Технология Bluetooth как средство промышленной беспроводной связи

Опубликовано в номере:
PDF версия
Bluetooth обладает оптимальными характеристиками с точки зрения предъявляемых промышленностью требований к устойчивости, надежности и взаимодействию с беспроводными ЛВС. Ряд особенностей данной технологии, ориентированных специально на промышленное применение, делают ее весьма удачным выбором для этих целей.
Технология Bluetooth может быть надежным и простым в использовании решением для промышленной беспроводной связи — например, в робототехнике

Рис. 1. Технология Bluetooth может быть надежным и простым в использовании решением для промышленной беспроводной связи — например, в робототехнике

Технология Bluetooth — это надежное и простое в использовании решение для промышленной беспроводной связи (БС). Работая в том же 2,4-гигагерцовом ISM-диапазоне, что и другие стандартные беспроводные технологии, Bluetooth обладает оптимальными характеристиками с точки зрения предъявляемых промышленностью требований к устойчивости, надежности и беспроблемному сосуществованию с беспроводными ЛВС. Помимо низкого энергопотребления, к преимуществам Bluetooth относятся поддержка многоканальной БС, быстрота подключения и легкость в настройке по сравнению с многими другими технологиями (рис. 1).

Технологии беспроводной связи применяются в промышленности вот уже более 30 лет. Как правило, внедрение БС — это процесс постепенный. Первоначальными требованиями обычно предусматривается создание беспроводных «островков», соединенных с имеющейся инфраструктурой или проводной сетью. Вот основные преимущества промышленных беспроводных решений:

  • повышенная мобильность, возможность перемещать устройства и свободно подключать смартфоны и планшеты без стесняющих движения кабелей;
  • связь на больших расстояниях и в местах, где кабели физически не помещаются;
  • быстрота и легкость установки и ввода в эксплуатацию;
  • высокая гибкость в случаях, когда необходимо внести изменения в установленную систему;
  • повышенная безопасность персонала за счет отсутствия необходимости находиться вблизи от устройства при настройке и/или обслуживании;
  • простота встраивания устройств в сеть.

Промышленность предъявляет к беспроводным технологиям следующие требования:

  • надежная и устойчивая связь;
  • развитые функции обеспечения безопасности;
  • сходство в настройке и управлении с общераспространенными средствами автоматизации;
  • работа в режиме реального времени с детерминированным поведением;
  • расширенный диапазон температур;
  • сосуществование с имеющимися технологиями беспроводной связи (без помех).

 

Чем интересна Bluetooth?

Bluetooth вошла в число наиболее широко применяемых технологий БС: за все время до 2012 г. включительно было поставлено в общей сложности 9 млрд устройств на ее основе. Большая часть из них — массовая продукция, но благодаря своим уникальным особенностям технология Bluetooth стала стандартом в промышленных применениях с высокими требованиями к надежности и устойчивости.

Технология Bluetooth увидела свет в 1998 г. При ее создании ставилась цель заменить кабельные соединения экономически эффективным беспроводным методом связи. Многие из инженеров, участвовавших в разработке Bluetooth, имели опыт работы в сфере промышленной автоматизации и сознавали, как важно придать этой технологии достаточную надежность и устойчивость для промышленных применений. Сейчас Bluetooth находится в ведении ассоциации Bluetooth SIG Inc., которая включает в себя более 17 000 компаний-участников, совместно ведущих разработку этой технологии. Чтобы продавать устройства Bluetooth, производители должны быть участниками ассоциации SIG и их продукция должна быть аттестована по программе Bluetooth Qualification Program.

 

Версии Bluetooth

Bluetooth работает в международном нелицензируемом гигагерцовом диапазоне радиочастот промышленного, научного и медицинского назначения (ISM). В настоящее время большинство изделий соответствует стандарту Bluetooth v2.1+EDR, который был принят ассоциацией Bluetooth SIG в 2007 г. Компонент EDR в этом названии расшифровывается как Enhanced Data Rate — «повышенная скорость передачи данных».

Стандарт Bluetooth 4.0 был принят SIG в 2010 г. Главной особенностью этой версии стала спецификация Bluetooth с низким энергопотреблением, описывающая совершенно новый стек протоколов для ускоренной установки простых каналов связи и длительной работы от батарей.

Беспроводная ЛВС, Bluetooth и IEEE 802.15.4 работают в одном и том же диапазоне частот — 2,4 ГГц. На рис. 2 показаны Bluetooth, 802.15.4 и три наиболее часто используемых канала беспроводной ЛВС.

Bluetooth, 802.15.4 и три наиболее часто используемых канала беспроводной ЛВС

Рис. 2. Bluetooth, 802.15.4 и три наиболее часто используемых канала беспроводной ЛВС

Используя частотное планирование, можно обеспечить сосуществование различных технологий БС (рис. 3).

В последнее время идут споры о том, следует ли использовать классическую технологию Bluetooth или Bluetooth с низким энергопотреблением. Важно отметить, что хотя технология Bluetooth с низким энергопотреблением и унаследовала ряд особенностей классического варианта Bluetooth, она отличается от него по принципу работы и способу реализации, поэтому с точки зрения реализации есть следующие альтернативы:

  • Однорежимные устройства. Классические реализации Bluetooth являются однорежимными. Но теперь однорежимные устройства выпускаются и на базе технологии Bluetooth с низким энергопотреблением — их называют устройствами Bluetooth Smart. Примерами таких устройств могут служить акселерометры, датчики температуры и давления.
  • Двухрежимные устройства. В этих устройствах, называемых также устройствами Bluetooth Smart Ready, реализованы оба варианта технологии Bluetooth — классический и с низким энергопотреблением. В качестве примеров таких устройств можно привести смартфоны, компьютеры и промышленные платформы.
40 каналов Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE) работают параллельно с тремя неперекрывающимися каналами беспроводной ЛВС. Каналы, используемые для настройки подключения (показаны оранжевым), подобраны таким образом, чтобы не конфликтовать с каналами беспроводной ЛВС

Рис. 3. 40 каналов Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE) работают параллельно с тремя неперекрывающимися каналами беспроводной ЛВС. Каналы, используемые для настройки подключения (показаны оранжевым), подобраны таким образом, чтобы не конфликтовать с каналами беспроводной ЛВС

 

 Профили Bluetooth

В технологии Bluetooth предусмотрен набор «профилей» — прикладных алгоритмов работы, которые устройства Bluetooth используют для связи друг с другом.

К важным профилям, используемым в промышленных применениях классической технологии Bluetooth, относятся следующие:

  • Serial Port Profile (SPP) — эмулирует полнофункциональный последовательный интерфейс с аппаратным квитированием на базе Bluetooth. Традиционный последовательный интерфейс (UART, RS232, RS422 или RS485) можно заменить беспроводным соединением типа «точка–точка», «точка–многоточка» или многоабонентским соединением. SPP используется при обмене данными между компьютерами, системами управления и другими устройствами с последовательным интерфейсом.
  • Personal Area Network (PAN) — может использоваться для прозрачной трансляции протоколов IPv4 и IPv6. Поддерживается работа как в режиме самостоятельной сети (ad-hoc), так и в режиме точки доступа. Профиль PAN идеально подходит для Ethernet-совместимых устройств с малыми объемами передаваемых данных. Кроме того, с помощью PAN можно обеспечивать локальный доступ к компьютеру и системной сети при настройке и обслуживании.

Профили Bluetooth с низким энергопотреблением отличаются от тех, которые применяются в классической технологии Bluetooth, и основаны на обобщенном профиле под названием Generic Attribute Profile (GATT). GATT используется для обнаружения служб, а также для чтения/записи значений на устройстве.

В отличие от классического варианта Bluetooth, здесь разработчики изделий могут разрабатывать собственные профили и службы в дополнение к тем, которые предоставляются ассоциацией Bluetooth SIG. Например, компания connectBlue разработала для замены кабельных соединений с учетом нужд промышленности службу Low-Energy Serial Port Service на базе профиля GATT, обеспечивающую прозрачную реализацию связи по последовательным протоколам, которая важна в промышленных применениях технологии Bluetooth с низким энергопотреблением.

Для ответственных промышленных систем необходим надежный и помехоустойчивый метод БС. Помехи могут создаваться высоковольтными линиями передачи, сварочными аппаратами, магнитными полями электродвигателей и другими источниками. Кроме того, взаимные помехи могут возникать при работе систем БС разных стандартов в одном и том же диапазоне радиочастот. Эти помехи могут нарушать связь. Ввиду того, что в ISM-диапазоне 2,4 ГГц работает сразу несколько стандартов БС, в технологии Bluetooth принят ряд мер для повышения устойчивости связи.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *