蓝牙的工业应用详解

摘要 工厂里有很多以不同方式互连的设备，有些是非智能化简单数据连接单元(I/O)，更多的是智能化设备(比如智能传感器、单回路控制器和PLC)和监控系统(作为HMI使用，用于数据记录和监控)。这些设备是以各种不同的通信协议和媒介来互连的，其中有些就可以用蓝牙无线技术来代替。本文将讨论如何利用蓝牙连接这些设备，以及该领域对于蓝牙技术的一些特殊要求。 本文将蓝牙的工业应用分为四个方面： 1. 代替串行线缆。无线蓝牙连接可以代替当前的串行线缆。 2. 结合蓝牙和互联网技术。利用蓝牙带来的CPU处理能力，给设备添加更多功能，如内置的WEB用户接口。 3. 工业接入点。通过接入点将数个蓝牙设备连接到传统的有线网络中，比如IP网络(如以太网)或者工业现场总线网络(如Controlnet和Profibus等)。 4. 无线传感器和起动器。利用蓝牙来将与物理制程关系最密切的设备(传感器、起动器和简单的模拟/数字IO设备)连接到监控系统。 代替串行线缆 目前很多工业设备都使用传统的串行接口(如RS232, RS422或RS485)来连接配置工具或编程工具。这些工具专门在设备需要重新配置或编程时与之连接，通常都在标准电脑上操作，并一般使用某种独立的方法或设备专用通信协议来和设备进行连接。这些因素都使该领域成为蓝牙一个很好的用武之地。图1就展示了一个利用串行线缆来连接PLC的PC式编程工具。 图1 用蓝牙代替串行线缆有两种方法：一种是使用与工业设备外置串行端口相连的外置蓝牙适配器，另一种是使用与设备电子部分内部相连的内置蓝牙适配器。蓝牙适配器可以模拟串行端口，并使用RFCOMM协议在空中传输数据(支持Serial Port Profile)。电脑可使用PC卡或者其它附加设备来支持蓝牙。蓝牙在电脑中的应用使蓝牙Serial Port Profile可以行使一个类似于COMMport的角色，使原有的电脑配置和编程工具可以继续使用。 蓝牙还可以在支持内置TCP/IP的设备和WEB服务器的更先进工业设备领域代替串行线缆。此时，蓝牙适配器对LAP(Lan Access Profile)的支持可以达到RFCOMM的水平，而其它的软件堆栈则被包括在工业设备中(PPP, IP和WEB服务器)。这使得支持LAP(Lan Access Profile)的外部HMI设备(如笔记本电脑或PDA)可以接入设备内置的WEB式用户接口，而不需要安装专门的应用软件。 图2展示了蓝牙适配器代替串行线缆的基本结构。 图2 蓝牙和互联网技术的结合 假设有一个带内置控制系统的阀门，不断将动态状态和控制变量信息通过标准的Modbus协议传输到电脑(如图3)。 图3 将一个蓝牙适配器添加到该设备上(外置或内置)。蓝牙适配器通过Modbus协议和阀门通信。WEB/WAP页面由内置WEB/WAP服务器提供，并借助Modbus协议来编写，用于显示和修改动态数据。蓝牙可以利用LAP(Lan Access Profile)来获取WEB/WAP页面，从而对设备进行配置、维修和监控。 这一概念的结构图如图4所示： 图4 从图中可以看出，除了Modbus，蓝牙适配器还可以使用其它工业协议和设备控制系统通信。可以使用Wap over Bluetooth手机来访问内置的WAP用户接口。WAP over Bluetooth规范固定“路由”功能作为手机功能的一部分。这使得本地WAP页面可以带有一个能连到广域网(WAN)中另一个页面的超链接。WAN可以通过GMS、GPRS或者将来的UMTS技术来访问。该应用的一个典型例子就是借助本地WAP页面来报警。该页面可以连接到WAN页面，而WAN页面包含了如何处理报警所反映的问题的信息，并能不断对与该警报有关的信息进行更新。 工业接入点 在工业环境中使用无线通信将是一个循序渐进的过程。这要求工业设备必须能使用蓝牙功能并和现有的有线网络相连，比如IP网络(如以太网)或者工业现场总线网络(如Controlnet和Profibus等)。 我们以基于以太网的有线网络和蓝牙工业设备之间的连接为例(如图5)。如前文所述一样，此处的工业设备(仍以阀门为例)也采用了嵌入式WEB服务器。 图5 设备的内置WEB接口是通过接入点(AP，如图5中1)来访问的。AP就像一个“电话交换器”，连接到各个阀门。WEB用户对AP进行访问。通过AP中的内置WEB接口，可以显示出所有连接的蓝牙设备。用户选择其中一个设备，并与该设备建立LAP(Lan Access Profile)连接，接着AP就开始行使一个路由器的职能。同时，用户可以通过蓝牙直接访问所有设备基于WEB的HMI(如图5中2)。 第二个例子是上一例子的变体。接入点(AP)此时使用modem、GSM、GPRS或者未来的UMTS技术来行使一个拨号AP的功能(如图6)。 图6 目前的工业现场总线多种多样，有标准的，也有某些厂商专有的。下面的例子展示的是带蓝牙功能的设备(仍以阀门为例)如果利用现场总线接入点(Fieldbus Access Point)来连接到原有的有线网络上(如图7)。 图7 在这里，蓝牙设备通过一个蓝牙专用传输协议将数据传输到接入点(如图7中1)。数据被转化成现场总线所支持的格式，并传输到现场总线网络中一个发出请求指令的设备中。 从图中可以看出(如图7中2)，蓝牙设备还可以同时用作一个带内置WEB式HMI(参考前文内容)的互联网设备和一个与接入点(并进一步和现场总线网络)进行数据收发的数据采集设备。 另一种应用是使接入点内部支持蓝牙Lan Access Profile和内置WEB服务器。这是用来访问来自蓝牙设备的数据和通过WEB式HMI连接现场总线的设备的数据。 图8展示了现场总线接入点(Fieldbus Access Point)的基本结构。 图8 这里的数据传输协议是在蓝牙协议堆栈顶端运行的一个行业专用协议。它可以在L2CAP层或者RFCOMM上呼叫蓝牙堆栈。使用蓝牙的工业设备必须支持这一协议。在这个领域，实现不同制造商设备之间的互用性是众人之期望，也是未来的SIG工业应用工作组和专家组的一个主要任务(请参考本文件中后面关于“SIG工业应用工作组和专家组”的内容)。 无线传感器和起动器 传感器和起动器有不同的种类，有的智能化很高，而有的则是简单设备，仅仅作为流程设备的低端接口。因此，对于无线蓝牙方案的要求也有不同。如果是智能化设备，它可能会具有足够好的本地运行功能，使制造流程能在蓝牙连接断开的情况下以限定的模式运行。要做到这一点，可以将控制算法分为两部分，一部分用于监控，在主系统上执行，另一部分用于任务关键型控制，在传感器或起动器上执行。这个方法也可以在借助蓝牙还无法达到性能要求的情况下使用。快速控制回路和快速数据采集都是在本地执行的，而慢速控制回路则是通过蓝牙来进行，缓冲数据也是利用蓝牙来传输。这就对蓝牙提出了一些要求(比如关于蓝牙节点之间的时间同步，详情请参考“工业应用对蓝牙的要求”部分的内容)。 不同的流程对于蓝牙方案的要求也不同。有些流程对于性能要求不高，可能现在就已经非常适合使用蓝牙来进行实时控制了。 无线传感器和起动器非常适合于移动型工业设备应用领域。安装在移动轴上的振动传感器就是一个很好的例子。这个应用需要一个替换型供电方案(比如使用电池或其它电源)才能支持一个完整的无线方案。支持低功率模式的蓝牙就非常适合这一应用，但在方案开发时必须对应用要求给予特别重视。 图9 第一个例子(图9)中的控制系统(PLC)包含了一些简单I/O设备和两个智能传感器/起动器(此处是单回路控制器)，其中I/O设备是通过标准有线I/O总线连接的。即便蓝牙连接暂时中断，单回路控制器依然能够运行。 图10 第二个例子(图10)中的控制系统的简单I/O设备则是通过蓝牙来连接。这种方案要求格外谨慎，以便确保通信的稳定性。比如，这一方案可以用于实时要求不高的流程中，也就是说，如果暂时的干扰打断了连接，流程允许有中继，或者流程是在接口模式已知的受控环境中运行的。 上面的例子提到了低速和快速控制。connectBlue通过蓝牙连接进行了一次闭合控制回路试验，结果表明循环时间(从控制器到I/O并返回)可以控制在15ms以内。 工业应用对蓝牙的要求 当前的蓝牙技术已经能够用于很多工业应用领域，但工业应用对蓝牙还有一些其它的要求，满足了这些要求，蓝牙在工业中应用的可能性就更大。 蓝牙原本是为计算机、手机和外围设备之间的通信而设计的，也可以用于数据/语音接入点、ad hoc网络和线缆代替等领域。该技术最适合于语音应用、文件传输以及名片和电话号码等信息的传输等。其所传输的信息一般都很短，但信息传输的安全和速度却至关重要。这要求蓝牙技术能够具有更高的服务质量(QoS)，并能抵抗各种外部干扰(例如Radio 2 WG中所提出的“