棧初始化、掃描傳輸通道并建立網絡，傳感器節點檢查合適的網絡，加入網絡后將網絡地址發送給協調器，協調器收到信息后，將信息接受、處理。其協調器與節點的程序流程圖如圖5所示。

圖5 ?STM32W108協調器與節點流程圖

5 ?系統測試

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，在工業控制系統傳輸實時性和可靠性高。本方案無線DCS現場控制站系統通過測試，該網絡的丟包率為0，時延低（平均30.8 ms），傳輸穩定，滿足工業現場控制要求。

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，對不同的現場環境進行了50次測試，查看并對比數據的收發次數（發送50次）計算出數據丟包率，測試結果如表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（Y/N） 丟包率（%） 組號 距離（m） 通信狀態（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

結論：測試距離在82 m之前無丟包現象，通信穩定可靠，在82 m之后開始出現丟包現象，因此無障礙有效通信距離可達80 m以上 。 ? ? ? 結論：在隔墻（38 cm厚）測試實驗中，測試距離在14 m之前無丟包現象，通信狀態良好，14 m之后數據開始出現丟包現象。

6 ?結 ?語

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

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