在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)中使用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用模型的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)一般使用有線(xiàn)介質(zhì)作為傳輸介質(zhì)，有線(xiàn)傳輸介質(zhì)使通信設(shè)備的位置相對(duì)固定，一些特殊工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有一定的移動(dòng)性，則有線(xiàn)通信技術(shù)不適用于移動(dòng)設(shè)備的連接。藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）作為一種中短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，具有無(wú)線(xiàn)性、協(xié)議開(kāi)放、低能耗、高安全性等優(yōu)點(diǎn)，所以它特別適合于連接具有移動(dòng)性的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備設(shè)備，通過(guò)使用藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)作為電纜替代方案可以實(shí)現(xiàn)一種無(wú)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，并可通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與有線(xiàn)遺留系統(tǒng)的互聯(lián)。該文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)有線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及其缺點(diǎn)的分析，結(jié)合藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)，提出一種在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)中使用藍(lán)牙技術(shù)替代有線(xiàn)傳輸介質(zhì)的應(yīng)用模型及基于該模型實(shí)現(xiàn)的原型系統(tǒng)。

1、 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及存在的問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是一種自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它可以將專(zhuān)用或通用的微處理器集成到傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表中，使其具有數(shù)字計(jì)算和通信能力，使用雙絞線(xiàn)等傳輸介質(zhì)作為總線(xiàn)，將多個(gè)具有一定智能的測(cè)量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按開(kāi)放、規(guī)范的通信協(xié)議構(gòu)成適用于不同環(huán)境的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。根據(jù)不同的使用環(huán)境，常用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)有：FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等，其中FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)因具有協(xié)議開(kāi)放、全數(shù)字化通信、分布式控制、可互操作、專(zhuān)門(mén)針對(duì)過(guò)程控制設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛支持并具有良好發(fā)展前景，該文的討論以FF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)作為實(shí)例。

FF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議采用了ISO/OSI模型中的三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層;針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的特點(diǎn)，F(xiàn)F現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)還在應(yīng)用層之上添加了用戶(hù)層;FF物理層規(guī)定了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與總線(xiàn)之間的物理連接，常用的傳輸介質(zhì)為雙絞線(xiàn)等有線(xiàn)介質(zhì)，但標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定可以使用無(wú)線(xiàn)介質(zhì)。FF數(shù)據(jù)鏈路層為系統(tǒng)管理內(nèi)核和總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)子層訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)介質(zhì)提供服務(wù)。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，數(shù)據(jù)鏈路層可以使用H1、H2、HSE等不同的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，該文后面的討論將以HSE作為FF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。應(yīng)用層由現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)子層FAS和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)信息規(guī)范子層FMS兩個(gè)子層構(gòu)成;用戶(hù)層是在ISO/OSI模型七層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上專(zhuān)門(mén)為FF添加的層次。用戶(hù)層中運(yùn)行的主要是功能塊應(yīng)用進(jìn)程，功能塊應(yīng)用進(jìn)程用于完成基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)中的自動(dòng)化系統(tǒng)功能。

FF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的物理層傳輸介質(zhì)一般使用有線(xiàn)介質(zhì)，有線(xiàn)介質(zhì)具有良好的適應(yīng)性，可以適應(yīng)大部分的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。但是，在一些特殊的工業(yè)環(huán)境中，對(duì)有線(xiàn)介質(zhì)的布線(xiàn)是很困難的，歸納起來(lái)，以下情況不適宜使用有線(xiàn)介質(zhì)作為傳輸通道：

（1） 現(xiàn)場(chǎng)具有強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)或其他可能對(duì)有線(xiàn)介質(zhì)產(chǎn)生破壞作用的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境;

（2） 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，存在體積比較大的障礙物，有線(xiàn)介質(zhì)無(wú)法穿透這些障礙物或彎曲角度太大超過(guò)有線(xiàn)介質(zhì)的彎曲限度;

（3） 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的空間位置需要?jiǎng)討B(tài)的改變，以及設(shè)備移動(dòng)路徑可能產(chǎn)生交叉;

（4） 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備需要做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，使用有線(xiàn)介質(zhì)可能出現(xiàn)纏繞;

（5） 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量需要?jiǎng)討B(tài)變化。

2、 藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)協(xié)議及體系結(jié)構(gòu)

藍(lán)牙技術(shù)是由非營(yíng)利性組織藍(lán)牙SIG標(biāo)準(zhǔn)化的短距離無(wú)線(xiàn)射頻通信技術(shù)，藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)是完全開(kāi)放的，不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的藍(lán)牙設(shè)備可以保證互操作和兼容性。藍(lán)牙技術(shù)使用的射頻信號(hào)工作在全球免費(fèi)的2.4GHz ISM頻段，而且其信號(hào)功率可在1mW到100mW之間動(dòng)態(tài)變化，不會(huì)對(duì)人體和其他設(shè)備產(chǎn)生影響。

藍(lán)牙協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)，藍(lán)牙協(xié)議棧是按最大限度地重用已有通信協(xié)議的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以保證了藍(lán)牙協(xié)議與已有協(xié)議的兼容性，簡(jiǎn)化了遺留系統(tǒng)的移植。藍(lán)牙協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)分為四層，如圖1所示。

多個(gè)共享信道的藍(lán)牙設(shè)備構(gòu)成藍(lán)牙微網(wǎng)。在微網(wǎng)中發(fā)起通信的設(shè)備為主設(shè)備，其他設(shè)備為從設(shè)備，同一微網(wǎng)中只有一個(gè)主設(shè)備和最多7個(gè)從設(shè)備。藍(lán)牙射頻與藍(lán)牙基帶提供了無(wú)線(xiàn)傳輸介質(zhì)和物理鏈路，L2CAP層則為上層提供無(wú)鏈接的分組服務(wù)。為了簡(jiǎn)化遺留系統(tǒng)的移植，在L2CAP層之上添加了串口仿真協(xié)議（RFCOMM）。藍(lán)牙微網(wǎng)中主從設(shè)備之間采用C/S模式工作，藍(lán)牙客戶(hù)機(jī)設(shè)備在使用藍(lán)牙服務(wù)器設(shè)備提供的服務(wù)之前，必須使用服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議SDP從藍(lán)牙服務(wù)器上獲得服務(wù)信息。

3、 藍(lán)牙工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)用模型描述

通過(guò)前述分析，F(xiàn)F現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的問(wèn)題主要集中于：FF物理層的傳統(tǒng)傳輸介質(zhì)為有線(xiàn)介質(zhì)，有線(xiàn)介質(zhì)的使用要求現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的部署必須進(jìn)行布線(xiàn)，而前述的一些特殊應(yīng)用情況是不適宜進(jìn)行布線(xiàn)的。針對(duì)前述問(wèn)題，結(jié)合藍(lán)牙技術(shù)具有中距離全向通信、低功耗、功率可調(diào)、低干擾等有點(diǎn)，提出使用藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)介質(zhì)替代電纜，從而解決布線(xiàn)所帶來(lái)的問(wèn)題。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，可以在現(xiàn)場(chǎng)傳感器或智能變送器設(shè)備底層集成藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)不同的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間通過(guò)藍(lán)牙射頻通信，還可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)遺留有線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的透明連接，進(jìn)而提出一種藍(lán)牙現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)用模型。在該應(yīng)用模型中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是配置了藍(lán)牙模塊的傳感器，稱(chēng)其為藍(lán)牙傳感器;為了實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)與遺留有線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的互聯(lián)，在藍(lán)牙現(xiàn)場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)與有線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的邊界設(shè)置網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)二者的互聯(lián)。假設(shè)連接的有線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品為FF HSE（High Speed Ethernet）。整個(gè)藍(lán)牙工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)用模型可以分為三部分：藍(lán)牙現(xiàn)場(chǎng)傳感器、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)和HSE網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

各物理部分的組成和功能：

（1） 藍(lán)牙傳感器作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，它由通用傳感器模塊和藍(lán)牙模塊組成。藍(lán)牙傳感器在藍(lán)牙微網(wǎng)中充當(dāng)slave從設(shè)備;

（2） 藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)應(yīng)用運(yùn)行在配置有藍(lán)牙模塊的網(wǎng)關(guān)硬件上，網(wǎng)關(guān)的底層藍(lán)牙模塊負(fù)責(zé)在空中接口中實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙傳感器的數(shù)據(jù)和控制信息交換，保證HSE網(wǎng)絡(luò)對(duì)藍(lán)牙傳感器的透明性;藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)應(yīng)用設(shè)備本地同時(shí)運(yùn)行HSE協(xié)議棧和功能塊應(yīng)用，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)應(yīng)用對(duì)從藍(lán)牙模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)發(fā)送給HSE功能塊，由功能塊和HSE協(xié)議棧將數(shù)據(jù)發(fā)送至HSE網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)應(yīng)用還負(fù)責(zé)接收HSE網(wǎng)絡(luò)的控制信息，并且將控制信息轉(zhuǎn)換為藍(lán)牙傳感器可以識(shí)別的信息格式，保證藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)對(duì)HSE網(wǎng)絡(luò)的透明性。藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)應(yīng)用設(shè)備在藍(lán)牙微網(wǎng)中充當(dāng)master主設(shè)備。

（3） HSE組態(tài)軟件（HSE Configurator）可以運(yùn)行在任意聯(lián)入HSE現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的計(jì)算機(jī)上，組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)總線(xiàn)上的自控設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（包括藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)）進(jìn)行配置，定義其在總線(xiàn)功能系統(tǒng)中的角色，設(shè)置其運(yùn)行參數(shù)。

4、 原型應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于上述藍(lán)牙工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)用模型的原型應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要包括藍(lán)牙傳感器和藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)應(yīng)用的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，有線(xiàn)HSE現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的軟硬件使用中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開(kāi)發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品。藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)設(shè)備與藍(lán)牙傳感器使用CSR公司的BlueCore 01單芯片藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙傳感器的傳感器模塊為I2C AD7416溫度傳感器芯片，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)應(yīng)用運(yùn)行硬件平臺(tái)為通用PC機(jī);藍(lán)牙傳感器軟件開(kāi)發(fā)工具為CSR CASIRA集成開(kāi)發(fā)工具，Windows平臺(tái)藍(lán)牙協(xié)議軟件開(kāi)發(fā)工具為Widcomm BTW DK。藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)應(yīng)用使用的藍(lán)牙協(xié)議層次主要包括LMP、L2CAP、RFCOMM和SDP，其協(xié)議軟件工作層次如圖3所示。

在軟件結(jié)構(gòu)上，藍(lán)牙傳感器與藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)應(yīng)用之間采用C/S工作模式，藍(lán)牙傳感器充當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)應(yīng)用充當(dāng)客戶(hù)機(jī);在硬件結(jié)構(gòu)上，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)應(yīng)用與藍(lán)牙傳感器采用藍(lán)牙微網(wǎng)的主從結(jié)構(gòu)，藍(lán)牙傳感器為從設(shè)備，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)為主設(shè)備，一個(gè)藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)可同時(shí)與最多7個(gè)現(xiàn)場(chǎng)藍(lán)牙傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和調(diào)度。為了實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)有線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)HSE的互聯(lián)，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)應(yīng)用與HSE協(xié)議棧及功能塊應(yīng)用工作在同一網(wǎng)關(guān)設(shè)備上，但二者工作在不同的進(jìn)程空間，網(wǎng)關(guān)應(yīng)用使用Win32平臺(tái)上數(shù)據(jù)交換速度最快的共享內(nèi)存方式實(shí)現(xiàn)二者的數(shù)據(jù)和控制信息交換。

5、 結(jié)束語(yǔ)

藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)多用于民用消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品，文中提出的藍(lán)牙工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)用模型是藍(lán)牙技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的一次有益嘗試，具有一定的創(chuàng)新性，鑒于藍(lán)牙技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，這種模型具有很大的可行性，降低了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的整體建設(shè)成本，并擴(kuò)大了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的適用范圍。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文中提出的藍(lán)牙工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)用模型是藍(lán)牙技術(shù)在傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)中的新型應(yīng)用，與典型藍(lán)牙技術(shù)的民用應(yīng)用相比，擴(kuò)大了藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用范圍。這種藍(lán)牙工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)用模型具有很大的可行性，節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的布線(xiàn)費(fèi)用，并提高了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的移動(dòng)性，進(jìn)一步擴(kuò)大了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的應(yīng)用范圍。