摘 要： 针对传统DCS在数据传输和通信方面出现的布线复杂、可靠性差等问题，提出了基于STM32W的无线DCS现场控制站设计方案。以集成符合IEEE802.15.4标准的STM32W单片机为载体，采用ZigBee技术为核心组建WSN网络，提出了无线DCS控制站替代有线控制站的解决方案。
关键词： DCS；STM32W 单片机；ZigBee技术；现场控制站
0 引言
DCS(集散控制系统）因具有大规模数据处理、信息管理及较强数据通信能力而成为目前主导的自动化控制系统[1]。DCS系统综合了计算机、自动控制、通信等技术，但该系统在工业现场控制方面存在以下不足：（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由于标准不同而无法实现互相通信，给系统集成带来困难；（3）系统控制设备布线复杂、受物理空间限制、维护困难等。因此采用无线组网方式进行信号传输具有重要意义。
1 系统方案
本设计方案针对有线连接的不足，以短距离无线通信ZigBee（IEEE802.15.4）技术为核心，以集成符合IEEE802.15.4标准的STM32W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[2]。
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3个部分，而本方案侧重现场控制站的设计。工业现场各监控节点的数据汇总到协调器以后，协调器通过自身定义的网关功能，将RS232串口数据转换成网口数据，然后发送到外部网络并完成数据库的记录、检测[3]。底层的STM32节点自动搜索周围的协调器，加入WSN网络并将各种传感器收集到的工业现场数据通过该网络传给协调器。上位PC机通过相关软件，即可接收到ZigBee网络传来的数据，并通过软件逆向发送指令实现相关控制。通过执行器达到控制现场参数的目的。现场控制站数据传输示意图如图 1所示[4]。
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[5]。
2 硬件设计
2.1 STM32W108节点
STM32W系列产品集成IEEE 802.15.4物理层（PHY）单元以及媒体访问控制层（MAC）单元，使开发人员能够灵活地主攻ZigBee协议兼容规范或创建任何一个与标准化的 IEEE802.15.4 MAC相连的网络无线传输协议。STM32W系列是一款真正的系统级（SoC）芯片，整合最优异的IEEE 802.15.4射频性能与32位处理性能。这个器件可发射最大7 dBm的输出功率，支持最高107 dB的链路预算，接收灵敏度高达100 dBm。其主要特色是采用先进的32位ARM Cortex-M3处理器，而且率先彻底消除了32位微控制器在嵌入式系统中广泛应用的所有障碍。
本设计方案采用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，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[6]。STM32W108节点原理图如图2所示。
2.2 STM32W108协调器
STM32W108协调器的主要功能是ZigBee通信和人机交互，主要由ZigBee模块、键盘模块、液晶模块等构成。STM32W108协调器原理图如图3所示。
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。Tiny6410网关将协调器传来的底层数据显示在液晶屏上,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。Tiny6410网关原理图如图4所示。
3 软件设计
3.1 协调器程序流程图
STM32W108协调器负责ZigBee通信和人机交互，是无线DCS现场控制站的核心内容，协调器的程序流程图如图5所示[7]。
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。
4 传输可靠性试验结果
工业控制系统中，数据传输的实时性和可靠非常重要。ZigBee作为一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术,响应速度较快，用于工业控制系统中传输实时性和可靠性高。通过协调器对传感器节点发送数据并返回的方法对其组成的WSN网络进行传输研究测试，测试数据如表1所示。结果表明，该网络丢包率为0，时延低（平均32.11 ms），传输稳定可靠，达到工业现场控制要求。
5 结论
结果证明，基于STM32W的无线DCS现场控制站突破了有线网络物理媒介的限制，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，传输稳定，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。
参考文献
[1] 赵众,冯晓东,孙康. 集散控制系统原理及其应用[M]. 北京:电子工业出版社, 2007.
[2] 葛智平,郭涛,石耀武. 一种DCS系统网络故障分析与优化方案探讨[J]. 电力科技与环保, 2014,30(2):52-54.