基于STM32W108的無線DCS現場控制站設計

劉恩華

（江蘇信息職業技術學院，無錫 214153）

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。但DCS系統在工業現場采用有線連接方式的不足之處體現在：1）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；2）不同廠家的DCS無法實現互相通訊，給系統集成帶來困難；3）系統控制設備布線復雜、維護困難等。因此采用無線組網方式進行信號傳輸，避免布線和維護具有重要意義。

本設計針對有線連接的不足，以DCS過程控制為基礎，ZigBee（IEEE802.15.4）短距離無線通信技術為核心，以集成符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz收發器的STM32W108單片機為硬件載體，提出了無線替代有線的DCS系統解決方案。

1 總體方案

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。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RS232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。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。

2 硬件設計

2.1 STM32W108節點

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Tiny6410網關，將RS232串口數據轉換成網口數據然后發送到外部網絡中。STM32W108節點原理圖如圖2所示。

圖2 STM32W108節點原理圖

2.2 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

2.3 Tiny6410網關

Tiny6410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

圖5 STM32W108節點與協調器流程圖

3 軟件設計

3.1 STM32W108節點與協調器程序流程圖

STM32W108節點是WSN網絡的載體，是無線DCS現場控制站的核心內容，其節點與協調器的程序流程圖如圖5所示。

3.2 網關程序流程圖

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。網關部分的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 網關部分的軟件流程圖

4 試驗結果

4.1 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，通過查看并對比數據的收發次數（發送一百次）計算出數據丟包率，測試結果如表1所示。

4.2 傳輸時延與可靠性測試

ZigBee作為一種近距離、低復雜度、自組織、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。測試數據如表2所示。

表1 通信狀態可靠性測試

表2 傳輸時延與網絡可靠性測試結果

5 結論

結果證明，基于STM32W108W的無線DCS現場控制站突破了有線網絡物理媒體的限制，拓展了DCS系統的控制地域范圍。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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