藍(lán)牙無線技術(shù)協(xié)議及體系結(jié)構(gòu)解析

傳統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(shè)備具有一定的移動性，則有線通信技術(shù)不適用于移動設(shè)備的連接。

藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）作為一種中短距離無線通信技術(shù)，具有無線性、協(xié)議開放、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性的現(xiàn)場設(shè)備設(shè)備，通過使用藍(lán)牙無線技術(shù)作為電纜替代方案可以實(shí)現(xiàn)一種無線現(xiàn)場總線，并可通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)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(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)場總線中使用藍(lán)牙技術(shù)替代有線傳輸介質(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)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及存在的問題

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)是一種自動化控制網(wǎng)絡(luò)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(luò)系統(tǒng)，并按開放、規(guī)范的通信協(xié)議構(gòu)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(shù)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(shù)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(shè)計等優(yōu)點(diǎn)，在自動化領(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)場總線技術(shù)作為實(shí)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(yīng)用層;針對工業(yè)現(xiàn)場控制的特點(diǎn)，F(xiàn)F 現(xiàn)場總線還在應(yīng)用層之上添加了用戶層;FF 物理層規(guī)定了現(xiàn)場設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(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)場總線的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。應(yīng)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(gòu)成;用戶層是在 ISO/OSI 模型七層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上專門為 FF 添加的層次。用戶層中運(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(yīng)性，可以適應(yīng)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(qiáng)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(fù)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(shè)備的空間位置需要動態(tài)的改變，以及設(shè)備移動路徑可能產(chǎn)生交叉;

（4） 現(xiàn)場設(shè)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(shè)備數(shù)量需要動態(tài)變化。

2、 藍(lán)牙無線技術(shù)協(xié)議及體系結(jié)構(gòu)

藍(lán)牙技術(shù)是由非營利性組織藍(lán)牙 SIG 標(biāo)準(zhǔn)化的短距離無線射頻通信技術(shù)，藍(lán)牙無線技術(shù)是完全開放的，不同廠家生產(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)使用的射頻信號工作在全球免費(fèi)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(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)計的，所以保證了藍(lán)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(lán)牙協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)分為四層，如圖 1 所示。

多個共享信道的藍(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)中只有一個主設(shè)備和最多 7 個從設(shè)備。藍(lán)牙射頻與藍(lán)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(wù)。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(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)場總線應(yīng)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(jìn)行布線，而前述的一些特殊應(yīng)用情況是不適宜進(jìn)行布線的。針對前述問題，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(shè)備底層集成藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)不同的現(xiàn)場設(shè)備之間通過藍(lán)牙射頻通信，還可以通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)遺留有線現(xiàn)場總線與藍(lán)牙無線現(xiàn)場總線的透明連接，進(jìn)而提出一種藍(lán)牙現(xiàn)場總線應(yīng)用模型。在該應(yīng)用模型中，現(xiàn)場設(shè)備是配置了藍(lán)牙模塊的傳感器，稱其為藍(lán)牙傳感器;為了實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)與遺留有線現(xiàn)場總線的互聯(lián)，在藍(lán)牙現(xiàn)場傳感器網(wǎng)絡(luò)與有線現(xiàn)場總線網(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)連接的有線現(xiàn)場總線產(chǎn)品為 FF HSE（High Speed Ethernet）。整個藍(lán)牙工業(yè)現(xiàn)場總線應(yīng)用模型可以分為三部分：藍(lán)牙現(xiàn)場傳感器、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)牙傳感器可以識別的信息格式，保證藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)對 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)場總線的計算機(jī)上，組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對總線上的自控設(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)場總線應(yīng)用模型的原型應(yīng)用系統(tǒng)開發(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)計和實(shí)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(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)行硬件平臺為通用 PC 機(jī);藍(lán)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(lán)牙協(xié)議軟件開發(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，一個藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)可同時與最多 7 個現(xiàn)場藍(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)有線現(xiàn)場總線 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

藍(lán)牙無線技術(shù)多用于民用消費(fèi)類電子產(chǎn)品，文中提出的藍(lán)牙工業(yè)現(xiàn)場總線應(yīng)用模型是藍(lán)牙技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場應(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)場總線的整體建設(shè)成本，并擴(kuò)大了現(xiàn)場總線的適用范圍。