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數傳技術的無線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數傳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無線模塊的低數據速率和通信范圍較小的特點，決定了ZigBee模塊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數傳模塊技術為核心，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進行ZigBee數據采集，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 數傳模塊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 ZigBee數據采集節點
ZigBee數據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ZigBee數據采集，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 ZigBee數據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無線模塊通信和人機交互，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模塊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數傳技術作為一種近距離、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
6 結 語
經過實驗測試，基于ZigBee模塊技術構建的無線DCS 現場控制站突破了有線網絡物理媒質的限制，可對現場參數進行無線ZigBee數據采集，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。