1 引言

　　隨著網絡技術的不斷發展，現場總線技術被越來越廣泛地應用在現場控制領域。但是，現場總線網絡一般使用有線介質作為傳輸媒介，有線傳輸介質使通信設備的位置相對固定，一些特殊工業現場環境要求現場設備具有一定的移動性，故有線通信技術不太適合移動設備的連接。藍牙技術(bluetooth)作為一種中短距離無線通信技術，具有無線性、協議開放、低能耗、高安全性等優點，所以非常適合于連接具有移動性的現場設備，使用藍牙無線技術作為線纜代替方案可以實現一種無線現場總線，并可通過網關類設備實現無線網絡與有線現場總線系統的互聯。

　　當然，無線技術尤其是藍牙技術作為當今世界最具活力的新興技術之一，具有有線技術無法或很難取代的優勢，并且已經大量應用于商業與民用環境中。但是，如果無線技術要在工業領域得到更廣泛的應用，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牙技術應用的最大障礙。本文也將對藍牙技術在工業現場應用可靠性進行分析。

　　2 藍牙技術簡介

　　藍牙技術最初由愛立信創制，后來由藍牙技術聯盟(bluetoothsig)制定技術標準。作為一種中短距離無線通信的技術規范，它最初的目標是取代現有的移動設備或固定電子設備之間的連接電纜，如掌上電腦、移動電話等各種數字設備等。

　　在制定藍牙規范之初，就建立了全球統一的目標，向全球公開發布，工作頻段為全球統一開放的2.4ghz工業、科學和醫學(industrial，scientific and medical，ism)頻段。ism頻段的范圍是2.4～2.4835ghz，使用該頻段的設備無需向各國的無線電資源管理部門申請許可證，其中也包括使用藍牙技術的工業產品。

　　不同的藍牙設備通訊時，可以建立臨時性的對等連接(ad-hoc connection)，在工業通訊應用中，需要保證通訊的可靠性和穩定性，可建立實時連接(real-time connection)。根據藍牙設備在網絡中的角色，可分為主設備(master)與從設備(slave)。主設備是組網連接主動發起連接請求的藍牙設備，幾個藍牙設備連接成一個皮網(piconet)時，其中只有一個主設備，其余的均為從設備。

　　皮網是藍牙最基本的一種網絡形式，最簡單的皮網是一個主設備和一個從設備組成的點對點的通信連接。最多一個主設備可以連接7個從設備(見圖1)。

　　在工業控制領域使用無線技術，通訊距離能否滿足需要也是硬性需求之一。實際上，通訊距離的遠近和無線信號發射源的發射功率有關，藍牙通訊協議把藍牙信號的發射功率按照發射強度分為三個等級，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100米左右，class 2可達10米左右，class3可達5米的連接。

　　當然，在工業控制通訊技術中，如果僅僅依靠藍牙通訊技術本身的發射功率進行通訊，其通訊距離是遠遠不夠的，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，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個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源相比，把輸入功率放大的倍數。如果以半波對稱振子作比較對象，其增益的單位是db。單個半波對稱振子的增益為g=2.15db。4個半波對稱振子沿垂線上下排列，構成一個垂直四元陣，其增益約為g=8.15db(見圖2)。

　　3 藍牙技術可靠性分析

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

　　對于無線通訊技術，抗干擾可分為兩種方式，一種是抑制干擾源產生干擾，另一種是避開干擾。由于藍牙技術工作在2400～2483.5mhz的ism頻段，在80mhz的系統帶寬內可通過調頻技術避開干擾源，所以藍牙采用的是避開干擾的方式來解決抗干擾的問題。藍牙技術物理層采用1600跳/秒的快速跳頻擴頻技術。該技術把整個頻段以1mhz為間隔分為79(23)個調頻點(歐州、美國采用79跳系統;日本、法國、西班牙采用23跳系統)。同時，如果在一個頻段上遭到干擾，藍牙的跳頻頻率調制方式可以使頻段非常迅速(1600跳/秒)的按偽隨機序列方式跳到沒有干擾的另一個頻段上繼續工作。即使在某一頻段上遇到干擾造成誤碼，信號也會跳到另一頻段上重新發送，從而更加穩定。在數據傳輸時，發射機的跳頻頻道順序和時間與接收機相同(見圖3)。

　　由于藍牙使用擴頻的方式，所傳輸的信號可以工作在一個1mhz的較寬頻帶上。這樣，傳統的窄帶干擾信號對其影響很小。擴頻技術主要應用于中短距離點對點和點對多點的通信上，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息所需的最小帶寬。

　　下面用香農公式來解釋采用寬頻技術的原因：

　　香農(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。香農提出并嚴格證明了“在被高斯白噪聲干擾的信道中，計算最大信息傳送速率c公式”，即著名的香農公式：

　　信道容量與信道帶寬成正比，同時還取決于系統信噪比以及編碼技術種類等，這表明信道帶寬較寬的系統可以表現出較好的抗干擾性。所以，當信噪比太小，不能保證通訊質量時，可采用寬頻系統來保證可靠通訊。

　　同時，藍牙技術還具有自適應跳頻(afh)技術，受到干擾的信道會自動從自適應跳頻序列中取消，其原理是用干擾小的信道頻帶去代替受干擾嚴重的信道頻段，然后反饋信道，把新的跳頻圖樣發給發送端，從而保證了藍牙傳輸的可靠性和穩定性(見圖4)。

　　在實際應用時我們還需要關注現場環境及遮擋物對通訊距離的影響。一般情況下，藍牙產品所標稱的通訊距離可，并非僅表示兩個節點“直線可見”的距離，而是在一定半徑范圍的區域內沒有遮擋物的情況下。如果有遮擋物就會造成信號衰減。換句話說，收發天線之間電波傳播所經歷的空間，存在著對電波傳播起主要作用的空間區域，這個空間區域并非只占用收發天線之間的直線區域，而是占用一個較大的區域，這個區域是以收發天線為焦點旋轉橢球面所包含的空間，我們稱之為傳播主區，又叫做“菲涅爾區”。

　　若t點為藍牙主站天線，r點為藍牙從站天線，以t點和r點為焦點的旋轉橢球面所包含的空間區域就稱為菲涅耳區。若在tr兩點之間插入一個無限大的平面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圓，圓的半徑稱為菲涅爾半徑。若菲涅爾半徑不同，菲涅爾區的大小也不同，菲涅爾區有無數多個，分為最小菲涅爾區、第一菲涅爾區、第二菲涅爾區等(見圖5)。

　　第一菲涅耳區不同路徑電磁波到達接收天線的作用相同，當電磁波通過整個第一菲涅耳區時，接收點的信號是最強的。第一菲涅耳區的大小可以用菲涅爾半徑表示，第一菲涅耳區半徑為：

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

　　為保證藍牙無線設備正常通訊，特別是在工業現場，藍牙天線應取保它們之間的障礙物盡量不超過第一菲涅耳區的20%，否則電磁波多徑傳播就會產生不良的影響，導致通訊質量下降。

　　4 藍牙技術在工業現場應用

　　此處使用wago公司的wago-io-system 750系列產品進行說明。該產品為模塊化現場總線io產品，支持多種不同的現場總線及工業以太網協議，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議要求，并且能夠連接多達250個i/o模塊，支持模擬量、數字量和特殊功能模塊達400多種。

　　在布線不方便的場所，wago750系列產品可以通過在節點中加裝藍牙模塊建立無線通訊網絡結構，以完成系統內的無線數據交換，也可以實現多個系統或者不同總線間的無線數據交換，用戶可以非常輕松地實現高效的系統擴展(見圖6)。

　　該藍牙模塊750-644為藍牙2.0+edr版本，發射器發射功率可達到20dbm，符合class1標準。天線增益為2dbi。在空曠條件下，傳輸距離為1000m。數據傳輸速率小于30ms。可實現1主7從的皮網結構，并可通過在節點內加裝多個藍牙模塊，構成多個皮網，以實現更多節點間的無線數據通訊(見圖7)。

　　使用藍牙模塊，需采用配置軟件wago-i/o-check對藍牙模塊進行配置，配置內容包括：藍牙模塊設備角色配置(主站/從站)，通訊模式配置(實時連接/對等連接)、通訊過程映像區大小配置、藍牙配對等。配對成功后可通過藍牙模塊上的led指示燈檢查配對是否成功，以及信號強弱狀態。配置后即可實現不同站點間的無線通訊。

　　5 結束語

　　藍牙應用方案可實現在1000米半徑的區域內對需要通訊的控制器進行無線互聯，并將無線藍牙信號接入各種工業現場總線及工業以太網。藍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，在食品加工設備上，可通過無線通訊代替現場總線通訊的線纜和線槽，這樣可以大大提高生產環境及生產設備的衛生質量，避免線槽中藏污納垢。在旋轉設備上，通過此藍牙無線方案可以代替現場總線滑環方式，提高了設備的便捷性，并且易于安裝，降低了設備費用。在一些物流車間的移動設備上，通訊線纜、拖拽線的布置非常復雜，也可以使用該藍牙無線方案。除此之外，在某些需要越過障礙物通訊時，在設備位置需要經常調整的場合，一些不方便布線的地方都可以應用該藍牙方案。總之，采用wago藍牙無線解決方案可以實現降低安裝成本、節省安裝調試時間、提供工廠安全水平、幫助提高運營效率。