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蓝牙无线技术协议及体系结构解析

MEMS/传感技术

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描述

传统现场总线网络一般使用有线介质作为传输介质,有线传输介质使通信设备的位置相对固定,一些特殊工业现场环境要求现场设备具有一定的移动性,则有线通信技术不适用于移动设备的连接。

蓝牙技术(Bluetooth)作为一种中短距离无线通信技术,具有无线性、协议开放、低能耗、高安全性等优点,所以它特别适合于连接具有移动性的现场设备设备,通过使用蓝牙无线技术作为电缆替代方案可以实现一种无线现场总线,并可通过网关设备实现无线网络与有线遗留系统的互联。

该文通过对传统有线现场总线网络的结构及其缺点的分析,结合蓝牙技术的特点,提出一种在现场总线中使用蓝牙技术替代有线传输介质的应用模型及基于该模型实现的原型系统。

1、 现场总线网络系统的结构及存在的问题

现场总线网络是一种自动化控制网络系统,它可以将专用或通用的微处理器集成到传统的测量控制仪表中,使其具有数字计算和通信能力,使用双绞线等传输介质作为总线,将多个具有一定智能的测量控制仪表连接成网络系统,并按开放、规范的通信协议构成适用于不同环境的自动化控制系统。根据不同的使用环境,常用的现场总线技术有:FF 基金会现场总线、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART 等,其中 FF 基金会现场总线技术因具有协议开放、全数字化通信、分布式控制、可互操作、专门针对过程控制设计等优点,在自动化领域得到了广泛支持并具有良好发展前景,该文的讨论以 FF 现场总线技术作为实例。

FF 现场总线协议采用了 ISO/OSI 模型中的三层:物理层、数据链路层和应用层;针对工业现场控制的特点,FF 现场总线还在应用层之上添加了用户层;FF 物理层规定了现场设备与总线之间的物理连接,常用的传输介质为双绞线等有线介质,但标准中也规定可以使用无线介质。FF 数据链路层为系统管理内核和总线访问子层访问总线介质提供服务。根据应用环境的不同,数据链路层可以使用 H1、H2、HSE 等不同的网络通信协议,该文后面的讨论将以 HSE 作为 FF 现场总线的数据链路层协议。应用层由现场总线访问子层 FAS 和现场总线信息规范子层 FMS 两个子层构成;用户层是在 ISO/OSI 模型七层结构的基础上专门为 FF 添加的层次。用户层中运行的主要是功能块应用进程,功能块应用进程用于完成基金会现场总线中的自动化系统功能。

FF 现场总线的物理层传输介质一般使用有线介质,有线介质具有良好的适应性,可以适应大部分的工业现场环境。但是,在一些特殊的工业环境中,对有线介质的布线是很困难的,归纳起来,以下情况不适宜使用有线介质作为传输通道:

(1) 现场具有强腐蚀性物质或其他可能对有线介质产生破坏作用的现场环境;

(2) 现场环境比较复杂,存在体积比较大的障碍物,有线介质无法穿透这些障碍物或弯曲角度太大超过有线介质的弯曲限度;

(3) 现场设备的空间位置需要动态的改变,以及设备移动路径可能产生交叉;

(4) 现场设备需要做旋转动作,使用有线介质可能出现缠绕;

(5) 现场设备数量需要动态变化。

2、 蓝牙无线技术协议及体系结构

蓝牙技术是由非营利性组织蓝牙 SIG 标准化的短距离无线射频通信技术,蓝牙无线技术是完全开放的,不同厂家生产的蓝牙设备可以保证互操作和兼容性。蓝牙技术使用的射频信号工作在全球免费的 2.4GHz ISM 频段,而且其信号功率可在 1mW 到 100mW 之间动态变化,不会对人体和其他设备产生影响。

蓝牙协议的体系结构采用分层结构,蓝牙协议栈是按最大限度地重用已有通信协议的原则进行设计的,所以保证了蓝牙协议与已有协议的兼容性,简化了遗留系统的移植。蓝牙协议的体系结构分为四层,如图 1 所示。

多个共享信道的蓝牙设备构成蓝牙微网。在微网中发起通信的设备为主设备,其他设备为从设备,同一微网中只有一个主设备和最多 7 个从设备。蓝牙射频与蓝牙基带提供了无线传输介质和物理链路,L2CAP 层则为上层提供无链接的分组服务。为了简化遗留系统的移植,在 L2CAP 层之上添加了串口仿真协议(RFCOMM)。蓝牙微网中主从设备之间采用 C/S 模式工作,蓝牙客户机设备在使用蓝牙服务器设备提供的服务之前,必须使用服务发现协议 SDP 从蓝牙服务器上获得服务信息。

3、 蓝牙工业现场总线应用模型描述

通过前述分析,FF 现场总线的问题主要集中于:FF 物理层的传统传输介质为有线介质,有线介质的使用要求现场总线的部署必须进行布线,而前述的一些特殊应用情况是不适宜进行布线的。针对前述问题,结合蓝牙技术具有中距离全向通信、低功耗、功率可调、低干扰等有点,提出使用蓝牙无线介质替代电缆,从而解决布线所带来的问题。

针对现场总线,可以在现场传感器或智能变送器设备底层集成蓝牙模块,实现不同的现场设备之间通过蓝牙射频通信,还可以通过网关设备实现遗留有线现场总线与蓝牙无线现场总线的透明连接,进而提出一种蓝牙现场总线应用模型。在该应用模型中,现场设备是配置了蓝牙模块的传感器,称其为蓝牙传感器;为了实现蓝牙网络与遗留有线现场总线的互联,在蓝牙现场传感器网络与有线现场总线网络的边界设置网关设备实现二者的互联。假设连接的有线现场总线产品为 FF HSE(High Speed Ethernet)。整个蓝牙工业现场总线应用模型可以分为三部分:蓝牙现场传感器、蓝牙网关和 HSE 网络,系统物理结构如图 2 所示。

各物理部分的组成和功能:

(1) 蓝牙传感器作为现场设备,它由通用传感器模块和蓝牙模块组成。蓝牙传感器在蓝牙微网中充当 slave 从设备;

(2) 蓝牙网关应用运行在配置有蓝牙模块的网关硬件上,网关的底层蓝牙模块负责在空中接口中实现与蓝牙传感器的数据和控制信息交换,保证 HSE 网络对蓝牙传感器的透明性;蓝牙网关应用设备本地同时运行 HSE 协议栈和功能块应用,蓝牙网关应用对从蓝牙模块接收到的数据进行处理,将数据发送给 HSE 功能块,由功能块和 HSE 协议栈将数据发送至 HSE 网络。网关应用还负责接收 HSE 网络的控制信息,并且将控制信息转换为蓝牙传感器可以识别的信息格式,保证蓝牙网络对 HSE 网络的透明性。蓝牙网关应用设备在蓝牙微网中充当 master 主设备。

(3) HSE 组态软件(HSE Configurator)可以运行在任意联入 HSE 现场总线的计算机上,组态软件实现对总线上的自控设备、网络节点(包括蓝牙网关)进行配置,定义其在总线功能系统中的角色,设置其运行参数。

4、 原型应用系统的实现

基于上述蓝牙工业现场总线应用模型的原型应用系统开发主要包括蓝牙传感器和蓝牙网关应用的设计和实现,有线 HSE 现场总线的软硬件使用中科院沈阳自动化研究所开发的相关产品。蓝牙网关设备与蓝牙传感器使用 CSR 公司的 BlueCore 01 单芯片蓝牙模块,蓝牙传感器的传感器模块为 I2C AD7416 温度传感器芯片,蓝牙网关应用运行硬件平台为通用 PC 机;蓝牙传感器软件开发工具为 CSR CASIRA 集成开发工具,Windows 平台蓝牙协议软件开发工具为 Widcomm BTW DK。蓝牙网关应用使用的蓝牙协议层次主要包括 LMP、L2CAP、RFCOMM 和 SDP,其协议软件工作层次如图 3 所示。

在软件结构上,蓝牙传感器与蓝牙网关应用之间采用 C/S 工作模式,蓝牙传感器充当现场数据采集服务器,蓝牙网关应用充当客户机;在硬件结构上,蓝牙网关应用与蓝牙传感器采用蓝牙微网的主从结构,蓝牙传感器为从设备,蓝牙网关为主设备,一个蓝牙网关可同时与最多 7 个现场蓝牙传感器进行数据交换和调度。为了实现与传统有线现场总线 HSE 的互联,蓝牙网关应用与 HSE 协议栈及功能块应用工作在同一网关设备上,但二者工作在不同的进程空间,网关应用使用 Win32 平台上数据交换速度最快的共享内存方式实现二者的数据和控制信息交换。

5、 结束语

蓝牙无线技术多用于民用消费类电子产品,文中提出的蓝牙工业现场总线应用模型是蓝牙技术在工业现场应用的一次有益尝试,具有一定的创新性,鉴于蓝牙技术的诸多优点,这种模型具有很大的可行性,降低了现场总线的整体建设成本,并扩大了现场总线的适用范围。

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