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(lán)牙無線技術(shù)來代替。本文將討論如何利用藍(lán)牙連接這些設(shè)備，以及該領(lǐng)域?qū)τ谒{(lán)牙技術(shù)的一些特殊要求。 本文將藍(lán)牙的工業(yè)應(yīng)用分為四個(gè)方面： 1. 代替串行線纜。無線藍(lán)牙連接可以代替當(dāng)前的串行線纜。 2. 結(jié)合藍(lán)牙和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。利用藍(lán)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(diǎn)。通過接入點(diǎn)將數(shù)個(gè)藍(lán)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(dòng)器。利用藍(lán)牙來將與物理制程關(guān)系最密切的設(shè)備（傳感器、起動(dòng)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(shí)與之連接，通常都在標(biāo)準(zhǔn)電腦上操作，并一般使用某種獨(dú)立的方法或設(shè)備專用通信協(xié)議來和設(shè)備進(jìn)行連接。這些因素都使該領(lǐng)域成為藍(lán)牙一個(gè)很好的用武之地。圖1就展示了一個(gè)利用串行線纜來連接PLC的PC式編程工具。 用藍(lán)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(lán)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(lán)牙適配器。藍(lán)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(lán)牙。藍(lán)牙在電腦中的應(yīng)用使藍(lán)牙Serial Port Profile可以行使一個(gè)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(lán)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(jìn)工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域代替串行線纜。此時(shí)，藍(lán)牙適配器對LAP（Lan Access Profile）的支持可以達(dá)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(lán)牙適配器代替串行線纜的基本結(jié)構(gòu)。 藍(lán)牙和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合 假設(shè)有一個(gè)帶內(nèi)置控制系統(tǒng)的閥門，不斷將動(dòng)態(tài)狀態(tài)和控制變量信息通過標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議傳輸?shù)诫娔X（如圖3）。 將一個(gè)藍(lán)牙適配器添加到該設(shè)備上（外置或內(nèi)置）。藍(lán)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。藍(lán)牙可以利用LAP（Lan Access Profile）來獲取WEB/WAP頁面，從而對設(shè)備進(jìn)行配置、維修和監(jiān)控。 這一概念的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示： 從圖中可以看出，除了Modbus，藍(lán)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。可以使用Wap over Bluetooth手機(jī)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(jī)功能的一部分。這使得本地WAP頁面可以帶有一個(gè)能連到廣域網(wǎng)（WAN）中另一個(gè)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(gè)典型例子就是借助本地WAP頁面來報(bào)警。該頁面可以連接到WAN頁面，而WAN頁面包含了如何處理報(bào)警所反映的問題的信息，并能不斷對與該警報(bào)有關(guān)的信息進(jìn)行更新。 工業(yè)接入點(diǎn) 在工業(yè)環(huán)境中使用無線通信將是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。這要求工業(yè)設(shè)備必須能使用藍(lán)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(lán)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。 設(shè)備的內(nèi)置WEB接口是通過接入點(diǎn)（AP，如圖5中1）來訪問的。AP就像一個(gè)“電話交換器”，連接到各個(gè)閥門。WEB用戶對AP進(jìn)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(lán)牙設(shè)備。用戶選擇其中一個(gè)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(gè)路由器的職能。同時(shí)，用戶可以通過藍(lán)牙直接訪問所有設(shè)備基于WEB的HMI（如圖5中2）。 第二個(gè)例子是上一例子的變體。接入點(diǎn)（AP）此時(shí)使用modem、GSM、GPRS或者未來的UMTS技術(shù)來行使一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的，也有某些廠商專有的。下面的例子展示的是帶藍(lán)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(diǎn)（Fieldbus Access Point）來連接到原有的有線網(wǎng)絡(luò)上（如圖7）。 在這里，藍(lán)牙設(shè)備通過一個(gè)藍(lán)牙專用傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇尤朦c(diǎn)（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(gè)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(lán)牙設(shè)備還可以同時(shí)用作一個(gè)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(gè)與接入點(diǎn)（并進(jìn)一步和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)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(diǎn)內(nèi)部支持藍(lán)牙Lan Access Profile和內(nèi)置WEB服務(wù)器。這是用來訪問來自藍(lán)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(diǎn)（Fieldbus Access Point）的基本結(jié)構(gòu)。 這里的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是在藍(lán)牙協(xié)議堆棧頂端運(yùn)行的一個(gè)行業(yè)專用協(xié)議。它可以在L2CAP層或者RFCOMM上呼叫藍(lán)牙堆棧。使用藍(lán)牙的工業(yè)設(shè)備必須支持這一協(xié)議。在這個(gè)領(lǐng)域，實(shí)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(gè)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(dòng)器 傳感器和起動(dòng)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(lán)牙方案的要求也有不同。如果是智能化設(shè)備，它可能會(huì)具有足夠好的本地運(yùn)行功能，使制造流程能在藍(lán)牙連接斷開的情況下以限定的模式運(yùn)行。要做到這一點(diǎn)，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(dòng)器上執(zhí)行。這個(gè)方法也可以在借助藍(lán)牙還無法達(dá)到性能要求的情況下使用?？焖倏刂苹芈泛涂焖贁?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(lán)牙來進(jìn)行，緩沖數(shù)據(jù)也是利用藍(lán)牙來傳輸。這就對藍(lán)牙提出了一些要求（比如關(guān)于藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步，詳情請參考“工業(yè)應(yīng)用對藍(lán)牙的要求”部分的內(nèi)容）。 不同的流程對于藍(lán)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(lán)牙來進(jìn)行實(shí)時(shí)控制了。 無線傳感器和起動(dòng)器非常適合于移動(dòng)型工業(yè)設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域。安裝在移動(dòng)軸上的振動(dòng)傳感器就是一個(gè)很好的例子。這個(gè)應(yīng)用需要一個(gè)替換型供電方案（比如使用電池或其它電源）才能支持一個(gè)完整的無線方案。支持低功率模式的藍(lán)牙就非常適合這一應(yīng)用，但在方案開發(fā)時(shí)必須對應(yīng)用要求給予特別重視。 第一個(gè)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(gè)智能傳感器/起動(dòng)器（此處是單回路控制器），其中I/O設(shè)備是通過標(biāo)準(zhǔn)有線I/O總線連接的。即便藍(lán)牙連接暫時(shí)中斷，單回路控制器依然能夠運(yùn)行。 [ALIGN=CENTER][ALIGN] 第二個(gè)例子（圖10）中的控制系統(tǒng)的簡單I/O設(shè)備則是通過藍(lán)牙來連接。這種方案要求格外謹(jǐn)慎，以便確保通信的穩(wěn)定性。比如，這一方案可以用于實(shí)時(shí)要求不高的流程中，也就是說，如果暫時(shí)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(yùn)行的。 上面的例子提到了低速和快速控制。connectBlue通過藍(lán)牙連接進(jìn)行了一次閉合控制回路試驗(yàn)，結(jié)果表明循環(huán)時(shí)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(lán)牙的要求 當(dāng)前的藍(lán)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(lán)牙還有一些其它的要求，滿足了這些要求，藍(lán)牙在工業(yè)中應(yīng)用的可能性就更大。 藍(lán)牙原本是為計(jì)算機(jī)、手機(jī)和外圍設(shè)備之間的通信而設(shè)計(jì)的，也可以用于數(shù)據(jù)/語音接入點(diǎn)、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?，但信息傳輸?shù)陌踩退俣葏s至關(guān)重要。這要求藍(lán)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“自適應(yīng)頻率跳躍”方案）。時(shí)間戳也是一個(gè)很重要的因素。藍(lán)牙目前有一個(gè)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(lán)牙規(guī)范中，透明數(shù)據(jù)包將會(huì)出現(xiàn)。這樣一來，不管數(shù)據(jù)包中是否有錯(cuò)誤信息，都能 在規(guī)定的時(shí)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(jìn)行其它工作。時(shí)間戳也會(huì)要求一組藍(lán)牙設(shè)備之間必須實(shí)現(xiàn)高精確的時(shí)間同步。對于高精確度的要求可能需要能在藍(lán)牙堆棧的更低層支持這一點(diǎn)。 工業(yè)設(shè)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(yīng)用中的藍(lán)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(gè)重要因素，因?yàn)檫@些環(huán)境中一般都不能供電。純電池方案有時(shí)不是很合適，因?yàn)橐坏┕ぷ魅藛T需要定期更換電池，無線通信就會(huì)斷開。因此，必須考慮其它的電源方案。藍(lán)牙支持低功率模式，但必須特別注意考慮不同的場合。 總結(jié)起來，工業(yè)應(yīng)用對藍(lán)牙的要求有以下幾點(diǎn)： ● 可靠性（增強(qiáng)的服務(wù)質(zhì)量和抗干擾性） ● 透明的數(shù)據(jù)包 ● 時(shí)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(yīng)用工作組和專家組 Bluetooth SIG正在籌劃成立一個(gè)工業(yè)應(yīng)用工作組（WG）和專家組（EG）。 工業(yè)應(yīng)用工作組的目標(biāo)是開發(fā) 規(guī)范以確保不同工業(yè)設(shè)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(gè)研究組，正準(zhǔn)備將成立提案提交給Bluetooth BARB委員會(huì)。 專家組的目標(biāo)則是定義出工業(yè)應(yīng)用對藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)修改的要求，并將這些要求傳達(dá)給SIG的其它工作組。目前要提交給BARB委員會(huì)的關(guān)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(shù)官。該公司專門致力于在工業(yè)和商業(yè)設(shè)備中集成藍(lán)牙方案，提供咨詢、培訓(xùn)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(lán)牙產(chǎn)品。Mats Andersson在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有20年的經(jīng)驗(yàn)，曾在AlfaLaval Automation和ABB Automation Products公司擔(dān)任工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)理。