基于STM32W108的无线DCS现场控制站设计

刘恩华

（江苏信息职业技术学院，无锡 214153）

0 引言

DCS(集散控制系统）综合了计算机、自动控制、通信等技术，具有大规模数据处理、信息管理及较强数据通信能力等特点而成为目前主导的自动化控制系统。但DCS系统在工业现场采用有线连接方式的不足之处体现在：1）系统采用标准模拟信号进行数据传输，信号可靠性、抗干扰等性能较差；2）不同厂家的DCS无法实现互相通讯，给系统集成带来困难；3）系统控制设备布线复杂、维护困难等。因此采用无线组网方式进行信号传输，避免布线和维护具有重要意义。

本设计针对有线连接的不足，以DCS过程控制为基础，ZigBee（IEEE802.15.4）短距离无线通信技术为核心，以集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz收发器的STM32W108单片机为硬件载体，提出了无线替代有线的DCS系统解决方案。

1 总体方案

DCS系统通常分为现场控制站（级）、操作监控级和综合信息管理级三个部分，而本方案侧重现场控制站的设计。工业现场监控节点结合多种传感器将收集到数据通过WSN网络送至协调器，再由RS232串口通信送到Tiny6410网关或C/S与B/S模式的客户端，完成数据库的记录、检测。也可发送控制指令，控制指令通过ZigBee网络到达被控制节点，通过执行器达到控制现场参数目的。现场控制站数据传输示意图如图1所示。

图1 现场控制站数据传输示意图

根据数据传输链路，确定了以传感器信息为数据源，以底层节点与协调器组成WSN网络和串口通信为数据链路，网关完成数据的初步整合处理，通过人机交互终端，可以完成信息的接收展示、数据库的操作以及控制指令的下发。

2 硬件设计

2.1 STM32W108节点

STM32W108作为核心芯片，结合多种传感器构成底层的STM32W108节点对现场环境参数进行采集，并自动搜索周围的协调器、加入WSN网络并将采集到的数据集中发送至STM32W108和Tiny6410网关，将RS232串口数据转换成网口数据然后发送到外部网络中。STM32W108节点原理图如图2所示。

图2 STM32W108节点原理图

2.2 STM32W108协调器

STM32W108协调器主要功能是ZigBee通信和人机交互，主要由ZigBee模块和键盘模块、液晶模块等模块构成。STM32W108协调器原理图如图3所示。

图3 STM32W108协调器原理图

2.3 Tiny6410网关

Tiny6410网关包含多种接口和传感器节点，负责数据采集、传输及下行控制。6410网关将协调器传来的底层数据反映在液晶屏上,方便用户操作；同时将实时数据通过板载的EtherNet接口发送到以太网上，用户可登录服务器实时监测工业现场的情况。Tiny 6410网关原理图如图4所示。

图4 Tiny 6410网关原理图

图5 STM32W108节点与协调器流程图

3 软件设计

3.1 STM32W108节点与协调器程序流程图

STM32W108节点是WSN网络的载体，是无线DCS现场控制站的核心内容，其节点与协调器的程序流程图如图5所示。

3.2 网关程序流程图

Tiny 6410与USB-Wifi模块相连接，将ZigBee协调器上的信息通过无线的方式写到数据库服务器，Tiny 6410网关在共享数据库资源中起到重要作用。网关部分的软件流程图如图6所示。

图6 网关部分的软件流程图

4 试验结果

4.1 通信距离测试

通信距离点对点的可靠性测试分无障碍测试和隔墙测试，通过查看并对比数据的收发次数（发送一百次）计算出数据丢包率，测试结果如表1所示。

4.2 传输时延与可靠性测试

ZigBee作为一种近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信,响应速度较快，在工业控制系统传输实时性和可靠性高。测试数据如表2所示。

表1 通信状态可靠性测试

表2 传输时延与网络可靠性测试结果

5 结论

结果证明，基于STM32W108W的无线DCS现场控制站突破了有线网络物理媒体的限制，拓展了DCS系统的控制地域范围。该无线DCS现场控制站组网迅速，信息采集精确，实时性好，检测和控制稳定等诸多优点，可以满足工业的现场控制、数据采集及DCS系统进一步扩展的需求。

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