藍(lán)牙工業(yè)現(xiàn)場總線應(yīng)用模型

　　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現(xiàn)一種無線現(xiàn)場總線，并可通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備實現(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：

　?。?）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;

　?。?）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2.4GHzISM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。

圖1藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

　　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。