蓝牙工业现场总线应用模型

　　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2.4GHzISM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。

图1蓝牙协议体系结构

　　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