詳談藍牙工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)應用模型設計方案

　　傳統現場(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)使通信設備的位置相對固定，一些特殊工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境要求現場(chǎng)設備具有一定的移動(dòng)性，則有線(xiàn)通信技術(shù)不適用于移動(dòng)設備的連接。

　　藍牙技術(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)性的現場(chǎng)設備設備，通過(guò)使用藍牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)作為電纜替代方案可以實(shí)現一種無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)總線(xiàn)，并可通過(guò)網(wǎng)關(guān)設備實(shí)現無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與有線(xiàn)遺留系統的互聯(lián)。

　　該文通過(guò)對傳統有線(xiàn)現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的結構及其缺點(diǎn)的分析，結合藍牙技術(shù)的特點(diǎn)，提出一種在現場(chǎng)總線(xiàn)中使用藍牙技術(shù)替代有線(xiàn)傳輸介質(zhì)的應用模型及基于該模型實(shí)現的原型系統。
 

 

　　1、現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統的結構及存在的問(wèn)題

　　現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是一種自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò )系統，它可以將專(zhuān)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(xiàn)等傳輸介質(zhì)作為總線(xiàn)，將多個(gè)具有一定智能的測量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò )系統，并按開(kāi)放、規范的通信協(xié)議構成適用于不同環(huán)境的自動(dòng)化控制系統。根據不同的使用環(huán)境，常用的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)有：FF基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等，其中FF基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)因具有協(xié)議開(kāi)放、全數字化通信、分布式控制、可互操作、專(zhuān)門(mén)針對過(guò)程控制設計等優(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現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)作為實(shí)例。

　　FF現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)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(yè)現場(chǎng)控制的特點(diǎn)，FF現場(chǎng)總線(xiàn)還在應用層之上添加了用戶(hù)層;FF物理層規定了現場(chǎng)設備與總線(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)，但標準中也規定可以使用無(wú)線(xiàn)介質(zhì)。FF數據鏈路層為系統管理內核和總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)子層訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)介質(zhì)提供服務(wù)。根據應用環(huán)境的不同，數據鏈路層可以使用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現場(chǎng)總線(xiàn)的數據鏈路層協(xié)議。應用層由現場(chǎng)總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)子層FAS和現場(chǎng)總線(xiàn)信息規范子層FMS兩個(gè)子層構成;用戶(hù)層是在ISO/OSI模型七層結構的基礎上專(zhuān)門(mén)為FF添加的層次。用戶(hù)層中運行的主要是功能塊應用進(jìn)程，功能塊應用進(jìn)程用于完成基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)中的自動(dòng)化系統功能。

　　FF現場(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)具有良好的適應性，可以適應大部分的工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境。但是，在一些特殊的工業(yè)環(huán)境中，對有線(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)現場(chǎng)具有強腐蝕性物質(zhì)或其他可能對有線(xiàn)介質(zhì)產(chǎn)生破壞作用的現場(chǎng)環(huán)境;

　　(2)現場(chǎng)環(huán)境比較復雜，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)現場(chǎng)設備的空間位置需要動(dòng)態(tài)的改變，以及設備移動(dòng)路徑可能產(chǎn)生交叉;

　　(4)現場(chǎng)設備需要做旋轉動(dòng)作，使用有線(xiàn)介質(zhì)可能出現纏繞;

　　(5)現場(chǎng)設備數量需要動(dòng)態(tài)變化。

　　2、藍牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)協(xié)議及體系結構

　　藍牙技術(shù)是由非營(yíng)利性組織藍牙SIG標準化的短距離無(wú)線(xiàn)射頻通信技術(shù)，藍牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)是完全開(kāi)放的，不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的藍牙設備可以保證互操作和兼容性。藍牙技術(shù)使用的射頻信號工作在全球免費的2.4GHzISM頻段，而且其信號功率可在1mW到100mW之間動(dòng)態(tài)變化，不會(huì )對人體和其他設備產(chǎn)生影響。

　　藍牙協(xié)議的體系結構采用分層結構，藍牙協(xié)議棧是按最大限度地重用已有通信協(xié)議的原則進(jìn)行設計的，所以保證了藍牙協(xié)議與已有協(xié)議的兼容性，簡(jiǎn)化了遺留系統的移植。

　　多個(gè)共享信道的藍牙設備構成藍牙微網(wǎng)。在微網(wǎng)中發(fā)起通信的設備為主設備，其他設備為從設備，同一微網(wǎng)中只有一個(gè)主設備和最多7個(gè)從設備。藍牙射頻與藍牙基帶提供了無(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)化遺留系統的移植，在L2CAP層之上添加了串口仿真協(xié)議(RFCOMM)。藍牙微網(wǎng)中主從設備之間采用C/S模式工作，藍牙客戶(hù)機設備在使用藍牙服務(wù)器設備提供的服務(wù)之前，必須使用服務(wù)發(fā)現協(xié)議SDP從藍牙服務(wù)器上獲得服務(wù)信息。

　　3、藍牙工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)應用模型描述

　　通過(guò)前述分析，FF現場(chǎng)總線(xiàn)的問(wèn)題主要集中于：FF物理層的傳統傳輸介質(zhì)為有線(xiàn)介質(zhì)，有線(xiàn)介質(zhì)的使用要求現場(chǎng)總線(xiàn)的部署必須進(jìn)行布線(xiàn)，而前述的一些特殊應用情況是不適宜進(jìn)行布線(xiàn)的。針對前述問(wèn)題，結合藍牙技術(shù)具有中距離全向通信、低功耗、功率可調、低干擾等有點(diǎn)，提出使用藍牙無(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。

　　針對現場(chǎng)總線(xiàn)，可以在現場(chǎng)傳感器或智能變送器設備底層集成藍牙模塊，實(shí)現不同的現場(chǎng)設備之間通過(guò)藍牙射頻通信，還可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)設備實(shí)現遺留有線(xiàn)現場(chǎng)總線(xiàn)與藍牙無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)總線(xiàn)的透明連接，進(jìn)而提出一種藍牙現場(chǎng)總線(xiàn)應用模型。在該應用模型中，現場(chǎng)設備是配置了藍牙模塊的傳感器，稱(chēng)其為藍牙傳感器;為了實(shí)現藍牙網(wǎng)絡(luò )與遺留有線(xiàn)現場(chǎng)總線(xiàn)的互聯(lián)，在藍牙現場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò )與有線(xiàn)現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的邊界設置網(wǎng)關(guān)設備實(shí)現二者的互聯(lián)。假設連接的有線(xiàn)現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品為FFHSE(HighSpeedEthernet)。整個(gè)藍牙工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)應用模型可以分為三部分：藍牙現場(chǎng)傳感器、藍牙網(wǎng)關(guān)和HSE網(wǎng)絡(luò )。

　　各物理部分的組成和功能：

　　(1)藍牙傳感器作為現場(chǎng)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(wǎng)中充當slave從設備;

　　(2)藍牙網(wǎng)關(guān)應用運行在配置有藍牙模塊的網(wǎng)關(guān)硬件上，網(wǎng)關(guān)的底層藍牙模塊負責在空中接口中實(shí)現與藍牙傳感器的數據和控制信息交換，保證HSE網(wǎng)絡(luò )對藍牙傳感器的透明性;藍牙網(wǎng)關(guān)應用設備本地同時(shí)運行HSE協(xié)議棧和功能塊應用，藍牙網(wǎng)關(guān)應用對從藍牙模塊接收到的數據進(jìn)行處理，將數據發(fā)送給HSE功能塊，由功能塊和HSE協(xié)議棧將數據發(fā)送至HSE網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)關(guān)應用還負責接收HSE網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )對HSE網(wǎng)絡(luò )的透明性。藍牙網(wǎng)關(guān)應用設備在藍牙微網(wǎng)中充當master主設備。

　　(3)HSE組態(tài)軟件(HSEConfigurator)可以運行在任意聯(lián)入HSE現場(chǎng)總線(xiàn)的計算機上，組態(tài)軟件實(shí)現對總線(xiàn)上的自控設備、網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)(包括藍牙網(wǎng)關(guān))進(jìn)行配置，定義其在總線(xiàn)功能系統中的角色，設置其運行參數。

　　4、原型應用系統的實(shí)現

　　基于上述藍牙工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)應用模型的原型應用系統開(kāi)發(fā)主要包括藍牙傳感器和藍牙網(wǎng)關(guān)應用的設計和實(shí)現，有線(xiàn)HSE現場(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。藍牙網(wǎng)關(guān)設備與藍牙傳感器使用CSR公司的BlueCore01單芯片藍牙模塊，藍牙傳感器的傳感器模塊為I2CAD7416溫度傳感器芯片，藍牙網(wǎng)關(guān)應用運行硬件平臺為通用PC機;藍牙傳感器軟件開(kāi)發(fā)工具為CSRCASIRA集成開(kāi)發(fā)工具，Windows平臺藍牙協(xié)議軟件開(kāi)發(fā)工具為WidcommBTWDK。藍牙網(wǎng)關(guān)應用使用的藍牙協(xié)議層次主要包括LMP、L2CAP、RFCOMM和SDP。

　　在軟件結構上，藍牙傳感器與藍牙網(wǎng)關(guān)應用之間采用C/S工作模式，藍牙傳感器充當現場(chǎng)數據采集服務(wù)器，藍牙網(wǎng)關(guān)應用充當客戶(hù)機;在硬件結構上，藍牙網(wǎng)關(guān)應用與藍牙傳感器采用藍牙微網(wǎng)的主從結構，藍牙傳感器為從設備，藍牙網(wǎng)關(guān)為主設備，一個(gè)藍牙網(wǎng)關(guān)可同時(shí)與最多7個(gè)現場(chǎng)藍牙傳感器進(jìn)行數據交換和調度。為了實(shí)現與傳統有線(xiàn)現場(chǎng)總線(xiàn)HSE的互聯(lián)，藍牙網(wǎng)關(guān)應用與HSE協(xié)議棧及功能塊應用工作在同一網(wǎng)關(guān)設備上，但二者工作在不同的進(jìn)程空間，網(wǎng)關(guān)應用使用Win32平臺上數據交換速度最快的共享內存方式實(shí)現二者的數據和控制信息交換。

　　5、結束語(yǔ)

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