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基于STM32W單片機的無線DCS控制站設計方案
2014年微型機與應用第23期
劉恩華
(江蘇信息職業(yè)技術學院,江蘇 無錫214153)
摘要: 針對傳統(tǒng)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。
Abstract:
Key words :

  摘 要: 針對傳統(tǒng)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(tǒng))因具有大規(guī)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(tǒng)[1]。DCS系統(tǒng)綜合了計算機、自動控制、通信等技術,但該系統(tǒng)在工業(yè)現場控制方面存在以下不足:(1)系統(tǒng)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(tǒng)集成帶來困難;(3)系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)解決方案[2]。

  DCS系統(tǒng)通常分為現場控制站(級)、操作監(jiān)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(yè)現場各監(jiān)控節(jié)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(fā)送到外部網絡并完成數據庫的記錄、檢測[3]。底層的STM32節(jié)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(yè)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(fā)送指令實現相關控制。通過執(zhí)行器達到控制現場參數的目的?,F場控制站數據傳輸示意圖如圖 1所示[4]。

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  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(jié)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(fā)[5]。

2 硬件設計

  2.1 STM32W108節(jié)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(fā)人員能夠靈活地主攻ZigBee協議兼容規(guī)范或創(chuàng)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(tǒng)級(SoC)芯片,整合最優(yōu)異的IEEE 802.15.4射頻性能與32位處理性能。這個器件可發(fā)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(tǒng)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(jié)點對現場環(huán)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(fā)送至STM32W108和Tiny6410網關,將RS232串口數據轉換成網口數據然后發(fā)送到外部網絡中[6]。STM32W108節(jié)點原理圖如圖2所示。

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  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。

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  2.3 Tiny6410網關

  Tiny6410網關包含多種接口和傳感器節(jié)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(fā)送到以太網上,用戶可登錄服務器實時監(jiān)測工業(yè)現場的情況。Tiny6410網關原理圖如圖4所示。

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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]。

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  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。

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4 傳輸可靠性試驗結果

  工業(yè)控制系統(tǒng)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(yè)控制系統(tǒng)中傳輸實時性和可靠性高。通過協調器對傳感器節(jié)點發(fā)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(wěn)定可靠,達到工業(yè)現場控制要求。

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  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(tǒng)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(wěn)定,可以滿足工業(yè)的現場控制、數據采集及DCS系統(tǒng)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(tǒng)原理及其應用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2007.

  [2] 葛智平,郭濤,石耀武. 一種DCS系統(tǒng)網絡故障分析與優(yōu)化方案探討[J]. 電力科技與環(huán)保, 2014,30(2):52-54.



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