藍牙傳感器網絡與ＨＳＥ互連的研究

摘 要：針對有線工業HSE現場總線網絡中存在的問題，提出了一種基于無線藍牙技術的傳感器網絡解決方案。為了保證藍牙傳感器網絡與HSE網絡的互操作，介紹了通過藍牙網關實現兩者互連的方法。

關鍵詞：現場總線；HSE；藍牙；藍牙傳感器網絡；藍牙網關

中圖法分類號：TP393.13文獻標識碼：A

文章編號：1001—3695(2007)02—0310—03

隨著工業企業生產規模的擴大和自動化程度的提高，現場總線網絡系統在大中型工業企業的自動生產控制中得到了廣泛應用。大部分現場總線均使用有線傳輸技術作為其底層通信方式，而在一些特殊工業現場環境中，現場設備需要具有一定的移動性，有線介質的使用限制了設備的移動。為了解決設備的移動問題可以選擇使用紅外線、802.11x、藍牙等線纜替代技術來替代有線介質作為底層通信介質。

使用無線技術連接的現場無線網絡雖然提高了網絡的靈活性，但卻造成遺留有線現場總線和無線現場網絡形成網絡“孤島”。為了實現兩種網絡的信息共享，需要在兩者的邊界使用互聯網關設備實現兩者的互操作。

本文通過對有線現場總線網絡HSE（High Speed Ethernet）的結構及其缺點的分析，結合藍牙技術的特點，提出一種在HSE現場總線中使用藍牙技術構成無線傳感器網絡的解決方案，并實現了該方案的藍牙網關。

1 HSE現場總線的結構和問題

HSE現場總線是一種基于傳統以太網技術的FF（Foundation Fieldbus）現場總線系統，它主要適用于過程控制領域。HSE基金會現場總線技術因具有協議開放、全數字化通信、分布式控制和可互操作等優點，在自動化領域得到了廣泛支持并具有良好的發展前景。

HSE現場總線協議采用ISO/OSI模型中的五層，即物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層；并且針對工業現場控制的特點，HSE在應用層上定義了針對自動化業務邏輯的用戶層。HSE的體系結構及其與OSI各層的對照關系如圖1所示。

其中，物理層使用傳統的雙絞線、同軸電纜和光纖等有線介質，但標準中規定可以使用其他無線介質，傳統現場總線的物理拓撲結構為總線型，而HSE使用星型連接，中心連接設備一般為交換機。根據實現功能的不同，HSE網絡可以連接通用主機設備、以太網現場設備、用于連接H1網絡的LD連接設備、用于連接其他網絡的網關設備。數據鏈路層采用傳統以太網協議，可以方便實現與其他FF現場總線 (H1/H2)以及企業管理信息網絡的互連，為了保證系統的可靠性，HSE網絡允許在系統中存在通信設備和線路的冗余；網絡層和傳輸層使用標準TCP/IP協議；應用層由現場總線訪問子層FAS和現場總線信息規范子層FMS兩個子層構成，應用層使用數據鏈路層提供的服務，描述了用戶應用所需要的通信服務、信息格式和行為狀態等。

用戶層規定了標準功能塊、對象字典、設備描述、網絡管理和系統管理功能，用戶層實體中運行的功能塊應用進程用于完成FF現場總線中的自動化系統功能，多個現場設備的功能塊應用進程集合構成了HSE的邏輯功能系統。

HSE現場總線的物理層傳輸介質一般為有線介質，有線介質具有良好的適應性，可以適應大部分的工業現場環境。但是，在特殊的工業現場中，有線介質的布線是很困難的，歸納起來，以下情況不適宜使用有線介質作為傳輸通道：①現場環境具有強腐蝕性，或其他可能對有線介質產生破壞作用的現場環境；②現場環境比較復雜，存在體積比較大的障礙物，有線介質無法穿透這些障礙物或彎曲角度大大超過有線介質的彎曲限度；③現場設備的空間位置需要動態改變，以及設備移動路徑可能產生交叉；④現場設備需要做旋轉動作，使用有線介質可能出現纏繞；⑤現場設備數量需要動態變化。

2 藍牙協議體系結構

藍牙技術是由非營利性組織藍牙SIG標準化的短距離無線射頻通信技術。藍牙無線技術是完全開放的，不同廠家生產的藍牙設備可以保證互操作和兼容性。它使用的射頻信號工作在全球免費的2.4GHz ISM頻段，而且其信號功率可在1mW—100mW之間動態變化，不會對人體和其他設備產生影響。

藍牙協議的體系結構采用分層結構，藍牙協議棧是按最大限度地重用已有通信協議的原則進行設計的，保證了藍牙協議與已有協議的兼容性，簡化了遺留系統的移植。藍牙協議的體系結構分為四層，如圖2所示。

(1) 核心協議：基帶（Baseband）、鏈路管理協議（LMP）、邏輯鏈路控制和適配協議（L2CAP）、服務發現協議（SDP）；

(2) 電纜替代協議：串行電路仿真協議（RFCOMM）；

(3) 電話控制協議：二元電話控制規范（TCS Binary）和AT-命令（AT-command）；

(4) 選用協議：點到點協議（PPP）、UDP/TCP/IP、對象交換協議（OBEX）及無線應用協議（WAP）。

藍牙射頻與藍牙基帶提供了無線傳輸介質和物理鏈路，L2CAP層則為上層提供無鏈接的分組服務。為簡化遺留系統的移植，在L2CAP層上定義了串口仿真協議RFCOMM。多個共享信道的藍牙設備構成藍牙微網。微網中發起通信的設備為主設備，其他設備為從設備，同一微網中只有一個主設備和最多七個從設備。藍牙微網中主從設備之間采用C/S模式工作，藍牙客戶機設備在使用藍牙服務器設備提供的服務之前，必須使用服務發現協議SDP從藍牙服務器上獲得服務信息。

3 藍牙傳感器網絡解決方案

通過前述分析，HSE現場總線的問題主要集中于：HSE物理層傳輸介質為有線介質，有線介質的使用要求現場總線的部署必須進行布線。而前述的一些特殊應用情況是不適宜進行布線的，可以使用無線介質替代電纜解決布線所帶來的問題。常用的無線介質主要有紅外線、802.11x和藍牙等。其中紅外線的傳輸距離過短，最大傳輸距離為10m，而且通信雙方要直線可視，不能實現廣播通信；802.11x無線以太網的最大傳輸距離可以達到100m，但功耗過大，不適合小型移動便攜設備，而且其較強的電磁干擾可能對無屏蔽電子設備的工作造成影響；藍牙技術為射頻技術，不需要通信雙方直線可視，其最大傳輸距離可以達到100m，最大功率只有100mW，而且根據設備工作狀態的變化，其工作功率還可自動動態調整，在功耗方面遠低于802.11x，特別適合使用在對功耗要求嚴格的小型設備上，其信號也不會對其他設備產生大的干擾。所以藍牙技術是一種比較理想的中短距離電纜替代技術。

由此提出一種藍牙傳感器網絡解決方案，該方案可以分為三部分，即現場藍牙傳感器網絡、藍牙網關和HSE網絡。現場設備是配置了藍牙模塊的傳感器，稱為藍牙傳感器。藍牙傳感器之間通過藍牙射頻通信，構成藍牙傳感器網絡。藍牙傳感器網絡的覆蓋范圍和連接的設備數量有限，而且為了保證已有HSE網絡能夠繼續使用，在藍牙現場傳感器網絡與HSE現場總線的邊界設置互連設備，實現兩者的透明連接。該互連設備稱為藍牙網關。HSE現場總線通信覆蓋范圍相對較大，可以充當整個現場總線的主干網絡，與藍牙傳感器網絡構成分級網絡。藍牙傳感器網絡解決方案的系統結構如圖3所示。

藍牙傳感器網絡方案的主要物理組成部分及其功能：

(1) 藍牙傳感器作為現場設備，它由通用傳感器模塊和藍牙模塊組成。通用傳感器負責對工業現場設備的運行狀態數據采集，藍牙模塊通過藍牙空中接口實現藍牙傳感器之間、藍牙傳感器與藍牙網關之間的數據和控制信息交換。藍牙傳感器在藍牙微網中充當Slave從設備，藍牙傳感器可以在藍牙網絡中實現即插即用。

(2) 藍牙網關應用運行在配置有藍牙模塊的網關硬件上。藍牙網關硬件可以是微型計算機或其他計算設備，網關的底層藍牙模塊負責在空中接口中實現與藍牙傳感器的數據和控制信息交換，保證HSE網絡對藍牙傳感器的透明性；藍牙網關應用設備本地同時運行HSE協議棧和功能塊應用，藍牙網關應用對從藍牙模塊接收到的數據進行處理，然后將經過格式化、轉換等處理的數據發送給HSE功能塊，由功能塊和HSE協議棧將數據發送至HSE網絡。網關應用還負責接收HSE網絡的控制信息，并且將控制信息轉換為藍牙傳感器可以識別的信息格式，保證藍牙網絡對HSE網絡的透明性。藍牙網關應用設備在藍牙微網中充當Master主設備。

(3) HSE組態軟件(HSE Configurator)可以運行在任意接入HSE現場總線的計算機上。組態軟件在系統啟動之前對總線上的自控設備、網絡節點（包括藍牙網關）進行配置，定義其在總線功能系統中的角色，設置其運行參數，使總線上的各設備協調工作完成過程控制任務。

4 藍牙網關的實現

藍牙網關是藍牙傳感器網絡與HSE現場總線互連的關鍵部分。本部分介紹藍牙網關的實現。在該實現中，藍牙網關硬件與藍牙傳感器均使用CSR公司的BlueCore 01單芯片藍牙模塊作為底層藍牙通信硬件，藍牙傳感器的傳感器模塊為I2C AD7416溫度傳感器芯片，藍牙網關硬件平臺為集成有藍牙通信模塊和以太網通信模塊的通用PC機或專用工控機，HSE現場總線的軟硬件使用中國科學院沈陽自動化研究所開發的相關產品。藍牙傳感器軟件使用CSR CASIRA集成工具開發，藍牙網關軟件使用Widcomm BTW DK藍牙協議軟件工具開發。

藍牙網關使用的藍牙協議層次主要包括LMP，L2CAP，RFCOMM和SDP。其軟件工作層次如圖4所示。

在軟件結構上，藍牙網關與藍牙傳感器之間采用C/S工作模式，藍牙傳感器充當現場數據采集服務器，藍牙網關充當客戶機，采集數據的格式化和轉換由藍牙網關來實現；在硬件結構上，藍牙網關與藍牙傳感器采用藍牙微網的主從結構，其中藍牙傳感器為從設備，藍牙網關為主設備，則一個藍牙網關同時可最多與七個現場藍牙傳感器進行數據交換和調度。

藍牙規范中定義了不同的藍牙設備分類，不同的藍牙設備通過設備標志類區分。其格式如圖5所示。

標準藍牙設備分類中沒有定義藍牙傳感器的分類，則按照藍牙規范自定義藍牙傳感器的設備標志類為

（1）服務類：Class of Service=00001000000表示藍牙采集服務；

（2）主設備類：Major Device Class=10111表示自定義主設備類為傳感器設備；

（3）次設備類：Minor Device Class＝000001表示自定義次設備類為溫度傳感器，其他傳感器分類為000000表示未分配，000010表示壓力傳感器，依次類推；

（4）格式類型：Format Type=00表示未分類。

為了實現與HSE現場總線的互連，藍牙網關軟件與HSE協議棧及功能塊應用工作在同一網關硬件設備上，但兩者工作在不同軟件進程空間。為了實現兩者的數據和控制信息交換，藍牙網關軟件使用Win32平臺上數據交換速度最快的共享內存方式實現。藍牙網關與現場藍牙傳感器的協同工作過程主要包括以下七個過程：

(1) 程序啟動。藍牙網關應用軟件啟動、生成程序用戶圖形接口、進行程序初始化。

(2) 設備發現。對現場藍牙微網中的藍牙設備(藍牙傳感器和一般藍牙設備)進行查詢，并且啟動與HSE功能塊的通信線程。

(3) 設備選擇。用戶對發現的現場藍牙傳感器進行選擇，網關應用向HSE功能塊添加設備信息。

(4) 服務發現。藍牙網關對每個監控的藍牙傳感器的數據采集服務進行服務發現，獲得服務參數。

(5) 設備匹配。藍牙網關與被監控的藍牙傳感器進行設備匹配。

(6) 建立物理與邏輯連接。藍牙網關與每個被監控的藍牙傳感器建立無線空中接口連接及獨立的RFCOMM會話。

(7) 數據傳送。藍牙傳感器根據網關對數據采集服務的參數設置進行數據采集，并向網關應用發送數據，藍牙網關應用進程動態獲得HSE功能塊的數據請求消息，并將采集的現場傳感器數據發送給HSE功能塊。

5 結束語

藍牙傳感器網絡解決方案是藍牙技術在工業現場應用的一次有益嘗試，具有一定的創新性。鑒于藍牙技術的諸多優點，該方案具有很大的可行性，并且可以降低現場總線的整體建設成本，擴大現場總線的適用范圍。但是，文中提及的藍牙網關實現還有尚待完善的地方，如不能很好地適應實時環境等。在后續的研究中將實現藍牙網關系統向實時嵌入式平臺的移植。

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