傳統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡一般使用有線介質作為傳輸介質，有線傳輸介質使通信設備的位置相對固定，一些特殊工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境要求現(xiàn)場設備具有一定的移動性，則有線通信技術不適用于移動設備的連接。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(xié)議開放、低能耗、高安全性等優(yōu)點，所以它特別適合于連接具有移動性的現(xiàn)場設備設備，通過使用藍牙無線技術作為電纜替代方案可以實現(xiàn)一種無線現(xiàn)場總線，并可通過網(wǎng)關設備實現(xiàn)無線網(wǎng)絡與有線遺留系統(tǒng)的互聯(lián)。該文通過對傳統(tǒng)有線現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的結構及其缺點的分析，結合藍牙技術的特點，提出一種在現(xiàn)場總線中使用藍牙技術替代有線傳輸介質的應用模型及基于該模型實現(xiàn)的原型系統(tǒng)。

1現(xiàn)場總線網(wǎng)絡系統(tǒng)的結構及存在的問題

　　現(xiàn)場總線網(wǎng)絡是一種自動化控制網(wǎng)絡系統(tǒng)，它可以將專用或通用的微處理器集成到傳統(tǒng)的測量控制儀表中，使其具有數(shù)字計算和通信能力，使用雙絞線等傳輸介質作為總線，將多個具有一定智能的測量控制儀表連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)，并按開放、規(guī)范的通信協(xié)議構成適用于不同環(huán)境的自動化控制系統(tǒng)。根據(jù)不同的使用環(huán)境，常用的現(xiàn)場總線技術有：FF基金會現(xiàn)場總線、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等，其中FF基金會現(xiàn)場總線技術因具有協(xié)議開放、全數(shù)字化通信、分布式控制、可互操作、專門針對過程控制設計等優(yōu)點，在自動化領域得到了廣泛支持并具有良好發(fā)展前景，該文的討論以FF現(xiàn)場總線技術作為實例。

　　FF現(xiàn)場總線協(xié)議采用了ISO/OSI模型中的三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層;針對工業(yè)現(xiàn)場控制的特點，F(xiàn)F現(xiàn)場總線還在應用層之上添加了用戶層;FF物理層規(guī)定了現(xiàn)場設備與總線之間的物理連接，常用的傳輸介質為雙絞線等有線介質，但標準中也規(guī)定可以使用無線介質。FF數(shù)據(jù)鏈路層為系統(tǒng)管理內核和總線訪問子層訪問總線介質提供服務。根據(jù)應用環(huán)境的不同，數(shù)據(jù)鏈路層可以使用H1、H2、HSE等不同的網(wǎng)絡通信協(xié)議，該文后面的討論將以HSE作為FF現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。應用層由現(xiàn)場總線訪問子層FAS和現(xiàn)場總線信息規(guī)范子層FMS兩個子層構成;用戶層是在ISO/OSI模型七層結構的基礎上專門為FF添加的層次。用戶層中運行的主要是功能塊應用進程，功能塊應用進程用于完成基金會現(xiàn)場總線中的自動化系統(tǒng)功能。

　　FF現(xiàn)場總線的物理層傳輸介質一般使用有線介質，有線介質具有良好的適應性，可以適應大部分的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。但是，在一些特殊的工業(yè)環(huán)境中，對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(xiàn)場具有強腐蝕性物質或其他可能對有線介質產(chǎn)生破壞作用的現(xiàn)場環(huán)境;

　?。?）現(xiàn)場環(huán)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太大超過有線介質的彎曲限度;

　?。?）現(xiàn)場設備的空間位置需要動態(tài)的改變，以及設備移動路徑可能產(chǎn)生交叉;

　?。?）現(xiàn)場設備需要做旋轉動作，使用有線介質可能出現(xiàn)纏繞;

　?。?）現(xiàn)場設備數(shù)量需要動態(tài)變化。

2藍牙無線技術協(xié)議及體系結構

　　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(chǎn)的藍牙設備可以保證互操作和兼容性。藍牙技術使用的射頻信號工作在全球免費的2.4GHzISM頻段，而且其信號功率可在1mW到100mW之間動態(tài)變化，不會對人體和其他設備產(chǎn)生影響。

　　藍牙協(xié)議的體系結構采用分層結構，藍牙協(xié)議棧是按最大限度地重用已有通信協(xié)議的原則進行設計的，所以保證了藍牙協(xié)議與已有協(xié)議的兼容性，簡化了遺留系統(tǒng)的移植。藍牙協(xié)議的體系結構分為四層，如圖1所示。

圖1藍牙協(xié)議體系結構

　　多個共享信道的藍牙設備構成藍牙微網(wǎng)。在微網(wǎng)中發(fā)起通信的設備為主設備，其他設備為從設備，同一微網(wǎng)中只有一個主設備和最多7個從設備。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。為了簡化遺留系統(tǒng)的移植，在L2CAP層之上添加了串口仿真協(xié)議（RFCOMM）。藍牙微網(wǎng)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(fā)現(xiàn)協(xié)議SDP從藍牙服務器上獲得服務信息。

3藍牙工業(yè)現(xiàn)場總線應用模型描述

　　通過前述分析，F(xiàn)F現(xiàn)場總線的問題主要集中于：FF物理層的傳統(tǒng)傳輸介質為有線介質，有線介質的使用要求現(xiàn)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。針對前述問題，結合藍牙技術具有中距離全向通信、低功耗、功率可調、低干擾等有點，提出使用藍牙無線介質替代電纜，從而解決布線所帶來的問題。