CN1268069C - 基于蓝牙技术的自动化网络通信控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的对现场设备进行无线或/和有线混合数据通信的自动化网络控制方法主要包括：设立现场级蓝牙控制器、现场级蓝牙接入装置及现场级蓝牙通信模块；在蓝牙通信协议与以太网通信协议的应用层进行优先级的定义与处理、优先权转换、套接字映射接口等技术来适应现场级控制的各种要求。本发明涉及的基于蓝牙技术的自动化网络通信控制系统包括现场级蓝牙控制器、现场级蓝牙接入装置及现场级蓝牙通信模块。本发明可以无需电缆连接实现网络控制，并易于与其它网络连接，在组网灵活、方便的同时，又增加了现场设备的灵活性、可移动性、适应性和抗干扰性。

Description

基于蓝牙技术的自动化网络通信控制方法及系统

技术领域

本发明涉及蓝牙无线通信技术、自动控制技术、数据采集技术、工业以太网技术、光电隔离技术、工业数据通信术以及工业现场适应性技术，具体是一种应用于现场设备自动化过程控制的基于蓝牙技术的网络通信方法及自动化网络控制系统。

技术背景

现场设备：包括变送器、传感器及执行器等；现场智能设备：包括智能变送器、智能传感器及智能执行器等是工业控制的对象。目前，虽然以太网由于具有带宽高、低成本、技术成熟便于维护等优点而应用于现场设备的网络自动化控制，但由于需要布线组网，因而在工业控制应用中，布线的成本有时会大大超过其他控制设备的成本，而且电缆的连接限制了现场设备的移动和网络结构的灵活变化。尤其在一些不可预知的环境，或不适于布线的强腐蚀恶劣环境中的现场级设备，应用以太网进行自动控制就受到限制。

若将蓝牙无线通信技术与自动控制技术、数据采集技术、以太网技术、工业数据通信术、工业现场适应性技术、光电隔离技术、现场总线技术等相结合可有效地解决上述问题。

发明的内容

本发明所要解决的技术问题之一是：提供一种对现场设备进行无线或/和有线混合数据通信的自动化网络控制方法，方法主要通过增强蓝牙通信的环境适应性，来提高蓝牙通信的实时性、可靠性和抗干扰能力，使蓝牙通信能适应现场控制的多种技术要求。该方法能够使现场设备不仅可灵活、方便、快速、自动地组建自动化控制网络，还增加了现场设备的灵活性和可移动性。使得现场设备可以无需电缆连接即可实现网络控制，并易于与其它网络连接，在组网灵活、方便的同时，又增加了现场设备的灵活性和可移动性；对于在一些不可预知的环境，尤其是不适于布线的强腐蚀恶劣环境，完成对现场设备的监控。

本发明所要解决的技术问题之二是：提供一种包括现场级蓝牙控制器、现场级蓝牙通信模块以及现场级蓝牙接入装置，实现各种现场设备间的无线通信与控制，以及现场设备与控制网络之间的无线数据通信系统。

本发明解决所述技术问题之一采用的技术方案是这样的：即一种对现场设备进行无线或/和有线混合数据通信的自动化网络控制方法，方法包括：

(1)、设立包括微处理器、蓝牙模块、D/A转换模块、A/D转换模块及以太网控制器模块的现场级蓝牙控制器；或设立包括微处理器、蓝牙模块、以太网控制器模块的现场级蓝牙接入装置；设立包括微处理器、蓝牙模块、射频天线和提供RS232、RS485、USB三种接口模块供选择的接口模块的现场级蓝牙通信模块；

(2)、由现场级蓝牙控制器通过有线接口直接与现场设备或其它现场级蓝牙控制器进行有线连接，或通过现场蓝牙控制器的蓝牙无线连接带有蓝牙通信模块的现场设备，或通过现场级蓝牙接入装置的蓝牙无线连接带有蓝牙通信模块的现场设备，实现数据采集及交换的网络自动控制；或通过现场级蓝牙接入装置或现场蓝牙控制器自身的以太网口与有线控制网络进行数据通信；

(3)、现场级蓝牙通信模块嵌入或外挂到现场智能设备上而构成现场级蓝牙设备，现场级蓝牙设备通过蓝牙自动实现现场智能设备之间、现场智能设备与现场级蓝牙接入装置或现场级蓝牙控制器之间的数据通信，并通过现场级蓝牙接入装置或现场级蓝牙控制器通过有线接口实现与有线控制网络的数据通信；

(4)、方法中，在蓝牙通信协议与以太网通信协议的应用层定义了应用层服务和套接字映射接口对象(图2)，其中应用层服务(包括实时和非实时服务)是为用户应用进程间的数据通信提供的接口，而套接字映射接口则是应用层服务与UDP(TCP)层的接口。

在发送端：用户应用进程在调用应用层服务时，应该提供所有服务所需要的参数，然后由应用层服务将数据经过编码后，传给套接字映射接口，调用UDP(TCP)数据传输服务把数据发送出去。

在接收端：应用层套接字映射接口对象收到来自通信端口的数据后，上传给应用层服务，由应用层服务根据服务报文中的目的应用进程标识ID，而将接收到的数据传送到用户层中相应的用户应用进程，由用户应用进程对相应的参量进行更新和进一步的处理。

本发明应用层服务在调用套接字映射对象服务时，应该提供与数据传输有关的信息。这些信息包括：服务数据的长度(Length)；服务的标识号(ServiceID)和服务的优先级(Priority)等，而数据传输的目的设备IP地址、目的应用进程标识ID、目的对象标识ID等信息，既可以在应用层服务报文中获取，也可作为显式参数，由应用层服务显式传输给套接字映射接口对象。

由通信端口接收到的数据，应用层服务从套接字映射对象收到的数据是去掉头信息的服务数据。

套接字映射接口提供了实时应用服务与UDP(TCP)/IP之间的映射，其主要任务是：提供实时应用服务映射到UDP(TCP)的服务；根据服务类型将实时应用服务数据以单播、组播或广播的方式发送到本发明的控制网络上；为需确认的实时应用服务提供超时诊断与控制，并将正确或错误的确认信息返回给这些服务；为实时应用服务提供优先级管理；采用统计方法实现通信链路状况的监视，并通过实时应用服务向用户进程报告链路正常或故障状态；使用TCP传输数据时，还需要建立和释放TCP连接。

套接字映射接口负责管理来自应用层服务的报文发送，这包括两个方面的内容，即数据缓冲管理和优先级管理。

用户应用进程使用应用层服务发送数据时，需要将数据传送给套接字映射接口。套接字映射接口首先按发送优先级，将这些待发送的数据分别缓存在不同的队列中等待发送，优先级最高的报文最先发送。

在本发明中，定义了三种优先级：现场设备间周期性信息发布具有最高的优先级，以确保控制系统的连接正常运行；对于事件信息、设备信息等的广播发布具有次高优先级；点对点之间的单播通信的具有最低优先级。对于同等级别优先级的报文发送，用户可以自定义子优先级。

当监视到网络通信空闲时，说明可以发送新的报文。此时：

①、套接字映射接口首先查找最高优先级报文缓冲队列是否有报文未发送：如果有，则按FIFO(先入先出)的原则发送队列中第一个报文，并将发送指针指向下一个报文，报文发送完毕后，退出本次发送处理；如果没有，则进入第②步；

②检查次高优先级报文缓冲队列是否有报文未发送：如果有，则按FIFO原则发送队列中第一个报文，并将发送指针指向下一个报文，报文发送完毕后，退出本次发送处理；如果没有，则进入第③步；

③检查最低优先级报文缓冲队列是否有报文未发送：如果有，则按FIFO原则发送队列中第一个报文，并将发送指针指向下一个报文，报文发送完毕后，退出本次发送处理；如果没有，则退出本次发送处理。

为了使优先权比较低的数据包不至于无限制地被推迟发送，本发明对最低优先级通过优先权转换来弥补(图3)。其方法是：当数据包到达最低级缓存时自动加上时间戳，每个数据包停留在缓存中t秒(用户可自定义)以后，其优先权就提高到次优先级。

(5)、采用79跳的跳频通信技术和功率控制技术，一方面提高蓝牙通信的抗干扰能力，另一方面减少能耗；采用1/3比例前向纠错编码技术，一旦数据在传送过程中出现了错误，在接收端可以自动恢复错误，无须重传，从而提高通信的可靠性，避免重发延迟；采用金属壳体屏蔽措施避免或减少现场环境对设备中元器件的干扰影响。

本发明所要解决的技术问题之二采用的技术方案是这样的：即一种包括现场级蓝牙控制器、现场级蓝牙通信模块以及现场级蓝牙接入装置，实现各种现场设备间的无线通信与控制，以及现场设备与控制网络之间的无线数据通信系统，该系统包括：

现场级蓝牙控制器：包括微处理器、蓝牙模块、数模(D/A)转换模块、模数(A/D)转换模块、液晶显示模块、Flash存储器以及以太网控制器模块，其中：蓝牙模块、数模(D/A)转换模块、模数(A/D)转换模块、液晶显示模块以及以太网控制器模块通过其接口电路分别与微处理器的串行通信接口连接；

现场级蓝牙通信模块：包括微处理器、Flash存储器、蓝牙模块、射频天线、电源模块和提供RS232、RS485、USB三种接口模块供选择的接口模块；其中：蓝牙模块和接口模块分别通过其接口电路与微处理器的串行通信接口连接；

现场级蓝牙接入装置：包括微处理器、Flash存储器、蓝牙模块、以太网控制器模块、液晶显示模块、射频天线和电源模块。其中：蓝牙模块、Flash存储器、液晶显示模块和以太网控制器模块分别通过其接口电路与微处理器的串行通信接口连接；

现场级蓝牙通信模块通过蓝牙自动实现现场级蓝牙通信模块之间、现场级蓝牙通信模块与现场级蓝牙接入装置或现场级蓝牙控制器之间的数据通信，并通过现场级蓝牙接入装置或现场级蓝牙控制器的有线接口实现与有线控制网络的数据通信。

本发明中现场级蓝牙控制器的工作原理(图3)是：打开现场级蓝牙控制器的电源开关时，首先对系统进行自检。自检通过后，一方面微处理器自动对蓝牙进行初始化(图5)，并在其覆盖范围内自动搜寻另一带有蓝牙芯片的现场设备；若有，则各自的链路管理器就会发现对方，当双方通过了鉴权和认证后，则自动建立通信关系。同时，若覆盖范围内有多个带有蓝牙芯片的现场设备，则这些设备自动组成蓝牙控制网络，实现蓝牙现场设备间的数据通信。另一方面，微处理器自动对现场级蓝牙控制器的以太网接口进行检测(图6)，若检测发现有网线相连，则对以太网口进行初始化，并建立连接关系，并实现蓝牙现场设备与以太网的数据通信。在需要进行现场数据采集时，将A/D转换模块的输入端口通过外围接口电路与被采集对象相连，A/D转换模块获得启动命令后采集现场数据并交给微处理器进行处理，处理后的数据一方面根据系统程序的要求，通过蓝牙模块或以太网口发送给相关控制设备或数据库；另一方面根据系统程序的要求，将处理后的数据传给控制程序。在需要对现场设备进行控制时，将D/A转换器的输出端口通过外围接口电路与被控对象相连，控制程序将经过运算后的控制指令发给D/A转换模块，D/A转换模块接收到控制指令后转化为模拟控制量传送给现场设备，使现场设备按照控制指令进行工作。若需要对开关量/数字量进行输入输出操作时，系统直接利用微处理器上具有缓存功能的IO口通过外围接口电路与被控(或被采集)对象相连，实现开关量/数字量的输入输出操作。为了使现场操作人员能观察系统的运行情况，液晶显示模块将显示各模块的工作状态。

本发明中现场级蓝牙通信模块提供嵌入式和外挂式两种连接模式，其工作原理是：根据自动化过程中现场设备的通信接口情况选择嵌入或外挂模式，将现场级蓝牙通信模块与现场设备通过匹配的接口进行连接，连接好后打开现场级蓝牙通信模块的电源开关，通信模块的微处理器就自动对蓝牙进行初始化(图5)，并在其覆盖范围内自动搜寻另一带有蓝牙芯片的现场设备；若有，则各自的链路管理器就会发现对方，当双方通过了鉴权和认证后，则自动建立通信关系。同时，若覆盖范围内有多个带有蓝牙芯片的现场设备，则这些设备自动组成蓝牙控制网络，实现蓝牙现场设备间的数据通信。

本发明中现场级蓝牙接入装置的工作原理是：用以太网线(也可选用RS232或RS485或USB进行连接)将现场级蓝牙接入装置与有线控制网络进行连接，连接好后打开现场级蓝牙接入装置块的电源开关，一方面接入装置的微处理器自动对蓝牙进行初始化(图5)，并在其覆盖范围内自动搜寻另一带有蓝牙芯片的现场设备；若有，则各自的链路管理器就会发现对方，当双方通过了鉴权和认证后，则自动建立通信关系。同时，若覆盖范围内有多个带有蓝牙芯片的现场设备，则这些设备自动组成蓝牙控制网络，实现蓝牙现场设备间的数据通信。另一方面，接入装置的微处理器自动对以太网接口(或RS232接口或RS485接口或USB接口)进行初始化(图6)，与有线控制网络建立连接，并实现蓝牙现场设备与有线控制网络的数据通信。

本发明充分利用了蓝牙技术使用方便、兼容性好、系统稳定、抗干扰能力强、功耗低、辐射小等独特性能，构建出基于蓝牙技术的自动化网络控制系统，实现了对各种设备的无线控制，并实现与各种蓝牙设备以及现场其它网络之间的无线数据通信。使得各种现场设备无需电缆即可实现互联或与控制网络连接，组网灵活、方便，同时又增加了现场设备的灵活性和可移动性。

附图说明

本发明有如下附图：

附图1为基于蓝牙技术的自动化网络控制系统结构示意图；

图1中：由单点划线框左右构成网络结构1和2，双点划线框下方构成网络结构3；整个图仍然是一种网络结构形式。

附图2为现场级蓝牙设备与以太控制网络之间数据通信的工作原理示意图；

附图3优先级转换流程示意图；

附图4为蓝牙控制器的软件结构示意图；

附图5为现场级蓝牙设备之间通信流程示意图；

附图6为现场级蓝牙设备与有线设备数据交换示意图；

附图7为本发明中现场级蓝牙控制器的原理结构框图；

附图8为本发明中现场级蓝牙控制器实施例的原理结构框图；

附图9为本发明中现场级蓝牙控制器实施例的电路总图；

附图10为本发明中现场级蓝牙控制器实施例的接口图；

附图11为本发明中现场级蓝牙控制器实施例的蓝牙通信电路图；

附图12为本发明中现场级蓝牙控制器实施例的A/D转换电路图；

附图13为本发明中现场级蓝牙控制器实施例的D/A转换电路图；

附图14为本发明中现场级蓝牙控制器实施例的液晶显示电路图；

附图15为本发明中现场级蓝牙控制器实施例的电源转换电路图；

现场级蓝牙控制器的附图中：U16是数据锁存器；U17是A/D转换模块；U19是+3.3V电源生成芯片；U20是5V电源生成芯片；U21是+3.3V和5V电源监控芯片；U22是蓝牙模块；U23是D/A转换模块；U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U15是光电隔离器件；JP1是液晶显示接口；J1、J2是Rabbit2200核心模块引出线接口；U18A是/RD或/WR选择方式。

附图16为本发明中现场级蓝牙通信模块的原理结构框图；

附图17为本发明中现场级蓝牙通信模块实施例的电路图；

附图17中：U1是微型控制器；U2是地址锁存器；U3是静态读写存储器；U4是四总线缓冲器；U5是蓝牙芯片；U6是3.3V电源转换芯片；U7是5V电源转换芯片；U8是串口转换芯片。

附图18为本发明中现场级蓝牙通信接入装置的原理结构框图；

附图19-23为本发明中现场级蓝牙通信接入装置实施例的电路图；

附图19-23中：U1是微型控制器；U2是地址锁存器；U3是静态读写存储器；U4是四总线缓冲器；U5是蓝牙芯片；U6是3.3V电源转换芯片；U7是5V电源转换芯片；U8是串口转换芯片。

现场级蓝牙控制器的实施例中所述芯片采用的型号：微处理器为Rabbit2200核心模块，该模块集成了Flash存储器和以太网控制器；蓝牙模块为ROK101 007或ROK 101 008；A/D转换模块为MAX197；D/A转换模块为AD5320；液晶显示模块为VPG12864；数据锁存器为74F245；+3.3V和5V电源监控芯片为TPS3307；+3.3V电源生成芯片为TPS7150；5V电源生成芯片为TPS7150；光电隔离器件为OPTOISO1；/RD或/WR方式选择为74FOO。

现场级蓝牙通信模块实施例中所述芯片采用的型号：微型控制器为W78LE58；地址锁存器为74LS373；静态读写存储器为62256；四总线缓冲器为CT74LS126；蓝牙芯片为ROK 101 008；3.3V电源转换芯片为MAX640；5V电源转换芯片LM7805CK；串口转换芯片MAX232；JP1是PLUG电源接口；J1是DB9串口(RS232接口)。

现场级蓝牙通信接入装置实施例中所述芯片采用的型号：微型控制器为W78LE58；地址锁存器为74LS373；静态读写存储器为62256；四总线缓冲器为CT74LS126；蓝牙芯片为ROK 101008；3.3V电源转换芯片为MAX640；5V电源转换芯片LM7805CK；串口转换芯片MAX232；JP1是PLUG电源接口；J1是DB9串口(RS232接口)。

具体实施方式

本发明可组成图1所示的无线网络/无线有线混合网络等4种形式。

本发明中现场级蓝牙控制器的实施例如图7-15所示，主要组成部分包括Rabbit2200核心模块、蓝牙模块、A/D转换模块；D/A转换模块、液晶显示模块、电源监控芯片、电源生成芯片和光电隔离器件。

本发明中现场级蓝牙控制器的实施例中：蓝牙模块采用的串口波特率是57600bps；微处理器的工作频率是22.1184MHz；蓝牙模块的工作电压是3.3V，这需要一个5V到3.3V的电压转换电路；图中芯片没有标明电源引线的都是提供5V电压。

本发明中现场级蓝牙通信模块的实施例如图16、17所示，主要组成部分包括微处理器、Flash存储器、蓝牙模块、射频天线、RS232接口模块和电源模块。

在本现场级蓝牙通信模块实施例中；蓝牙模块采用的串口波特率是57600bps；微处理器的工作频率是22.1184MHz；蓝牙模块的工作电压是3.3V，这需要一个5V到3.3V的电压转换电路；图中芯片没有标明电源引线的都是提供5V电压。

本发明中现场级蓝牙通信接入装置的实施例如图18、19所示，主要组成部分包括微处理器、Flash存储器、蓝牙模块、射频天线、RS232接口模块和电源模块。

在本现场级蓝牙通信接入装置实施例中：蓝牙模块采用的串口波特率是57600bps；微处理器的工作频率是22.1184MHz；蓝牙模块的工作电压是3.3V，这需要一个5V到3.3V的电压转换电路；图中芯片没有标明电源引线的都是提供5V电压。

本发明具有的以下特点：自动化系统的环境适应性强；数据传输实时性好、可靠性高；兼容性好，使用方便，可直接与传感器、执行器、变送器等现场设备连接；系统稳定，抗干扰能力强；功耗低，环保性好；系统集成度高，提供了蓝牙和以太网两种通信方式，集成有A/D转换和D/A转换两种转换模块，实现了数据采集、对象控制等多功能；现场设备可灵活、方便、快速、自动地组建自动化网络控制系统；现场设备应用灵活、可移动性强；模块或装置小巧，轻便，机械特性较高等优点。

Claims (2)

1、一种对现场的设备进行无线或和有线混合数据通信的自动化网络通信控制方法，方法包括以下步骤：

(1)设立包括微处理、蓝牙模块、D/A转换模块、A/D转换模块及以太网控制器模块的现场级蓝牙控制器；或设立包括微处理器、蓝牙模块、以太网控制器模块的现场级蓝牙接入装置；设立包括微处理器、蓝牙模块、射频天线和提供RS232、RS485、USB三种接口模块供选择的接口模块的现场级蓝牙通信模块；

(2)由现场级蓝牙控制器通过有线接口直接与现场设备或其它现场级蓝牙控制器进行有线连接，或通过现场蓝牙控制器的蓝牙无线连接带有蓝牙通信模块的现场设备，或通过现场级蓝牙接入装置的蓝牙无线连接带有蓝牙通信模块的现场设备，实现数据采集及交换的网络自动控制；或通过现场级蓝牙接入装置或现场蓝牙控制器自身的以太网口与有线控制网络进行数据通信；

(3)现场级蓝牙通信模块嵌入或外挂到现场智能设备上而构成现场级蓝牙设备，现场级蓝牙设备通过蓝牙自动实现现场智能设备之间、现场智能设备与现场级蓝牙接入装置或现场级蓝牙控制器之间的数据通信，并通过现场级蓝牙接入装置或现场级蓝牙控制器通过有线接口实现与有线控制网络的数据通信；

(4)在蓝牙通信协议与以太网通信协议的应用层引用了优先级技术、优先权转换技术及套接字映射技术解决现场控制中的通信实时性问题；其中套接字映射接口提供实时控制应用服务与用户数据报协议UDP或传输控制协议TCP/因特网协议IP之间的映射方法；所述应用层增加了应用层服务和套接字映射接口对象两个部分，其中应用层服务包括为用户应用进程间的数据通信提供的接口的实时和非实时服务，而套接字映射接口则是应用层服务与用户数据报协议UDP或传输控制协议TCP层的接口；

在发送端：用户应用进程在调用应用层服务时，提供所有服务所需要的参数，然后由应用层服务将数据经过编码后，传给套接字映射接口，调用用户数据报协议UDP或传输控制协议TCP的数据传输服务把数据发送出去；

在接收端：应用层套接字映射接口收到来自通信端口的数据后，上传给应用层服务，由应用层服务根据服务报文中的目的应用进程标识ID，而将接收到的数据传送到用户层中相应的用户应用进程，由用户应用进程对相应的参量进行更新和进一步的处理；

采用最低优级通过优先权转换技术来避免优先权比较低的数据包被无限制地被推迟发送；

(5)、对现场级蓝牙设备进行现场适应性调整：包括采用79跳的跳频通信、功率控制技术和采用1/3比例前向纠错编码技术增强抗于扰能力、提高可靠性和容错性、减少能耗、自动纠正错误和避免重发延迟；并采用金属壳体屏蔽措施避免或减少现场环境对设备中元器件的干扰影响。

2、一种基于蓝牙技术的自动化网络通信控制系统，系统包括：

现场级蓝牙控制器：包括微处理器、蓝牙模块、数模(D/A)转换模块、模数(A/D)转换模块、液晶显示模块、Flash存储器以及以太网控制器模块，其中：蓝牙模块、数模(D/A)转换模块、模数(A/D)转换模块、液晶显示模块以及以太网控制器模块通过其接口电路分别与微处理器的串行通信接口连接；

所述现场级蓝牙通信模块：包括微处理器、Flash存储器、蓝牙模块、射频天线、电源模块和提供RS232、RS485、USB三种接口模块供选择的接口模块；其中：蓝牙模块和接口模块分别通过其接口电路与微处理器的串行通信接口连接；

所述现场级蓝牙接入装置：包括微处理器、Flash存储器、蓝牙模块、以太网控制器模块、液晶显示模块、射频天线和电源模块，其中：蓝牙模块、Flash存储器、液晶显示模块和以太网控制器模块分别通过其接口电路与微处理器的串行通信接口连接；

现场级蓝牙通信模块通过蓝牙自动实现现场级蓝牙通信模块之间、现场级蓝牙通信模块与现场级蓝牙接入装置或现场级蓝牙控制器之间的数据通信，构成无线通信自动化控制网络系统，并通过现场级蓝牙接入装置或现场级蓝牙控制器通过有线接口实现与有线控制网络的数据通信，构成无线/有线混合通信自动化控制网络系统。

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