工业无线新选择：低功耗蓝牙技术（BLE）

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作者 | CEChina

当您想到蓝牙时，它可能更多的是将耳机连接到智能手机、笔记本电脑或立体声放大器。但是，随着蓝牙低功耗（BLE）的发展，蓝牙在工业设备通信中的潜力变得越来越大。

工业中的无线通信并不是什么新鲜事。迄今为止，工业无线的大多数应用都涉及 Wi-Fi 或 NFC（近场通信）。但是，人们对使用蓝牙进行工业无线通信的兴趣越来越大，相关调查显示，目前约有 7% 的工业公司报告正在使用蓝牙。

与 NFC 相比，蓝牙越来越受到关注的原因之一是，尽管它们都使用无线技术来交换数据，但 NFC 设备一次只能连接到另一个设备，而蓝牙一次可以支持多达7个设备的连接。此外，NFC 使用电磁无线电场来连接设备——这在经常存在电磁干扰（EMI）问题的工业环境中可能会带来麻烦——而蓝牙直接使用无线电传输。

HMS 战略客户经理 Mark Trautman 指出，蓝牙在工业中的最初应用与难以触及的传感器有关，这些传感器难以或无法进行直接电缆连接。蓝牙的网状网络拓扑是蓝牙在此领域适用的主要原因之一。该技术还支持星形拓扑应用。此外，由于大多数人每天都使用蓝牙，因此这是一项熟悉的技术，在互联员工应用中具有很大的潜力。

蓝牙如何支持工业通信？

HMS 业务经理 Zach Farmer 指出，蓝牙低功耗（BLE）5.0版本支持高达 2 Mbps 的数据传输，而 2024 年 9 月发布的6.0版本在 2 MHz 频段下支持高达 3 Mbps 的数据传输。尽管蓝牙组织仍支持经典蓝牙技术，但当前的研发重点已转向 BLE。顾名思义，与传统蓝牙相比，BLE 的功耗要低得多。

虽然蓝牙数据包不如可以通过 Wi-Fi 以太网传输的数据包大，但它们确实有足够的容量来提供 EtherNet/IP 和 DeviceNet 使用的大多数小型设备 CIP（通用工业协议）通信。

在谈到蓝牙在工业应用中的可靠性时，Farmer 提到了该技术的跳频和移频。当一台蓝牙设备尝试与另一台设备建立连接时，它们会交换信息。蓝牙设备还会扫描周边区域以了解网络噪声水平，并避开噪声过大的频道。若因某种原因设备最初无法交互，蓝牙设备会跳频搜索频段内的可用频道以建立通信。自 6.0 版本发布以来，现在有 3 个广播频道用于 BLE 配对和信息传递，其余 37 个频道可在需要时作为辅助广播频道使用。

蓝牙的安全性

当然，安全性是任何无线技术都高度关注的问题，蓝牙也不例外。BLE 通过在连接过程中发送随机化 MAC 地址来解决这一问题。“系统使用识别解析密钥来确认 MAC 地址，”Farmer说道，“通信频道也会进行加密以防止数据嗅探。因此，除非你是已建立连接的频道参与者，否则无法访问通信内容。”

蓝牙设备需要处于广播模式才能添加到网络中。由于设备并非始终处于广播状态以寻找可添加的新设备，因此需要明确请求执行此操作，这意味着参与连接的设备清楚彼此身份，且不存在第三方设备试图接入并复制连接的风险。

蓝牙的工业应用

罗克韦尔自动化的系统架构师兼首席工程师 Todd Wiese 解释说：“任何能够使用广播接入点的传感器都可以扫描本地蓝牙设备，并将它们感应到的值报告给该设备。”

设备还可使用蓝牙 5.4 版本中开发的 PAWR（带响应的周期性广播）功能。这为网络提供了时间片调度机制，使你能够请求设备组 ID，然后既可以隐式请求数据当前值（类似非周期性连接的做法），也可以通过命令对类实例属性进行编码请求，使设备能够将数据作为该事件的响应返回。

在此机制中，主设备发送与标识特定设备的组 ID 相关的广播，并生成子事件。子事件包含该组中的每台设备，使其能够在特定时间帧内响应。根据应用需求，响应时间可短至 5 或 10 毫秒，也可长达 1 秒。

Wiese列举了两个示例，包括电池供电的以太网供电（PoE）设备，和使用智能手机与设备交互。

对于 PoE 设备，蓝牙可用于监控其用电情况，以估算剩余的电池寿命。在这类应用中，您可以 “根据自己的管理方式，放宽查询设备所需的时间”，Wiese 说，“当然，这些通信仍然需要一定程度的管理，就像 ControlNet 所做的那样，你必须对事情进行安排，以确保它们符合广播的周期间隔，但我们有能力做到这一点。”

以智能手机与设备的交互为例，Wiese解释了如何使用蓝牙来配置设备。“在这里，我们在通常用于以太网的封装层之上使用 CIP 应用协议。但我们仍然使用 TLS 从智能手机安全地传输信息，因此，基本上，我们所做的就是去掉较低的层——IP 层及以下层——并使用 TLS 来创建安全上下文，从获取信息的地方一直到与之通信的设备。我们可以直接连接到设备，或者通过网关将智能手机的通信路由到以太网网络上其他设备的端点，并建立安全上下文。”这种方法使用 TLS 将信息封装成一个核心包，并将信息安全地传送到各个设备。

关键概念：

■ 蓝牙的网状网络拓扑是其在工业领域适用的主要原因之一。

■ 安全性是任何无线技术都高度关注的问题，蓝牙也不例外。

思考一下：

在工业设备中使用蓝牙时需要注意哪些因素？

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▲本文来自于控制工程中文版杂志（CONTROL ENGINEERING China）2025年05月刊《技术文章》栏目：用于工业设备通信的蓝牙