傳統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡一般使用有線介質(zhì)作為傳輸介質(zhì)，有線傳輸介質(zhì)使通信設備的位置相對固定，一些特殊工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境要求現(xiàn)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(xié)議開放、低能耗、高安全性等優(yōu)點，所以它特別適合于連接具有移動性的現(xiàn)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(xiàn)一種無線現(xiàn)場總線，并可通過網(wǎng)關設備實現(xiàn)無線網(wǎng)絡與有線遺留系統(tǒng)的互聯(lián)。該文通過對傳統(tǒng)有線現(xiàn)場總線網(wǎng)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(xiàn)場總線中使用藍牙技術替代有線傳輸介質(zhì)的應用模型及基于該模型實現(xiàn)的原型系統(tǒng)。

1、 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡系統(tǒng)的結構及存在的問題

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡是一種自動化控制網(wǎng)絡系統(tǒng)，它可以將專用或通用的微處理器集成到傳統(tǒng)的測量控制儀表中，使其具有數(shù)字計算和通信能力，使用雙絞線等傳輸介質(zhì)作為總線，將多個具有一定智能的測量控制儀表連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)，并按開放、規(guī)范的通信協(xié)議構成適用于不同環(huán)境的自動化控制系統(tǒng)。根據(jù)不同的使用環(huán)境，常用的現(xiàn)場總線技術有：FF基金會現(xiàn)場總線、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等，其中FF基金會現(xiàn)場總線技術因具有協(xié)議開放、全數(shù)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(yōu)點，在自動化領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)場總線技術作為實例。

FF現(xiàn)場總線協(xié)議采用了ISO/OSI模型中的三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層;針對工業(yè)現(xiàn)場控制的特點，F(xiàn)F現(xiàn)場總線還在應用層之上添加了用戶層;FF物理層規(guī)定了現(xiàn)場設備與總線之間的物理連接，常用的傳輸介質(zhì)為雙絞線等有線介質(zhì)，但標準中也規(guī)定可以使用無線介質(zhì)。FF數(shù)據(jù)鏈路層為系統(tǒng)管理內(nèi)核和總線訪問子層訪問總線介質(zhì)提供服務。根據(jù)應用環(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)絡通信協(xié)議，該文后面的討論將以HSE作為FF現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。應用層由現(xiàn)場總線訪問子層FAS和現(xiàn)場總線信息規(guī)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(xiàn)場總線中的自動化系統(tǒng)功能。

FF現(xiàn)場總線的物理層傳輸介質(zhì)一般使用有線介質(zhì)，有線介質(zhì)具有良好的適應性，可以適應大部分的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。但是，在一些特殊的工業(yè)環(huán)境中，對有線介質(zhì)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(zhì)作為傳輸通道：

（1） 現(xiàn)場具有強腐蝕性物質(zhì)或其他可能對有線介質(zhì)產(chǎn)生破壞作用的現(xiàn)場環(huán)境;

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

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

（4） 現(xiàn)場設備需要做旋轉(zhuǎn)動作，使用有線介質(zhì)可能出現(xiàn)纏繞;

（5） 現(xiàn)場設備數(shù)量需要動態(tài)變化。

2、 藍牙無線技術協(xié)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(chǎn)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(tài)變化，不會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，簡化了遺留系統(tǒng)的移植。藍牙協(xié)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(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(zhì)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)協(xié)議SDP從藍牙服務器上獲得服務信息。

3、 藍牙工業(yè)現(xiàn)場總線應用模型描述

通過前述分析，F(xiàn)F現(xiàn)場總線的問題主要集中于：FF物理層的傳統(tǒng)傳輸介質(zhì)為有線介質(zhì)，有線介質(zhì)的使用要求現(xiàn)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(diào)、低干擾等有點，提出使用藍牙無線介質(zhì)替代電纜，從而解決布線所帶來的問題。

針對現(xiàn)場總線，可以在現(xiàn)場傳感器或智能變送器設備底層集成藍牙模塊，實現(xiàn)不同的現(xiàn)場設備之間通過藍牙射頻通信，還可以通過網(wǎng)關設備實現(xiàn)遺留有線現(xiàn)場總線與藍牙無線現(xiàn)場總線的透明連接，進而提出一種藍牙現(xiàn)場總線應用模型。在該應用模型中，現(xiàn)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(xiàn)藍牙網(wǎng)絡與遺留有線現(xiàn)場總線的互聯(lián)，在藍牙現(xiàn)場傳感器網(wǎng)絡與有線現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的邊界設置網(wǎng)關設備實現(xiàn)二者的互聯(lián)。假設連接的有線現(xiàn)場總線產(chǎn)品為FF HSE（High Speed Ethernet）。整個藍牙工業(yè)現(xiàn)場總線應用模型可以分為三部分：藍牙現(xiàn)場傳感器、藍牙網(wǎng)關和HSE網(wǎng)絡，系統(tǒng)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(xiàn)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(wǎng)中充當slave從設備;

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

（3） HSE組態(tài)軟件（HSE Configurator）可以運行在任意聯(lián)入HSE現(xiàn)場總線的計算機上，組態(tài)軟件實現(xiàn)對總線上的自控設備、網(wǎng)絡節(jié)點（包括藍牙網(wǎng)關）進行配置，定義其在總線功能系統(tǒng)中的角色，設置其運行參數(shù)。

4、 原型應用系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于上述藍牙工業(yè)現(xiàn)場總線應用模型的原型應用系統(tǒng)開發(fā)主要包括藍牙傳感器和藍牙網(wǎng)關應用的設計和實現(xiàn)，有線HSE現(xiàn)場總線的軟硬件使用中科院沈陽自動化研究所開發(fā)的相關產(chǎn)品。藍牙網(wǎng)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(wǎng)關應用運行硬件平臺為通用PC機;藍牙傳感器軟件開發(fā)工具為CSR CASIRA集成開發(fā)工具，Windows平臺藍牙協(xié)議軟件開發(fā)工具為Widcomm BTW DK。藍牙網(wǎng)關應用使用的藍牙協(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。

在軟件結構上，藍牙傳感器與藍牙網(wǎng)關應用之間采用C/S工作模式，藍牙傳感器充當現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集服務器，藍牙網(wǎng)關應用充當客戶機;在硬件結構上，藍牙網(wǎng)關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)關為主設備，一個藍牙網(wǎng)關可同時與最多7個現(xiàn)場藍牙傳感器進行數(shù)據(jù)交換和調(diào)度。為了實現(xiàn)與傳統(tǒng)有線現(xiàn)場總線HSE的互聯(lián)，藍牙網(wǎng)關應用與HSE協(xié)議棧及功能塊應用工作在同一網(wǎng)關設備上，但二者工作在不同的進程空間，網(wǎng)關應用使用Win32平臺上數(shù)據(jù)交換速度最快的共享內(nèi)存方式實現(xiàn)二者的數(shù)據(jù)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(chǎn)品，文中提出的藍牙工業(yè)現(xiàn)場總線應用模型是藍牙技術在工業(yè)現(xiàn)場應用的一次有益嘗試，具有一定的創(chuàng)新性，鑒于藍牙技術的諸多優(yōu)點，這種模型具有很大的可行性，降低了現(xiàn)場總線的整體建設成本，并擴大了現(xiàn)場總線的適用范圍。

本文作者創(chuàng)新點：本文中提出的藍牙工業(yè)現(xiàn)場總線應用模型是藍牙技術在傳統(tǒng)現(xiàn)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(yè)現(xiàn)場總線應用模型具有很大的可行性，節(jié)省了現(xiàn)場總線的布線費用，并提高了現(xiàn)場設備的移動性，進一步擴大了現(xiàn)場總線的應用范圍。

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