摘要 工廠里有很多以不同方式互連的設(shè)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(shè)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(shè)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(shù)來代替。本文將討論如何利用藍牙連接這些設(shè)備，以及該領(lǐng)域?qū)τ谒{牙技術(shù)的一些特殊要求。 本文將藍牙的工業(yè)應(yīng)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(jié)合藍牙和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。利用藍牙帶來的CPU處理能力，給設(shè)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(shè)備連接到傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)中，比如IP網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))或者工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)(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(guān)系最密切的設(shè)備(傳感器、起動器和簡單的模擬/數(shù)字IO設(shè)備)連接到監(jiān)控系統(tǒng)。 代替串行線纜 目前很多工業(yè)設(shè)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(shè)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(shè)備專用通信協(xié)議來和設(shè)備進行連接。這些因素都使該領(lǐng)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。 圖1 用藍牙代替串行線纜有兩種方法：一種是使用與工業(yè)設(shè)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(shè)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(shè)備來支持藍牙。藍牙在電腦中的應(yīng)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(shè)備和WEB服務(wù)器的更先進工業(yè)設(shè)備領(lǐng)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(shè)備中(PPP, IP和WEB服務(wù)器)。這使得支持LAP(Lan Access Profile)的外部HMI設(shè)備(如筆記本電腦或PDA)可以接入設(shè)備內(nèi)置的WEB式用戶接口，而不需要安裝專門的應(yīng)用軟件。 圖2展示了藍牙適配器代替串行線纜的基本結(jié)構(gòu)。 圖2 藍牙和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合 假設(shè)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)。 圖3 將一個藍牙適配器添加到該設(shè)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(wù)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(shè)備進行配置、維修和監(jiān)控。 這一概念的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示： 圖4 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(shè)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(shù)來訪問。該應(yīng)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(guān)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(shè)備必須能使用藍牙功能并和現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)相連，比如IP網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))或者工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)(如Controlnet和Profibus等)。 我們以基于以太網(wǎng)的有線網(wǎng)絡(luò)和藍牙工業(yè)設(shè)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(shè)備(仍以閥門為例)也采用了嵌入式WEB服務(wù)器。 圖5 設(shè)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(shè)備。用戶選擇其中一個設(shè)備，并與該設(shè)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(shè)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(shù)來行使一個撥號AP的功能(如圖6)。 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(shè)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(luò)上(如圖7)。 圖7 在這里，藍牙設(shè)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(zhuǎn)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(luò)中一個發(fā)出請求指令的設(shè)備中。 從圖中可以看出(如圖7中2)，藍牙設(shè)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(shè)備和一個與接入點(并進一步和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò))進行數(shù)據(jù)收發(fā)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。 另一種應(yīng)用是使接入點內(nèi)部支持藍牙Lan Access Profile和內(nèi)置WEB服務(wù)器。這是用來訪問來自藍牙設(shè)備的數(shù)據(jù)和通過WEB式HMI連接現(xiàn)場總線的設(shè)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(jié)構(gòu)。 圖8 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(shè)備必須支持這一協(xié)議。在這個領(lǐng)域，實現(xiàn)不同制造商設(shè)備之間的互用性是眾人之期望，也是未來的SIG工業(yè)應(yīng)用工作組和專家組的一個主要任務(wù)(請參考本文件中后面關(guān)于“SIG工業(yè)應(yīng)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(shè)備，僅僅作為流程設(shè)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(shè)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(wù)關(guān)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(guān)于藍牙節(jié)點之間的時間同步，詳情請參考“工業(yè)應(yīng)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(shè)備應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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(yīng)用，但在方案開發(fā)時必須對應(yīng)用要求給予特別重視。 圖9 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(shè)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(shè)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。 圖10 第二個例子(圖10)中的控制系統(tǒng)的簡單I/O設(shè)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(jié)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(yīng)用對藍牙的要求 當前的藍牙技術(shù)已經(jīng)能夠用于很多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，但工業(yè)應(yīng)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(yīng)用的可能性就更大。 藍牙原本是為計算機、手機和外圍設(shè)備之間的通信而設(shè)計的，也可以用于數(shù)據(jù)/語音接入點、ad hoc網(wǎng)絡(luò)和線纜代替等領(lǐng)域。該技術(shù)最適合于語音應(yīng)用、文件傳輸以及名片和電話號碼等信息的傳輸?shù)?。其所傳輸?shù)男畔⒁话愣己芏蹋畔鬏數(shù)陌踩退俣葏s至關(guān)重要。這要求藍牙技術(shù)能夠具有更高的服務(wù)質(zhì)量(QoS)，并能抵抗各種外部干擾(例如Radio 2 WG中所提出的“