摘要 工廠里有很多以不同方式互連的設備，有些是非智能化簡單數(shù)據(jù)連接單元（I/O），更多的是智能化設備（比如智能傳感器、單回路控制器和PLC）和監(jiān)控系統(tǒng)（作為HMI使用，用于數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控）。這些設備是以各種不同的通信協(xié)議和媒介來互連的，其中有些就可以用藍牙無線技術來代替。本文將討論如何利用藍牙連接這些設備，以及該領域對于藍牙技術的一些特殊要求。 本文將藍牙的工業(yè)應用分為四個方面： 1. 代替串行線纜。無線藍牙連接可以代替當前的串行線纜。 2. 結合藍牙和互聯(lián)網(wǎng)技術。利用藍牙帶來的CPU處理能力，給設備添加更多功能，如內(nèi)置的WEB用戶接口。 3. 工業(yè)接入點。通過接入點將數(shù)個藍牙設備連接到傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡中，比如IP網(wǎng)絡（如以太網(wǎng)）或者工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡（如Controlnet和Profibus等）。 4. 無線傳感器和起動器。利用藍牙來將與物理制程關系最密切的設備（傳感器、起動器和簡單的模擬/數(shù)字IO設備）連接到監(jiān)控系統(tǒng)。 代替串行線纜 目前很多工業(yè)設備都使用傳統(tǒng)的串行接口（如RS232, RS422或RS485）來連接配置工具或編程工具 .這些工具專門在設備需要重新配置或編程時與之連接，通常都在標準電腦上操作，并一般使用某種獨立的方法或設備專用通信協(xié)議來和設備進行連接。這些因素都使該領域成為藍牙一個很好的用武之地。圖1就展示了一個利用串行線纜來連接PLC的PC式編程工具。 用藍牙代替串行線纜有兩種方法：一種是使用與工業(yè)設備外置串行端口相連的外置藍牙適配器，另一種是使用與設備電子部分內(nèi)部相連的內(nèi)置藍牙適配器。藍牙適配器可以模擬串行端口，并使用RFCOMM協(xié)議在空中傳輸數(shù)據(jù)（支持Serial Port Profile）。電腦可使用PC卡或者其它附加設備來支持藍牙。藍牙在電腦中的應用使藍牙Serial Port Profile可以行使一個類似于COMMport的角色，使原有的電腦配置和編程工具可以繼續(xù)使用。 藍牙還可以在支持內(nèi)置TCP/IP的設備和WEB服務器的更先進工業(yè)設備領域代替串行線纜。此時，藍牙適配器對LAP（Lan Access Profile）的支持可以達到RFCOMM的水平，而其它的軟件堆棧則被包括在工業(yè)設備中（PPP, IP和WEB服務器）。這使得支持LAP（Lan Access Profile）的外部HMI設備（如筆記本電腦或PDA）可以接入設備內(nèi)置的WEB式用戶接口，而不需要安裝專門的應用軟件。 圖2展示了藍牙適配器代替串行線纜的基本結構。 藍牙和互聯(lián)網(wǎng)技術的結合 假設有一個帶內(nèi)置控制系統(tǒng)的閥門，不斷將動態(tài)狀態(tài)和控制變量信息通過標準的Modbus協(xié)議傳輸?shù)诫娔X（如圖3）。 將一個藍牙適配器添加到該設備上（外置或內(nèi)置）。藍牙適配器通過Modbus協(xié)議和閥門通信。WEB/WAP頁面由內(nèi)置WEB/WAP服務器提供，并借助Modbus協(xié)議來編寫，用于顯示和修改動態(tài)數(shù)據(jù)。藍牙可以利用LAP（Lan Access Profile）來獲取WEB/WAP頁面，從而對設備進行配置、維修和監(jiān)控。 這一概念的結構圖如圖4所示： 從圖中可以看出，除了Modbus，藍牙適配器還可以使用其它工業(yè)協(xié)議和設備控制系統(tǒng)通信?？梢允褂肳ap over Bluetooth手機來訪問內(nèi)置的WAP用戶接口。WAP over Bluetooth規(guī)范固定“路由”功能作為手機功能的一部分。這使得本地WAP頁面可以帶有一個能連到廣域網(wǎng)（WAN）中另一個頁面的超鏈接。WAN可以通過GMS、GPRS或者將來的UMTS技術來訪問。該應用的一個典型例子就是借助本地WAP頁面來報警。該頁面可以連接到WAN頁面，而WAN頁面包含了如何處理報警所反映的問題的信息，并能不斷對與該警報有關的信息進行更新。 工業(yè)接入點 在工業(yè)環(huán)境中使用無線通信將是一個循序漸進的過程。這要求工業(yè)設備必須能使用藍牙功能并和現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡相連，比如IP網(wǎng)絡（如以太網(wǎng)）或者工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡（如Controlnet和Profibus等）。 我們以基于以太網(wǎng)的有線網(wǎng)絡和藍牙工業(yè)設備之間的連接為例（如圖5）。如前文所述一樣，此處的工業(yè)設備（仍以閥門為例）也采用了嵌入式WEB服務器。 設備的內(nèi)置WEB接口是通過接入點（AP，如圖5中1）來訪問的。AP就像一個“電話交換器”，連接到各個閥門。WEB用戶對AP進行訪問。通過AP中的內(nèi)置WEB接口，可以顯示出所有連接的藍牙設備。用戶選擇其中一個設備，并與該設備建立LAP（Lan Access Profile）連接，接著AP就開始行使一個路由器的職能。同時，用戶可以通過藍牙直接訪問所有設備基于WEB的HMI（如圖5中2）。 第二個例子是上一例子的變體。接入點（AP）此時使用modem、GSM、GPRS或者未來的UMTS技術來行使一個撥號AP的功能（如圖6）。 目前的工業(yè)現(xiàn)場總線多種多樣，有標準的，也有某些廠商專有的。下面的例子展示的是帶藍牙功能的設備（仍以閥門為例）如果利用現(xiàn)場總線接入點（Fieldbus Access Point）來連接到原有的有線網(wǎng)絡上（如圖7）。 在這里，藍牙設備通過一個藍牙專用傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇尤朦c（如圖7中1）。數(shù)據(jù)被轉化成現(xiàn)場總線所支持的格式，并傳輸?shù)浆F(xiàn)場總線網(wǎng)絡中一個發(fā)出請求指令的設備中。 從圖中可以看出（如圖7中2），藍牙設備還可以同時用作一個帶內(nèi)置WEB式HMI（參考前文內(nèi)容）的互聯(lián)網(wǎng)設備和一個與接入點（并進一步和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡）進行數(shù)據(jù)收發(fā)的數(shù)據(jù)采集設備。 另一種應用是使接入點內(nèi)部支持藍牙Lan Access Profile和內(nèi)置WEB服務器。這是用來訪問來自藍牙設備的數(shù)據(jù)和通過WEB式HMI連 接現(xiàn)場總線的設備的數(shù)據(jù)。 圖8展示了現(xiàn)場總線接入點（Fieldbus Access Point）的基本結構。 這里的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是在藍牙協(xié)議堆棧頂端運行的一個行業(yè)專用協(xié)議。它可以在L2CAP層或者RFCOMM上呼叫藍牙堆棧。使用藍牙的工業(yè)設備必須支持這一協(xié)議。在這個領域，實現(xiàn)不同制造商設備之間的互用性是眾人之期望，也是未來的SIG工業(yè)應用工作組和專家組的一個主要任務（請參考本文件中后面關于“SIG工業(yè)應用工作組和專家組”的內(nèi)容）。 無線傳感器和起動器 傳感器和起動器有不同的種類，有的智能化很高，而有的則是簡單設備，僅僅作為流程設備的低端接口。因此，對于無線藍牙方案的要求也有不同。如果是智能化設備，它可能會具有足夠好的本地運行功能，使制造流程能在藍牙連接斷開的情況下以限定的模式運行。要做到這一點，可以將控制算法分為兩部分，一部分用于監(jiān)控，在主系統(tǒng)上執(zhí)行，另一部分用于任務關鍵型控制，在傳感器或起動器上執(zhí)行。這個方法也可以在借助藍牙還無法達到性能要求的情況下使用。快速控制回路和快速數(shù)據(jù)采集都是在本地執(zhí)行的，而慢速控制回路則是通過藍牙來進行，緩沖數(shù)據(jù)也是利用藍牙來傳輸。這就對藍牙提出了一些要求（比如關于藍牙節(jié)點之間的時間同步，詳情請參考“工業(yè)應用對藍牙的要求”部分的內(nèi)容）。 不同的流程對于藍牙方案的要求也不同。有些流程對于性能要求不高，可能現(xiàn)在就已經(jīng)非常適合使用藍牙來進行實時控制了。 無線傳感器和起動器非常適合于移動型工業(yè)設備應用領域。安裝在移動軸上的振動傳感器就是一個很好的例子。這個應用需要一個替換型供電方案（比如使用電池或其它電源）才能支持一個完整的無線方案。支持低功率模式的藍牙就非常適合這一應用，但在方案開發(fā)時必須對應用要求給予特別重視。 第一個例子（圖9）中的控制系統(tǒng)（PLC）包含了一些簡單I/O設備和兩個智能傳感器/起動器（此處是單回路控制器），其中I/O設備是通過標準有線I/O總線連接的。即便藍牙連接暫時中斷，單回路控制器依然能夠運行。 [ALIGN=CENTER][ALIGN] 第二個例子（圖10）中的控制系統(tǒng)的簡單I/O設備則是通過藍牙來連接。這種方案要求格外謹慎，以便確保通信的穩(wěn)定性。比如，這一方案可以用于實時要求不高的流程中，也就是說，如果暫時的干擾打斷了連接，流程允許有中繼，或者流程是在接口模式已知的受控環(huán)境中運行的。 上面的例子提到了低速和快速控制。connectBlue通過藍牙連接進行了一次閉合控制回路試驗，結果表明循環(huán)時間（從控制器到I/O并返回）可以控制在15ms以內(nèi)。 工業(yè)應用對藍牙的要求 當前的藍牙技術已經(jīng)能夠用于很多工業(yè)應用領域，但工業(yè)應用對藍牙還有一些其它的要求，滿足了這些要求，藍牙在工業(yè)中應用的可能性就更大。 藍牙原本是為計算機、手機和外圍設備之間的通信而設計的，也可以用于數(shù)據(jù)/語音接入點、ad hoc網(wǎng)絡和線纜代替等領域。該技術最適合于語音應用、文件傳輸以及名片和電話號碼等信息的傳輸?shù)取Ｆ渌鶄鬏數(shù)男畔⒁话愣己芏?，但信息傳輸?shù)陌踩退俣葏s至關重要。這要求藍牙技術能夠具有更高的服務質(zhì)量（QoS），并能抵抗各種外部干擾（例如Radio 2 WG中所提出的“自適應頻率跳躍”方案）。時間戳也是一個很重要的因素。藍牙目前有一個ARQ方案（不適于語音信息包），這一方案不利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。在將來的藍牙規(guī)范中，透明數(shù)據(jù)包將會出現(xiàn)。這樣一來，不管數(shù)據(jù)包中是否有錯誤信息，都能 在規(guī)定的時間收到。系統(tǒng)可以自行決定是否需要重發(fā)數(shù)據(jù)包，或者可以進行其它工作。時間戳也會要求一組藍牙設備之間必須實現(xiàn)高精確的時間同步。對于高精確度的要求可能需要能在藍牙堆棧的更低層支持這一點。 工業(yè)設備常常安裝在惡劣的環(huán)境下，比如溫度和振蕩條件都非常差。這對硬件也提出了新的要求。工業(yè)應用中的藍牙模塊必須將能夠承受–40℃到+80℃的溫度，并擁有穩(wěn)定的性能。 功耗也是一個重要因素，因為這些環(huán)境中一般都不能供電。純電池方案有時不是很合適，因為一旦工作人員需要定期更換電池，無線通信就會斷開。因此，必須考慮其它的電源方案。藍牙支持低功率模式，但必須特別注意考慮不同的場合。 總結起來，工業(yè)應用對藍牙的要求有以下幾點： ● 可靠性（增強的服務質(zhì)量和抗干擾性） ● 透明的數(shù)據(jù)包 ● 時間戳 ● 低功耗 ● 加寬的工作溫度范圍（對于HW廠商的要求） SIG工業(yè)應用工作組和專家組 Bluetooth SIG正在籌劃成立一個工業(yè)應用工作組（WG）和專家組（EG）。 工業(yè)應用工作組的目標是開發(fā) 規(guī)范以確保不同工業(yè)設備之間的互操作性。該工作組還未創(chuàng)建起來，目前只是一個研究組，正準備將成立提案提交給Bluetooth BARB委員會。 專家組的目標則是定義出工業(yè)應用對藍牙標準修改的要求，并將這些要求傳達給SIG的其它工作組。目前要提交給BARB委員會的關于成立專家組的提案也在籌備中。 作者 Mats Andersson Mats Andersson是瑞典connectBlue AB公司首席技術官。該公司專門致力于在工業(yè)和商業(yè)設備中集成藍牙方案，提供咨詢、培訓和硬件軟件組成的完整方案。目前正在開發(fā)和推廣工業(yè)藍牙產(chǎn)品。Mats Andersson在工業(yè)自動化領域有20年的經(jīng)驗，曾在AlfaLaval Automation和ABB Automation Products公司擔任工業(yè)自動化產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)理。