摘 要： 針對傳統DCS在數據傳輸和通信方面出現的布線復雜、可靠性差等問題，提出了基于STM32W的無線DCS現場控制站設計方案。以集成符合IEEE802.15.4標準的STM32W單片機為載體，采用ZigBee技術為核心組建WSN網絡，提出了無線DCS控制站替代有線控制站的解決方案。
關鍵詞： DCS；STM32W 單片機；ZigBee技術；現場控制站
0 引言
DCS(集散控制系統）因具有大規模數據處理、信息管理及較強數據通信能力而成為目前主導的自動化控制系統[1]。DCS系統綜合了計算機、自動控制、通信等技術，但該系統在工業現場控制方面存在以下不足：（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由于標準不同而無法實現互相通信，給系統集成帶來困難；（3）系統控制設備布線復雜、受物理空間限制、維護困難等。因此采用無線組網方式進行信號傳輸具有重要意義。
1 系統方案
本設計方案針對有線連接的不足，以短距離無線通信ZigBee（IEEE802.15.4）技術為核心，以集成符合IEEE802.15.4標準的STM32W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[2]。
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3個部分，而本方案側重現場控制站的設計。工業現場各監控節點的數據匯總到協調器以后，協調器通過自身定義的網關功能，將RS232串口數據轉換成網口數據，然后發送到外部網絡并完成數據庫的記錄、檢測[3]。底層的STM32節點自動搜索周圍的協調器，加入WSN網絡并將各種傳感器收集到的工業現場數據通過該網絡傳給協調器。上位PC機通過相關軟件，即可接收到ZigBee網絡傳來的數據，并通過軟件逆向發送指令實現相關控制。通過執行器達到控制現場參數的目的。現場控制站數據傳輸示意圖如圖 1所示[4]。
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[5]。
2 硬件設計
2.1 STM32W108節點
STM32W系列產品集成IEEE 802.15.4物理層（PHY）單元以及媒體訪問控制層（MAC）單元，使開發人員能夠靈活地主攻ZigBee協議兼容規范或創建任何一個與標準化的 IEEE802.15.4 MAC相連的網絡無線傳輸協議。STM32W系列是一款真正的系統級（SoC）芯片，整合最優異的IEEE 802.15.4射頻性能與32位處理性能。這個器件可發射最大7 dBm的輸出功率，支持最高107 dB的鏈路預算，接收靈敏度高達100 dBm。其主要特色是采用先進的32位ARM Cortex-M3處理器，而且率先徹底消除了32位微控制器在嵌入式系統中廣泛應用的所有障礙。
本設計方案采用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，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[6]。STM32W108節點原理圖如圖2所示。
2.2 STM32W108協調器
STM32W108協調器的主要功能是ZigBee通信和人機交互，主要由ZigBee模塊、鍵盤模塊、液晶模塊等構成。STM32W108協調器原理圖如圖3所示。
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。Tiny6410網關將協調器傳來的底層數據顯示在液晶屏上,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。Tiny6410網關原理圖如圖4所示。
3 軟件設計
3.1 協調器程序流程圖
STM32W108協調器負責ZigBee通信和人機交互，是無線DCS現場控制站的核心內容，協調器的程序流程圖如圖5所示[7]。
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。
4 傳輸可靠性試驗結果
工業控制系統中，數據傳輸的實時性和可靠非常重要。ZigBee作為一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線通信技術,響應速度較快，用于工業控制系統中傳輸實時性和可靠性高。通過協調器對傳感器節點發送數據并返回的方法對其組成的WSN網絡進行傳輸研究測試，測試數據如表1所示。結果表明，該網絡丟包率為0，時延低（平均32.11 ms），傳輸穩定可靠，達到工業現場控制要求。
5 結論
結果證明，基于STM32W的無線DCS現場控制站突破了有線網絡物理媒介的限制，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，傳輸穩定，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. 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, 2014,30(2):52-54.