工业无线:蓝牙可坚固耐用，使用方便

蓝牙技术是一种强大的、易于使用的无线解决方案，适用于工业无线应用。与其他标准无线技术一样，蓝牙在2.4 GHz ISM频段上运行，提供了最佳特性，以满足工业对鲁棒性、可靠性以及与无线局域网网络无缝共存和共址运行的要求。除了低功耗之外，蓝牙还支持多个无线链路，提供快速连接，并且比许多其他无线技术更容易配置和设置。为工业应用量身定制的功能可以进一步满足这些需求。

无线通信技术已经在工业应用中使用了30多年。无线通信的采用通常是一个渐进的过程，最初的要求包括创建连接到现有基础设施或有线网络的无线设备孤岛。以下是工业无线解决方案的主要优势:

• 更大的移动性和移动设备的可能性，自由地连接到智能手机和平板电脑，而无需限制电缆
• 绕过长距离和电缆无法物理安装的区域
• 快速、容易安装和调试
• 如果需要修改安装，具有很高的灵活性
• 在配置和/或维护期间，无需物理靠近设备，从而提高了人身安全
• 易于将设备集成到网络中

无线技术的工业要求包括:

• 可靠、稳健的通信
• 高级安全特性
• 配置和操作与常用自动化工具相似
• 实时和确定性行为
• 增加温度范围
• 与现有无线技术共存(无干扰)

什么是蓝牙?

蓝牙技术已经发展成为应用最广泛的无线技术之一，到2012年，蓝牙设备的出货量超过90亿。这些设备大多是消费类产品，但其独特的功能也使蓝牙成为对可靠性和稳健性要求很高的工业应用的标准。

蓝牙技术于1998年推出，旨在用一种经济有效的无线通信方法取代连接电缆。许多开发蓝牙的工程师都具有工业自动化背景，并且知道使蓝牙技术在工业应用中健壮可靠的重要性。蓝牙技术现在由蓝牙技术联盟管理，该联盟拥有超过17,000个成员公司，共同推动蓝牙技术的发展。要销售蓝牙设备，制造商必须是SIG的成员，他们的产品必须通过蓝牙认证计划。

蓝牙版本

蓝牙在全球未经许可的2.4 GHz工业、科学和医疗(ISM)无线电频段运行。现在大多数产品都支持蓝牙v2.1+EDR，该标准于2007年被蓝牙技术联盟采用。EDR代表“增强的数据速率”，允许增加数据吞吐量。蓝牙v4.0于2010年被SIG采用;4.0的主要特点是蓝牙低功耗，它提供了一个全新的协议栈，用于快速建立简单的链路和长时间的电池运行。

最近的讨论是关于应该使用经典蓝牙还是蓝牙低功耗技术。值得注意的是，虽然蓝牙低功耗继承了几个经典蓝牙功能，但从技术和实现的角度来看，它是不同的，因此有以下实现选项:

• 单模:传统的经典蓝牙实现是单模实现。但随着蓝牙低功耗的加入，也有单模蓝牙低功耗设备被称为蓝牙智能设备。单模蓝牙低功耗设备的例子包括加速度计、温度和压力传感器。
• 双模式:这些双模式设备，也被称为蓝牙智能就绪设备，包括蓝牙低功耗和经典蓝牙技术。例子包括智能手机、电脑和工业平台。

蓝牙配置文件

蓝牙有一组确定的“配置文件”，本质上是应用程序定义的行为，蓝牙设备使用这些行为进行相互通信。

经典蓝牙在工业应用中使用的重要配置文件包括:

• 串口配置文件(SPP)模拟一个完整的串行接口与硬件握手通过蓝牙。传统的串行接口(UART、RS232、RS422或RS485)可以被无线点对点、点对多点或多点连接所取代。SPP用于计算机、控制系统和其他具有串行接口的设备之间的数据交换。
• PAN (Personal Area Network)可以透明传输IPv4和IPv6协议。支持ad-hoc和接入点操作。PAN是具有少量数据的以太网兼容设备的理想选择。此外，PAN还可以在配置和维护期间提供对机器和系统网络的本地访问。

蓝牙低功耗技术配置文件与经典蓝牙中使用的配置文件不同，它基于通用属性配置文件(GATT)。GATT用于服务发现以及设备上的读/写值。

与经典蓝牙不同，产品开发人员可以开发自己的配置文件和服务，以添加到蓝牙SIG的配置文件和服务中。例如，connectBlue开发了以下电缆更换服务，以满足工业应用的需求:

• 低功耗串行端口服务是一种基于gatt的服务，提供透明的串行通信，因此在使用蓝牙低功耗的工业应用中非常重要。

无线强度

关键任务工业应用中使用的无线传输方法必须坚固可靠。干扰可能来自高压传输、焊接机、电动机产生的磁场等。在同一无线电频带内运行的无线技术之间也可能发生干扰。如果发生干扰，则会影响连接的稳健性。随着在2.4GHz ISM频段中运行的几种无线标准，蓝牙采用了几个强大的功能。

蓝牙连接，干扰

一个经典的蓝牙网络被称为微型网络，由一个主/主机和多达七个活动的从/客户端组成。通过协议，设备可以切换角色，从设备可以变成主设备。经典蓝牙设备在进行服务发现或连接建立时，可能会干扰同一ISM频段内的其他无线连接，因此需要对这些技术进行频率规划。

与传统蓝牙相比，低功耗蓝牙可以拥有更多的奴隶。为了尽可能少耗电，蓝牙低功耗连接大部分时间都处于空闲模式。蓝牙低功耗连接由一个“中心”和一个“外围”设备组成。“外设”包含数据，并“宣传”它，告知环境它的存在。“中央”扫描它的环境，如果检测到广告，它可以启动一个连接。与传统蓝牙不同，在扫描过程中不发送无线电传输，因此蓝牙低能量不会干扰无线电环境。

FH-CDMA

跳频码分多址(FH-CDMA):在经典蓝牙中，2.4 GHz无线电频段被划分为79个1mhz的跳频信道，其中每625µS选择一个新的信道。低功耗蓝牙以相同的跳频速率在40个2兆赫信道上使用跳频。

每个通信设备对都有自己的跳频模式，这是在初始连接期间确定的，并选择以避免连接冲突。跳频最大限度地减少了蓝牙系统、其他基于无线电的系统和其他干扰源之间的潜在干扰问题。

AFH

经典蓝牙和低功耗蓝牙都采用自适应跳频(AFH)功能，可以检测潜在的信道干扰，例如，无线局域网IEEE 802.11 b, g, n设备在近距离传输。如果发现这种干扰，该信道将自动列入黑名单。

这些列入黑名单的频道稍后会重新尝试处理临时干扰。AFH防止蓝牙干扰附近的其他无线技术，如无线局域网802.11 b, g。

无线共存

无线共存是工业无线的主要要求，在2.4 GHz ISM频段中有几个很好的合作机会。例如，无线局域网使用13个重叠的20mhz宽信道，2到3个不重叠的信道，并在2.4 GHz频段使用直接序列扩频(DSSS)。蓝牙使用79兆赫的宽信道和AFH来避免干扰。IEEE 802.15.4有16个通道;每个都是5 MHz宽，并与DSSS一起工作。

通过频率规划，可以允许多种技术在同一频段内运行。如果想要同时使用无线局域网和802.15.4，在三个不重叠的无线局域网信道之间有空间容纳较少数量的802.15.4信道，以获得无干扰的配置，并且也有足够的空间容纳大量的蓝牙信道。也可以事先选择不使用的频道(列入黑名单)，以避免与同一环境中使用的其他无线系统产生干扰。

蓝牙规范共存机制涵盖了大多数潜在的干扰问题;然而，工业应用需要保证在经典蓝牙服务发现和AFH不活动时建立连接时，蓝牙不会干扰无线局域网通信。(为了解决这些潜在的干扰问题，connectBlue为蓝牙开发了connectBlue低发射模式，该模式优化配置了经典蓝牙产品分别进行查询和扫描、分页和页面扫描的频率和时间。此模式将对其他无线系统的影响降至最低，而不会影响蓝牙链路设置的稳定性。)

纠错(EC)

蓝牙支持前向纠错(FEC)和报文重传。无线连接故障会导致误码率增加。FEC报文发送冗余信息，接收方可以利用这些冗余信息纠正错误报文。FEC将误码率降低了三倍，并且消除了重复数据包的需要。

然后应用自动重复请求(ARQ)数据包重传方案，检查每个数据包是否存在错误。如果数据包丢失或未被确认，则进行重传。这个程序允许安全的数据传输。

由于蓝牙支持带FEC和不带FEC的数据包，因此可以将链路配置为只选择带FEC的数据包。重传的数量也受到使用的数据包大小的影响。在某些环境和应用程序中，强制使用小数据包可能会更有效。

操作模式

您可以为不同的操作模式配置任何connectBlue蓝牙产品，例如，针对延迟或吞吐量进行优化。通过选择正确的模式，可以选择最优的数据包大小和其他连接参数。

RSSI

基于接收信号强度指示器(RSSI)的功率控制对于大功率无线电(20dbm)是强制性的，对于低功率无线电(0dbm)是可选的。RSSI保证了节点通信过程中不会使用过多的功率。RSSI对潜在的干扰问题也有积极的影响，因为几个独立的蓝牙网络如果使用这种电源控制功能，就不太可能相互干扰。

动力等级、范围

经典蓝牙支持不同的输出功率等级。最高功率等级“1级”可以传输法律允许的最高100兆瓦或20 dBm的传输功率，这使得超过1000米的范围成为可能。

传输功率自动降低到良好无线连接所需的水平。这种减少防止了不必要的排放，并减少了对其他系统的可能干扰。结合接收器的高水平输入灵敏度和良好的天线(这应该是所有工业蓝牙产品的强制性要求)，该系统甚至可以接收非常微弱的信号。

低功耗蓝牙被限制在最大10 dBm，但由于它有宽松的无线电参数，低功耗蓝牙仍然可以实现75米或更高的良好传输范围。

数据安全

蓝牙连接可以很好地防止敲击和外部干预。跳频方法，其伪随机跳频序列，使得它几乎不可能访问蓝牙。另外，硬件具有认证和加密功能(128位)。蓝牙模块可以对其他蓝牙设备不可见，这意味着黑客不知道该设备。只有预先配对的设备之间才能建立连接。

工业无线选择

近年来，标准化的无线局域网/ WLAN / IEEE802.11、ZigBee / IEEE 802.15.4、经典蓝牙/低功耗蓝牙/ IEEE802.15.1成为工业应用的主导技术。虽然没有一种无线技术可以满足工业应用中的所有需求，但它们都有独特的功能。最佳选择取决于需要在高数据吞吐量、健壮性或低功耗(后者尤其适用于电池供电的设备)之间进行优先级排序的主要需求。

• 无线局域网是生产计划、数据采集和网络交互的首选。此外，内置的漫游功能在带有移动设备的工厂自动化应用程序中非常有用。无线局域网最大的优势在于它的吞吐量和网络连通性;然而，为了获得无干扰的传输，需要仔细的频率规划或昂贵的安装，例如，泄漏电缆作为天线。在许多工业应用中，无线局域网的使用正朝着5 GHz频段(802.11 a标准)发展，以避免与在2.4 GHz频段(802.11 b, g, n)运行的其他无线电产生干扰。
• 经典蓝牙用于各种工业环境中的人机界面(HMI)、编程、服务/维护和实时控制任务，例如汽车制造、能源工厂和仓库。用例包括无线I/O和替代Profinet、Modbus TCP和以太网IP电缆。经典蓝牙很容易配置，是移动设备中采用最广泛的无线标准，并且具有无与伦比的健壮性。蓝牙允许高系统密度;例如，许多无线电链路可以安装在同一无线电环境中，而不会干扰或降低性能。蓝牙在窄窄的1mhz信道上移动，每秒变化1600次，操作无故障。AFH消除了与其他无线技术的潜在干扰，实现无干扰共存。
• 蓝牙低功耗越来越多地用于计量、传感器、执行器和其他需要相互连接的小型设备。低功耗蓝牙继承了经典蓝牙的强大功能，尤其适用于间歇性或周期性低数据速率的应用。随着低功耗蓝牙快速集成到移动iOS和Android设备中，量身定制的“应用程序”可以成为工业应用的强大且经济高效的工具。一个“应用程序”可以被设计用来收集特定的数据，或者执行特定的任务，比如充当人机界面。蓝牙低功耗包括所有经典蓝牙共存方式。
• IEEE 802.15.4可用于许多标准以及部分专有无线协议，包括ZigBee、WirelessHART和ISA SP-100。这些技术主要用于能源监测、过程和建筑自动化。网状网络功能使它们能够在没有低延迟要求的情况下覆盖广泛的区域。然而，干扰可能发生在高无线电密度和噪声的环境中。

关于connectBlue

connectBlue提供强大的工业和医疗无线解决方案，针对最苛刻的应用和环境进行了设计和测试。connectBlue基于经典蓝牙技术、蓝牙低功耗技术、无线局域网(WLAN)和IEEE 802.15.4 / ZigBee，提供即用型产品和模块以及定制解决方案。公司总部设在瑞典，在德国和美国设有办事处。connectBlue为工业应用开发了量身定制的蓝牙功能。

作者简介:罗尔夫·尼尔森(Rolf Nilsson)是connectBlue的首席执行官兼创始人，在工业自动化和通信领域拥有30多年的深入见解和专业知识。在创立connectBlue之前，Rolf是Eurotherm Scandinavia的总裁，在此之前，他曾在阿法拉伐自动化/ABB自动化产品公司担任领导职务。编辑:马克T.霍斯克，内容经理，CFE媒体，控制工程、mhoske@cfemedia.com。

在线

www.connectblue.com

请参阅下面的低功耗蓝牙无线协议。

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