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 2.4GHz ISM 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。
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。
针对现场总线,可以在现场传感器或智能变送器设备底层集成蓝牙模块,实现不同的现场设备之间通过蓝牙射频通信,还可以通过网关设备实现遗留有线现场总线与蓝牙无线现场总线的透明连接,进而提出一种蓝牙现场总线应用模型。在该应用模型中,现场设备是配置了蓝牙模块的传感器,称其为蓝牙传感器;为了实现蓝牙网络与遗留有线现场总线的互联,在蓝牙现场传感器网络与有线现场总线网络的边界设置网关设备实现二者的互联。假设连接的有线现场总线产品为 FF HSE(High Speed Ethernet)。整个蓝牙工业现场总线应用模型可以分为三部分:蓝牙现场传感器、蓝牙网关和 HSE 网络,系统物理结构如图 2 所示。