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(jiǎn)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(lái)互連的，其中有些就可以用藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)來(lái)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(wú)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(lái)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(guò)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(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)(如Controlnet和Profibus等)。 4. 無(wú)線傳感器和起動(dòng)器。利用藍(lán)牙來(lái)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(jiǎn)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(lái)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(lái)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(lái)連接PLC的PC式編程工具。 圖1 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(lái)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(duì)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)。 圖2 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(guò)標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議傳輸?shù)诫娔X(如圖3)。 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(guò)Modbus協(xié)議和閥門通信。WEB/WAP頁(yè)面由內(nèi)置WEB/WAP服務(wù)器提供，并借助Modbus協(xié)議來(lái)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(lái)獲取WEB/WAP頁(yè)面，從而對(duì)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： 圖4 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(lái)訪問(wèn)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(yè)面可以帶有一個(gè)能連到廣域網(wǎng)(WAN)中另一個(gè)頁(yè)面的超鏈接。WAN可以通過(guò)GMS、GPRS或者將來(lái)的UMTS技術(shù)來(lái)訪問(wèn)。該應(yīng)用的一個(gè)典型例子就是借助本地WAP頁(yè)面來(lái)報(bào)警。該頁(yè)面可以連接到WAN頁(yè)面，而WAN頁(yè)面包含了如何處理報(bào)警所反映的問(wèn)題的信息，并能不斷對(duì)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(wú)線通信將是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)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(chǎng)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。 圖5 設(shè)備的內(nèi)置WEB接口是通過(guò)接入點(diǎn)(AP，如圖5中1)來(lái)訪問(wèn)的。AP就像一個(gè)“電話交換器”，連接到各個(gè)閥門。WEB用戶對(duì)AP進(jìn)行訪問(wèn)。通過(guò)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(kāi)始行使一個(gè)路由器的職能。同時(shí)，用戶可以通過(guò)藍(lán)牙直接訪問(wèn)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(lái)的UMTS技術(shù)來(lái)行使一個(gè)撥號(hào)AP的功能(如圖6)。 圖6 目前的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線接入點(diǎn)(Fieldbus Access Point)來(lái)連接到原有的有線網(wǎng)絡(luò)上(如圖7)。 圖7 在這里，藍(lán)牙設(shè)備通過(guò)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(chǎng)總線所支持的格式，并傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)發(fā)出請(qǐng)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(chǎng)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(lái)訪問(wèn)來(lái)自藍(lán)牙設(shè)備的數(shù)據(jù)和通過(guò)WEB式HMI連接現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備的數(shù)據(jù)。 圖8展示了現(xiàn)場(chǎng)總線接入點(diǎn)(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(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(lái)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(qǐng)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(wú)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(jiǎn)單設(shè)備，僅僅作為流程設(shè)備的低端接口。因此，對(duì)于無(wú)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(kāi)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(wú)法達(dá)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(guò)藍(lán)牙來(lái)進(jìn)行，緩沖數(shù)據(jù)也是利用藍(lán)牙來(lái)傳輸。這就對(duì)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(qǐng)參考“工業(yè)應(yīng)用對(duì)藍(lán)牙的要求”部分的內(nèi)容)。 不同的流程對(duì)于藍(lán)牙方案的要求也不同。有些流程對(duì)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(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制了。 無(wú)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(wú)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(kāi)發(fā)時(shí)必須對(duì)應(yīng)用要求給予特別重視。 圖9 第一個(gè)例子(圖9)中的控制系統(tǒng)(PLC)包含了一些簡(jiǎn)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(guò)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。 圖10 第二個(gè)例子(圖10)中的控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單I/O設(shè)備則是通過(guò)藍(lán)牙來(lái)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(shuō)，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(guò)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(duì)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(duì)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(yǔ)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(yǔ)音應(yīng)用、文件傳輸以及名片和電話號(hào)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(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“