藍(lán)牙技術(shù)分析及在工控行業(yè)的應(yīng)用

　　1 引言

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)被越來越廣泛地應(yīng)用在現(xiàn)場控制領(lǐng)域。但是，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)一般使用有線介質(zhì)作為傳輸媒介，有線傳輸介質(zhì)使通信設(shè)備的位置相對(duì)固定，一些特殊工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境要求現(xiàn)場設(shè)備具有一定的移動(dòng)性，故有線通信技術(shù)不太適合移動(dòng)設(shè)備的連接。藍(lán)牙技術(shù)(bluetooth)作為一種中短距離無線通信技術(shù)，具有無線性、協(xié)議開放、低能耗、高安全性等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合于連接具有移動(dòng)性的現(xiàn)場設(shè)備，使用藍(lán)牙無線技術(shù)作為線纜代替方案可以實(shí)現(xiàn)一種無線現(xiàn)場總線，并可通過網(wǎng)關(guān)類設(shè)備實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)與有線現(xiàn)場總線系統(tǒng)的互聯(lián)。

　　當(dāng)然，無線技術(shù)尤其是藍(lán)牙技術(shù)作為當(dāng)今世界最具活力的新興技術(shù)之一，具有有線技術(shù)無法或很難取代的優(yōu)勢，并且已經(jīng)大量應(yīng)用于商業(yè)與民用環(huán)境中。但是，如果無線技術(shù)要在工業(yè)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，還需要解決通訊可靠性、成本和低功耗等一系列問題，其中通訊可靠性是藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用的最大障礙。本文也將對(duì)藍(lán)牙技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用可靠性進(jìn)行分析。

　　2 藍(lán)牙技術(shù)簡介

　　藍(lán)牙技術(shù)最初由愛立信創(chuàng)制，后來由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(bluetoothsig)制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。作為一種中短距離無線通信的技術(shù)規(guī)范，它最初的目標(biāo)是取代現(xiàn)有的移動(dòng)設(shè)備或固定電子設(shè)備之間的連接電纜，如掌上電腦、移動(dòng)電話等各種數(shù)字設(shè)備等。

　　在制定藍(lán)牙規(guī)范之初，就建立了全球統(tǒng)一的目標(biāo)，向全球公開發(fā)布，工作頻段為全球統(tǒng)一開放的2.4ghz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(industrial，scientific and medical，ism)頻段。ism頻段的范圍是2.4～2.4835ghz，使用該頻段的設(shè)備無需向各國的無線電資源管理部門申請(qǐng)?jiān)S可證，其中也包括使用藍(lán)牙技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品。

　　不同的藍(lán)牙設(shè)備通訊時(shí)，可以建立臨時(shí)性的對(duì)等連接(ad-hoc connection)，在工業(yè)通訊應(yīng)用中，需要保證通訊的可靠性和穩(wěn)定性，可建立實(shí)時(shí)連接(real-time connection)。根據(jù)藍(lán)牙設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，可分為主設(shè)備(master)與從設(shè)備(slave)。主設(shè)備是組網(wǎng)連接主動(dòng)發(fā)起連接請(qǐng)求的藍(lán)牙設(shè)備，幾個(gè)藍(lán)牙設(shè)備連接成一個(gè)皮網(wǎng)(piconet)時(shí)，其中只有一個(gè)主設(shè)備，其余的均為從設(shè)備。

　　皮網(wǎng)是藍(lán)牙最基本的一種網(wǎng)絡(luò)形式，最簡單的皮網(wǎng)是一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)從設(shè)備組成的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信連接。最多一個(gè)主設(shè)備可以連接7個(gè)從設(shè)備(見圖1)。

　　在工業(yè)控制領(lǐng)域使用無線技術(shù)，通訊距離能否滿足需要也是硬性需求之一。實(shí)際上，通訊距離的遠(yuǎn)近和無線信號(hào)發(fā)射源的發(fā)射功率有關(guān)，藍(lán)牙通訊協(xié)議把藍(lán)牙信號(hào)的發(fā)射功率按照發(fā)射強(qiáng)度分為三個(gè)等級(jí)，分別為class1、class2和class3。通常class1為1mw(0dbm)～100mw (20dbm);class 2：是0.25mw (0dbm)～2.5mw (4dbm)，class3則為≤1mw (0dbm)。通常情況下，class1可達(dá)100米左右，class 2可達(dá)10米左右，class3可達(dá)5米的連接。

　　當(dāng)然，在工業(yè)控制通訊技術(shù)中，如果僅僅依靠藍(lán)牙通訊技術(shù)本身的發(fā)射功率進(jìn)行通訊，其通訊距離是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在這種情況下我們就需要考慮通過加裝天線增大增益來增加通訊距離。增益是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。如果以半波對(duì)稱振子作比較對(duì)象，其增益的單位是db。單個(gè)半波對(duì)稱振子的增益為g=2.15db。4個(gè)半波對(duì)稱振子沿垂線上下排列，構(gòu)成一個(gè)垂直四元陣，其增益約為g=8.15db(見圖2)。

　　3 藍(lán)牙技術(shù)可靠性分析

　　工業(yè)控制和民用控制相比，可靠性和安全性要求也更加嚴(yán)格。藍(lán)牙采用的ism頻段(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))，該頻段向公眾開放，無須特許，而且在全世界范圍內(nèi)有效，因此使用其中的任意頻段都有可能遇到不可預(yù)測的干擾源，所以抗干擾問題就顯得非常重要了。

　　對(duì)于無線通訊技術(shù)，抗干擾可分為兩種方式，一種是抑制干擾源產(chǎn)生干擾，另一種是避開干擾。由于藍(lán)牙技術(shù)工作在2400～2483.5mhz的ism頻段，在80mhz的系統(tǒng)帶寬內(nèi)可通過調(diào)頻技術(shù)避開干擾源，所以藍(lán)牙采用的是避開干擾的方式來解決抗干擾的問題。藍(lán)牙技術(shù)物理層采用1600跳/秒的快速跳頻擴(kuò)頻技術(shù)。該技術(shù)把整個(gè)頻段以1mhz為間隔分為79(23)個(gè)調(diào)頻點(diǎn)(歐州、美國采用79跳系統(tǒng);日本、法國、西班牙采用23跳系統(tǒng))。同時(shí)，如果在一個(gè)頻段上遭到干擾，藍(lán)牙的跳頻頻率調(diào)制方式可以使頻段非常迅速(1600跳/秒)的按偽隨機(jī)序列方式跳到?jīng)]有干擾的另一個(gè)頻段上繼續(xù)工作。即使在某一頻段上遇到干擾造成誤碼，信號(hào)也會(huì)跳到另一頻段上重新發(fā)送，從而更加穩(wěn)定。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，發(fā)射機(jī)的跳頻頻道順序和時(shí)間與接收機(jī)相同(見圖3)。

　　由于藍(lán)牙使用擴(kuò)頻的方式，所傳輸?shù)男盘?hào)可以工作在一個(gè)1mhz的較寬頻帶上。這樣，傳統(tǒng)的窄帶干擾信號(hào)對(duì)其影響很小。擴(kuò)頻技術(shù)主要應(yīng)用于中短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信上，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息所需的最小帶寬。

　　下面用香農(nóng)公式來解釋采用寬頻技術(shù)的原因：

　　香農(nóng)(claude elwood shannon)在信息論中指出，如果信源的信息速率r小于或者等于信道容量c，那么，在理論上存在一種方法可使信源的輸出能夠以任意小的差錯(cuò)概率通過信道傳輸。該定理還指出：如果信息速率r》信道容量c，則不可能傳遞信息。香農(nóng)提出并嚴(yán)格證明了“在被高斯白噪聲干擾的信道中，計(jì)算最大信息傳送速率c公式”，即著名的香農(nóng)公式：

　　信道容量與信道帶寬成正比，同時(shí)還取決于系統(tǒng)信噪比以及編碼技術(shù)種類等，這表明信道帶寬較寬的系統(tǒng)可以表現(xiàn)出較好的抗干擾性。所以，當(dāng)信噪比太小，不能保證通訊質(zhì)量時(shí)，可采用寬頻系統(tǒng)來保證可靠通訊。

　　同時(shí)，藍(lán)牙技術(shù)還具有自適應(yīng)跳頻(afh)技術(shù)，受到干擾的信道會(huì)自動(dòng)從自適應(yīng)跳頻序列中取消，其原理是用干擾小的信道頻帶去代替受干擾嚴(yán)重的信道頻段，然后反饋信道，把新的跳頻圖樣發(fā)給發(fā)送端，從而保證了藍(lán)牙傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性(見圖4)。

　　在實(shí)際應(yīng)用時(shí)我們還需要關(guān)注現(xiàn)場環(huán)境及遮擋物對(duì)通訊距離的影響。一般情況下，藍(lán)牙產(chǎn)品所標(biāo)稱的通訊距離可，并非僅表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)“直線可見”的距離，而是在一定半徑范圍的區(qū)域內(nèi)沒有遮擋物的情況下。如果有遮擋物就會(huì)造成信號(hào)衰減。換句話說，收發(fā)天線之間電波傳播所經(jīng)歷的空間，存在著對(duì)電波傳播起主要作用的空間區(qū)域，這個(gè)空間區(qū)域并非只占用收發(fā)天線之間的直線區(qū)域，而是占用一個(gè)較大的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域是以收發(fā)天線為焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)橢球面所包含的空間，我們稱之為傳播主區(qū)，又叫做“菲涅爾區(qū)”。

　　若t點(diǎn)為藍(lán)牙主站天線，r點(diǎn)為藍(lán)牙從站天線，以t點(diǎn)和r點(diǎn)為焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)橢球面所包含的空間區(qū)域就稱為菲涅耳區(qū)。若在tr兩點(diǎn)之間插入一個(gè)無限大的平面s，并讓平面s垂直于tr連線，平面s將與菲涅爾橢球相交成一個(gè)圓，圓的半徑稱為菲涅爾半徑。若菲涅爾半徑不同，菲涅爾區(qū)的大小也不同，菲涅爾區(qū)有無數(shù)多個(gè)，分為最小菲涅爾區(qū)、第一菲涅爾區(qū)、第二菲涅爾區(qū)等(見圖5)。

　　第一菲涅耳區(qū)不同路徑電磁波到達(dá)接收天線的作用相同，當(dāng)電磁波通過整個(gè)第一菲涅耳區(qū)時(shí)，接收點(diǎn)的信號(hào)是最強(qiáng)的。第一菲涅耳區(qū)的大小可以用菲涅爾半徑表示，第一菲涅耳區(qū)半徑為：

　　式中，λ表示波長，d表示收發(fā)天線之間的距離，d1和d2分別表示發(fā)射天線和接收天線與平面s的距離 。

　　為保證藍(lán)牙無線設(shè)備正常通訊，特別是在工業(yè)現(xiàn)場，藍(lán)牙天線應(yīng)取保它們之間的障礙物盡量不超過第一菲涅耳區(qū)的20%，否則電磁波多徑傳播就會(huì)產(chǎn)生不良的影響，導(dǎo)致通訊質(zhì)量下降。

　　4 藍(lán)牙技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用

　　此處使用wago公司的wago-io-system 750系列產(chǎn)品進(jìn)行說明。該產(chǎn)品為模塊化現(xiàn)場總線io產(chǎn)品，支持多種不同的現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，例如：profibus、profinet、ethetnet、modbus、devicenet、canopen等，可通過更換適配器或控制器使其符合不同的總線協(xié)議要求，并且能夠連接多達(dá)250個(gè)i/o模塊，支持模擬量、數(shù)字量和特殊功能模塊達(dá)400多種。

　　在布線不方便的場所，wago750系列產(chǎn)品可以通過在節(jié)點(diǎn)中加裝藍(lán)牙模塊建立無線通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以完成系統(tǒng)內(nèi)的無線數(shù)據(jù)交換，也可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)或者不同總線間的無線數(shù)據(jù)交換，用戶可以非常輕松地實(shí)現(xiàn)高效的系統(tǒng)擴(kuò)展(見圖6)。

　　該藍(lán)牙模塊750-644為藍(lán)牙2.0+edr版本，發(fā)射器發(fā)射功率可達(dá)到20dbm，符合class1標(biāo)準(zhǔn)。天線增益為2dbi。在空曠條件下，傳輸距離為1000m。數(shù)據(jù)傳輸速率小于30ms。可實(shí)現(xiàn)1主7從的皮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并可通過在節(jié)點(diǎn)內(nèi)加裝多個(gè)藍(lán)牙模塊，構(gòu)成多個(gè)皮網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)更多節(jié)點(diǎn)間的無線數(shù)據(jù)通訊(見圖7)。

　　使用藍(lán)牙模塊，需采用配置軟件wago-i/o-check對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行配置，配置內(nèi)容包括：藍(lán)牙模塊設(shè)備角色配置(主站/從站)，通訊模式配置(實(shí)時(shí)連接/對(duì)等連接)、通訊過程映像區(qū)大小配置、藍(lán)牙配對(duì)等。配對(duì)成功后可通過藍(lán)牙模塊上的led指示燈檢查配對(duì)是否成功，以及信號(hào)強(qiáng)弱狀態(tài)。配置后即可實(shí)現(xiàn)不同站點(diǎn)間的無線通訊。

　　5 結(jié)束語

　　藍(lán)牙應(yīng)用方案可實(shí)現(xiàn)在1000米半徑的區(qū)域內(nèi)對(duì)需要通訊的控制器進(jìn)行無線互聯(lián)，并將無線藍(lán)牙信號(hào)接入各種工業(yè)現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)。藍(lán)牙方案可以解決目前很多通過有線通訊難以解決的問題。例如，在食品加工設(shè)備上，可通過無線通訊代替現(xiàn)場總線通訊的線纜和線槽，這樣可以大大提高生產(chǎn)環(huán)境及生產(chǎn)設(shè)備的衛(wèi)生質(zhì)量，避免線槽中藏污納垢。在旋轉(zhuǎn)設(shè)備上，通過此藍(lán)牙無線方案可以代替現(xiàn)場總線滑環(huán)方式，提高了設(shè)備的便捷性，并且易于安裝，降低了設(shè)備費(fèi)用。在一些物流車間的移動(dòng)設(shè)備上，通訊線纜、拖拽線的布置非常復(fù)雜，也可以使用該藍(lán)牙無線方案。除此之外，在某些需要越過障礙物通訊時(shí)，在設(shè)備位置需要經(jīng)常調(diào)整的場合，一些不方便布線的地方都可以應(yīng)用該藍(lán)牙方案。總之，采用wago藍(lán)牙無線解決方案可以實(shí)現(xiàn)降低安裝成本、節(jié)省安裝調(diào)試時(shí)間、提供工廠安全水平、幫助提高運(yùn)營效率。