蓝牙技术分析及在工控行业的应用
发布时间：2012-12-04 作者：www.cechina.cn
1 引言
随着网络技术的不断发展，现场总线技术被越来越广泛地应用在现场控制领域。但是，现场总线网络一般使用有线介质作为传输媒介，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，故有线通信技术不太适合移动设备的连接。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，所以非常适合于连接具有移动性的现场设备，使用蓝牙无线技术作为线缆代替方案可以实现一种无线现场总线，并可通过网关类设备实现无线网络与有线现场总线系统的互联。
当然，无线技术尤其是蓝牙技术作为当今世界最具活力的新兴技术之一，具有有线技术无法或很难取代的优势，并且已经大量应用于商业与民用环境中。但是，如果无线技术要在工业领域得到更广泛的应用，还需要解决通讯可靠性、成本和低功耗等一系列问题，其中通讯可靠性是蓝牙技术应用的最大障碍。本文也将对蓝牙技术在工业现场应用可靠性进行分析。
2 蓝牙技术简介
蓝牙技术最初由爱立信创制，后来由蓝牙技术联盟（bluetoothsig）制定技术标准。作为一种中短距离无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的移动设备或固定电子设备之间的连接电缆，如掌上电脑、移动电话等各种数字设备等。
在制定蓝牙规范之初，就建立了全球统一的目标，向全球公开发布，工作频段为全球统一开放的2.4ghz工业、科学和医学（industrial，scientific and medical，ism）频段。ism频段的范围是2.4～2.4835ghz，使用该频段的设备无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证，其中也包括使用蓝牙技术的工业产品。
不同的蓝牙设备通讯时，可以建立临时性的对等连接（ad-hoc connection），在工业通讯应用中，需要保证通讯的可靠性和稳定性，可建立实时连接（real-time connection）。根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主设备（master）与从设备（slave）。主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网（piconet）时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。
皮网是蓝牙最基本的一种网络形式，最简单的皮网是一个主设备和一个从设备组成的点对点的通信连接。最多一个主设备可以连接7个从设备（见图1）。
在工业控制领域使用无线技术，通讯距离能否满足需要也是硬性需求之一。实际上，通讯距离的远近和无线信号发射源的发射功率有关，蓝牙通讯协议把蓝牙信号的发射功率按照发射强度分为三个等级，分别为class1、class2和class3。通常class1为1mw（0dbm）～100mw （20dbm）；class 2：是0.25mw （0dbm）～2.5mw （4dbm），class3则为≤1mw （0dbm）。通常情况下，class1可达100米左右，class 2可达10米左右，class3可达5米的连接。
当然，在工业控制通讯技术中，如果仅仅依靠蓝牙通讯技术本身的发射功率进行通讯，其通讯距离是远远不够的，在这种情况下我们就需要考虑通过加装天线增大增益来增加通讯距离。增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。如果以半波对称振子作比较对象，其增益的单位是db。单个半波对称振子的增益为g=2.15db。4个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为g=8.15db（见图2）。
图二 半波对称振子增益比较
天线可分为栅状抛物线天线、壁挂天线、八木定向天线、板状天线等，对于一般天线可用下式估算其增益：
3 蓝牙技术可靠性分析
工业控制和民用控制相比，可靠性和安全性要求也更加严格。蓝牙采用的ism频段（工业、科学和医学），该频段向公众开放，无须特许，而且在全世界范围内有效，因此使用其中的任意频段都有可能遇到不可预测的干扰源，所以抗干扰问题就显得非常重要了。
对于无线通讯技术，抗干扰可分为两种方式，一种是抑制干扰源产生干扰，另一种是避开干扰。由于蓝牙技术工作在2400～2483.5mhz的ism频段，在80mhz的系统带宽内可通过调频技术避开干扰源，所以蓝牙采用的是避开干扰的方式来解决抗干扰的问题。蓝牙技术物理层采用1600跳/秒的快速跳频扩频技术。该技术把整个频段以1mhz为间隔分为79（23）个调频点（欧州、美国采用79跳系统；日本、法国、西班牙采用23跳系统）。同时，如果在一个频段上遭到干扰，蓝牙的跳频频率调制方式可以使频段非常迅速（1600跳/秒）的按伪随机序列方式跳到没有干扰的另一个频段上继续工作。即使在某一频段上遇到干扰造成误码，信号也会跳到另一频段上重新发送，从而更加稳定。在数据传输时，发射机的跳频频道顺序和时间与接收机相同（见图3）。
由于蓝牙使用扩频的方式，所传输的信号可以工作在一个1mhz的较宽频带上。这样，传统的窄带干扰信号对其影响很小。扩频技术主要应用于中短距离点对点和点对多点的通信上，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息所需的最小带宽。
下面用香农公式来解释采用宽频技术的原因：
香农（claude elwood shannon）在信息论中指出，如果信源的信息速率r小于或者等于信道容量c，那么，在理论上存在一种方法可使信源的输出能够以任意小的差错概率通过信道传输。该定理还指出：如果信息速率r》信道容量c，则不可能传递信息。香农提出并严格证明了“在被高斯白噪声干扰的信道中，计算最大信息传送速率c公式”，即著名的香农公式：
信道容量与信道带宽成正比，同时还取决于系统信噪比以及编码技术种类等，这表明信道带宽较宽的系统可以表现出较好的抗干扰性。所以，当信噪比太小，不能保证通讯质量时，可采用宽频系统来保证可靠通讯。
同时，蓝牙技术还具有自适应跳频（afh）技术，受到干扰的信道会自动从自适应跳频序列中取消，其原理是用干扰小的信道频带去代替受干扰严重的信道频段，然后反馈信道，把新的跳频图样发给发送端，从而保证了蓝牙传输的可靠性和稳定性（见图4）。
在实际应用时我们还需要关注现场环境及遮挡物对通讯距离的影响。一般情况下，蓝牙产品所标称的通讯距离可，并非仅表示两个节点“直线可见”的距离，而是在一定半径范围的区域内没有遮挡物的情况下。如果有遮挡物就会造成信号衰减。换句话说，收发天线之间电波传播所经历的空间，存在着对电波传播起主要作用的空间区域，这个空间区域并非只占用收发天线之间的直线区域，而是占用一个较大的区域，这个区域是以收发天线为焦点旋转椭球面所包含的空间，我们称之为传播主区，又叫做“菲涅尔区”。
若t点为蓝牙主站天线，r点为蓝牙从站天线，以t点和r点为焦点的旋转椭球面所包含的空间区域就称为菲涅耳区。若在tr两点之间插入一个无限大的平面s，并让平面s垂直于tr连线，平面s将与菲涅尔椭球相交成一个圆，圆的半径称为菲涅尔半径。若菲涅尔半径不同，菲涅尔区的大小也不同，菲涅尔区有无数多个，分为最小菲涅尔区、第一菲涅尔区、第二菲涅尔区等（见图5）。
第一菲涅耳区不同路径电磁波到达接收天线的作用相同，当电磁波通过整个第一菲涅耳区时，接收点的信号是最强的。第一菲涅耳区的大小可以用菲涅尔半径表示，第一菲涅耳区半径为：
式中，λ表示波长，d表示收发天线之间的距离，d1和d2分别表示发射天线和接收天线与平面s的距离 。
为保证蓝牙无线设备正常通讯，特别是在工业现场，蓝牙天线应取保它们之间的障碍物尽量不超过第一菲涅耳区的20%，否则电磁波多径传播就会产生不良的影响，导致通讯质量下降。
4 蓝牙技术在工业现场应用
此处使用wago公司的wago-io-system 750系列产品进行说明。该产品为模块化现场总线io产品，支持多种不同的现场总线及工业以太网协议，例如：profibus、profinet、ethetnet、modbus、devicenet、canopen等，可通过更换适配器或控制器使其符合不同的总线协议要求，并且能够连接多达250个i/o模块，支持模拟量、数字量和特殊功能模块达400多种。
在布线不方便的场所，wago750系列产品可以通过在节点中加装蓝牙模块建立无线通讯网络结构，以完成系统内的无线数据交换，也可以实现多个系统或者不同总线间的无线数据交换，用户可以非常轻松地实现高效的系统扩展（见图6）。
该蓝牙模块750-644为蓝牙2.0+edr版本，发射器发射功率可达到20dbm，符合class1标准。天线增益为2dbi。在空旷条件下，传输距离为1000m。数据传输速率小于30ms。可实现1主7从的皮网结构，并可通过在节点内加装多个蓝牙模块，构成多个皮网，以实现更多节点间的无线数据通讯（见图7）。
使用蓝牙模块，需采用配置软件wago-i/o-check对蓝牙模块进行配置，配置内容包括：蓝牙模块设备角色配置（主站/从站），通讯模式配置（实时连接/对等连接）、通讯过程映像区大小配置、蓝牙配对等。配对成功后可通过蓝牙模块上的led指示灯检查配对是否成功，以及信号强弱状态。配置后即可实现不同站点间的无线通讯。
5 结束语
蓝牙应用方案可实现在1000米半径的区域内对需要通讯的控制器进行无线互联，并将无线蓝牙信号接入各种工业现场总线及工业以太网。蓝牙方案可以解决目前很多通过有线通讯难以解决的问题。例如，在食品加工设备上，可通过无线通讯代替现场总线通讯的线缆和线槽，这样可以大大提高生产环境及生产设备的卫生质量，避免线槽中藏污纳垢。在旋转设备上，通过此蓝牙无线方案可以代替现场总线滑环方式，提高了设备的便捷性，并且易于安装，降低了设备费用。在一些物流车间的移动设备上，通讯线缆、拖拽线的布置非常复杂，也可以使用该蓝牙无线方案。除此之外，在某些需要越过障碍物通讯时，在设备位置需要经常调整的场合，一些不方便布线的地方都可以应用该蓝牙方案。总之，采用wago蓝牙无线解决方案可以实现降低安装成本、节省安装调试时间、提供工厂安全水平、帮助提高运营效率。