藍牙工業現場總線應用模型

摘 要：該文對傳統有線工業現場總線網絡中存在的問題進行了比較全面的分析，結合無線藍牙技術特點，提出了一種簡單可行的無線藍牙工業現場總線應用模型，較好的解決了有線工業現場總線存在的問題。這種應用模型實現了有線工業現場總線的功能，還實現了無線藍牙工業現場總線與有線工業現場總線的網絡互聯，并保證了兩種網絡的互操作。該文還介紹了一種基于該模型實現的藍牙工業現場總線原型系統。

關鍵詞：藍牙; 現場總線; 藍牙網關; 藍牙傳感器

　　傳統現場總線網絡一般使用有線介質作為傳輸介質，有線傳輸介質使通信設備的位置相對固定，一些特殊工業現場環境要求現場設備具有一定的移動性，則有線通信技術不適用于移動設備的連接。藍牙技術（Bluetooth）作為一種中短距離無線通信技術，具有無線性、協議開放、低能耗、高安全性等優點，所以它特別適合于連接具有移動性的現場設備設備，通過使用藍牙無線技術作為電纜替代方案可以實現一種無線現場總線，并可通過網關設備實現無線網絡與有線遺留系統的互聯。該文通過對傳統有線現場總線網絡的結構及其缺點的分析，結合藍牙技術的特點，提出一種在現場總線中使用藍牙技術替代有線傳輸介質的應用模型及基于該模型實現的原型系統。

1 現場總線網絡系統的結構及存在的問題

　　現場總線網絡是一種自動化控制網絡系統，它可以將專用或通用的微處理器集成到傳統的測量控制儀表中，使其具有數字計算和通信能力，使用雙絞線等傳輸介質作為總線，將多個具有一定智能的測量控制儀表連接成網絡系統，并按開放、規范的通信協議構成適用于不同環境的自動化控制系統。根據不同的使用環境，常用的現場總線技術有：FF基金會現場總線、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等，其中FF基金會現場總線技術因具有協議開放、全數字化通信、分布式控制、可互操作、專門針對過程控制設計等優點，在自動化領域得到了廣泛支持并具有良好發展前景，該文的討論以FF現場總線技術作為實例。

　　FF現場總線協議采用了ISO/OSI模型中的三層：物理層、數據鏈路層和應用層;針對工業現場控制的特點，FF現場總線還在應用層之上添加了用戶層;FF物理層規定了現場設備與總線之間的物理連接，常用的傳輸介質為雙絞線等有線介質，但標準中也規定可以使用無線介質。FF數據鏈路層為系統管理內核和總線訪問子層訪問總線介質提供服務。根據應用環境的不同，數據鏈路層可以使用H1、H2、HSE等不同的網絡通信協議，該文后面的討論將以HSE作為FF現場總線的數據鏈路層協議。應用層由現場總線訪問子層FAS和現場總線信息規范子層FMS兩個子層構成;用戶層是在ISO/OSI模型七層結構的基礎上專門為FF添加的層次。用戶層中運行的主要是功能塊應用進程，功能塊應用進程用于完成基金會現場總線中的自動化系統功能。

　　FF現場總線的物理層傳輸介質一般使用有線介質，有線介質具有良好的適應性，可以適應大部分的工業現場環境。但是，在一些特殊的工業環境中，對有線介質的布線是很困難的，歸納起來，以下情況不適宜使用有線介質作為傳輸通道：

　　（1） 現場具有強腐蝕性物質或其他可能對有線介質產生破壞作用的現場環境;

　　（2） 現場環境比較復雜，存在體積比較大的障礙物，有線介質無法穿透這些障礙物或彎曲角度太大超過有線介質的彎曲限度;

　　（3） 現場設備的空間位置需要動態的改變，以及設備移動路徑可能產生交叉;

　　（4） 現場設備需要做旋轉動作，使用有線介質可能出現纏繞;

　　（5） 現場設備數量需要動態變化。

2 藍牙無線技術協議及體系結構

　　藍牙技術是由非營利性組織藍牙SIG標準化的短距離無線射頻通信技術，藍牙無線技術是完全開放的，不同廠家生產的藍牙設備可以保證互操作和兼容性。藍牙技術使用的射頻信號工作在全球免費的2.4GHz ISM頻段，而且其信號功率可在1mW到100mW之間動態變化，不會對人體和其他設備產生影響。

　　藍牙協議的體系結構采用分層結構，藍牙協議棧是按最大限度地重用已有通信協議的原則進行設計的，所以保證了藍牙協議與已有協議的兼容性，簡化了遺留系統的移植。藍牙協議的體系結構分為四層，如圖1所示。

　　多個共享信道的藍牙設備構成藍牙微網。在微網中發起通信的設備為主設備，其他設備為從設備，同一微網中只有一個主設備和最多7個從設備。藍牙射頻與藍牙基帶提供了無線傳輸介質和物理鏈路，L2CAP層則為上層提供無鏈接的分組服務。為了簡化遺留系統的移植，在L2CAP層之上添加了串口仿真協議（RFCOMM）。藍牙微網中主從設備之間采用C/S模式工作，藍牙客戶機設備在使用藍牙服務器設備提供的服務之前，必須使用服務發現協議SDP從藍牙服務器上獲得服務信息。

3 藍牙工業現場總線應用模型描述

　　通過前述分析，FF現場總線的問題主要集中于：FF物理層的傳統傳輸介質為有線介質，有線介質的使用要求現場總線的部署必須進行布線，而前述的一些特殊應用情況是不適宜進行布線的。針對前述問題，結合藍牙技術具有中距離全向通信、低功耗、功率可調、低干擾等有點，提出使用藍牙無線介質替代電纜，從而解決布線所帶來的問題。

　　針對現場總線，可以在現場傳感器或智能變送器設備底層集成藍牙模塊，實現不同的現場設備之間通過藍牙射頻通信，還可以通過網關設備實現遺留有線現場總線與藍牙無線現場總線的透明連接，進而提出一種藍牙現場總線應用模型。在該應用模型中，現場設備是配置了藍牙模塊的傳感器，稱其為藍牙傳感器;為了實現藍牙網絡與遺留有線現場總線的互聯，在藍牙現場傳感器網絡與有線現場總線網絡的邊界設置網關設備實現二者的互聯。假設連接的有線現場總線產品為FF HSE（High Speed Ethernet）。整個藍牙工業現場總線應用模型可以分為三部分：藍牙現場傳感器、藍牙網關和HSE網絡，系統物理結構如圖2所示。

　　各物理部分的組成和功能：

　　（1） 藍牙傳感器作為現場設備，它由通用傳感器模塊和藍牙模塊組成。藍牙傳感器在藍牙微網中充當slave從設備;

　　（2） 藍牙網關應用運行在配置有藍牙模塊的網關硬件上，網關的底層藍牙模塊負責在空中接口中實現與藍牙傳感器的數據和控制信息交換，保證HSE網絡對藍牙傳感器的透明性;藍牙網關應用設備本地同時運行HSE協議棧和功能塊應用，藍牙網關應用對從藍牙模塊接收到的數據進行處理，將數據發送給HSE功能塊，由功能塊和HSE協議棧將數據發送至HSE網絡。網關應用還負責接收HSE網絡的控制信息，并且將控制信息轉換為藍牙傳感器可以識別的信息格式，保證藍牙網絡對HSE網絡的透明性。藍牙網關應用設備在藍牙微網中充當master主設備。

　　（3） HSE組態軟件（HSE Configurator）可以運行在任意聯入HSE現場總線的計算機上，組態軟件實現對總線上的自控設備、網絡節點（包括藍牙網關）進行配置，定義其在總線功能系統中的角色，設置其運行參數。

4 原型應用系統的實現

　　基于上述藍牙工業現場總線應用模型的原型應用系統開發主要包括藍牙傳感器和藍牙網關應用的設計和實現，有線HSE現場總線的軟硬件使用中科院沈陽自動化研究所開發的相關產品。藍牙網關設備與藍牙傳感器使用CSR公司的BlueCore 01單芯片藍牙模塊，藍牙傳感器的傳感器模塊為I2C AD7416溫度傳感器芯片，藍牙網關應用運行硬件平臺為通用PC機;藍牙傳感器軟件開發工具為CSR CASIRA集成開發工具，Windows平臺藍牙協議軟件開發工具為Widcomm BTW DK。藍牙網關應用使用的藍牙協議層次主要包括LMP、L2CAP、RFCOMM和SDP，其協議軟件工作層次如圖3所示。

　　在軟件結構上，藍牙傳感器與藍牙網關應用之間采用C/S工作模式，藍牙傳感器充當現場數據采集服務器，藍牙網關應用充當客戶機;在硬件結構上，藍牙網關應用與藍牙傳感器采用藍牙微網的主從結構，藍牙傳感器為從設備，藍牙網關為主設備，一個藍牙網關可同時與最多7個現場藍牙傳感器進行數據交換和調度。為了實現與傳統有線現場總線HSE的互聯，藍牙網關應用與HSE協議棧及功能塊應用工作在同一網關設備上，但二者工作在不同的進程空間，網關應用使用Win32平臺上數據交換速度最快的共享內存方式實現二者的數據和控制信息交換。

5 結束語

　　藍牙無線技術多用于民用消費類電子產品，文中提出的藍牙工業現場總線應用模型是藍牙技術在工業現場應用的一次有益嘗試，具有一定的創新性，鑒于藍牙技術的諸多優點，這種模型具有很大的可行性，降低了現場總線的整體建設成本，并擴大了現場總線的適用范圍。

　　本文作者創新點:本文中提出的藍牙工業現場總線應用模型是藍牙技術在傳統現場總線中的新型應用，與典型藍牙技術的民用應用相比，擴大了藍牙技術的應用范圍。這種藍牙工業現場總線應用模型具有很大的可行性，節省了現場總線的布線費用，并提高了現場設備的移動性，進一步擴大了現場總線的應用范圍。

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