基于802.15.4協(xié)議的多機(jī)器人無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

臧申俊

0 引言

RoboNet的軟件系統(tǒng)采用的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

RoboNet系統(tǒng)硬件采用了Chipcon公司（現(xiàn)已被TI公司收購(gòu)）的CC2430[1]方案。RoboNet的使用者（機(jī)器人系統(tǒng)[2][3]）通過串口向交互層發(fā)送命令，交互層解析命令如果是要發(fā)送數(shù)據(jù)則傳給網(wǎng)絡(luò)層，如果是設(shè)置或查詢系統(tǒng)參數(shù)，則CC2430單片機(jī)直接做相應(yīng)處理。網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是為交互層傳來的數(shù)據(jù)選擇合適的路由并加上網(wǎng)絡(luò)頭，然后將數(shù)據(jù)包傳給介質(zhì)訪問控制層（Medium Access Control）MAC層。在MAC層，系統(tǒng)按照地址格式添加頭部，并調(diào)用物理層進(jìn)行發(fā)送。物理層直接調(diào)用硬件的射頻模塊，把數(shù)據(jù)調(diào)制成無(wú)線電波發(fā)送出去。在另一個(gè)方向，系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)沿著相反的方向，從物理層到MAC層再到網(wǎng)絡(luò)層，最后到交互層傳給使用者機(jī)器人系統(tǒng)。

1 物理層和MAC層

1.1 RoboNet物理層設(shè)計(jì)

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的物理層幀格式[4]如圖2所示。物理幀第一個(gè)字段是4個(gè)字節(jié)的前導(dǎo)碼，用來進(jìn)行幀同步。幀起始分隔符（Start-of-Frame Delimiter，SFD）字段長(zhǎng)度為一個(gè)字節(jié)，其值固定為0xA7，標(biāo)識(shí)一個(gè)物理幀的開始。幀長(zhǎng)度（frame length）由一個(gè)字節(jié)的低7位表示，其值就是物理幀負(fù)載的長(zhǎng)度，因此物理幀負(fù)載的長(zhǎng)度不能超過127個(gè)字節(jié)。物理幀的負(fù)載長(zhǎng)度可變，稱之為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PHY Service Data Unit，PSDU），用來承載MAC幀（5個(gè)字節(jié)的確認(rèn)幀和8到127字節(jié)變長(zhǎng)的其它幀）。

圖2 802.15.4協(xié)議物理層幀格式

物理層的主體是有限狀態(tài)機(jī)phy_FSM（），如圖3所示。RoboNet系統(tǒng)初始化物理層狀態(tài)為空閉狀態(tài)IDLE。當(dāng)MAC層想要發(fā)送數(shù)據(jù)并且物理層狀態(tài)為IDLE時(shí)，上層需要先把物理層相關(guān)參數(shù)設(shè)置好，然后把物理層狀態(tài)切換為TXDATA。如果物理層的射頻協(xié)處理器已經(jīng)收到數(shù)據(jù)，并開始發(fā)送數(shù)據(jù)，則把物理層切換到TXWAIT狀態(tài)。否則把物理層狀態(tài)切換到IDLE，結(jié)束此次發(fā)送

圖3 物理層狀態(tài)機(jī)

1.2 MAC層設(shè)計(jì)

對(duì)于RoboNet應(yīng)用的多機(jī)器人系統(tǒng)來說，由于機(jī)器人節(jié)點(diǎn)之間是互相平等的，關(guān)聯(lián)機(jī)制和信標(biāo)機(jī)制起不到有效的作用，因而在RoboNet系統(tǒng)中，只使用了數(shù)據(jù)幀和確認(rèn)幀。MAC層幀格式[4]如圖4所示。

圖4 RoboNet使用的MAC層幀格式

MAC層的主要邏輯是mac_FSM（）函數(shù)。MAC層先調(diào)用下層狀態(tài)機(jī)phy_FSM（）使其保持運(yùn)轉(zhuǎn)，然后檢查本層是否正在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果是則等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，最后進(jìn)入MAC層的狀態(tài)機(jī)，其狀態(tài)切換如圖5所示。

圖5 RoboNet MAC層狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

2 網(wǎng)絡(luò)層和串口交互層

RoboNet屬于多跳無(wú)線自組網(wǎng)，無(wú)線自組網(wǎng)起源于軍事應(yīng)用，它是20世紀(jì)70年代美國(guó)國(guó)防部高等研究計(jì)劃局（Defence Advanced Research Projects Agency，DARPA）資助研究的在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下采用分組無(wú)線網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信（Packet Radio Net，PRNET）項(xiàng)目中產(chǎn)生的一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)[5]。

2.1 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)層的功能是為節(jié)點(diǎn)提供路由功能，是多跳移動(dòng)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的核心部分。AODV[6]和DSR[6]都是可用于移動(dòng)多機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)秀的路由協(xié)議。DSR雖然需要更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)頭來保存路徑，但它在高移動(dòng)性的場(chǎng)合下比AODV對(duì)發(fā)送包的開銷要小。RoboNet選擇DSR作為路由協(xié)議。

圖6 RoboNet網(wǎng)絡(luò)層頭部結(jié)構(gòu)

MAC層的負(fù)載（MPDU）包括網(wǎng)絡(luò)頭部和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載兩部分。其中網(wǎng)絡(luò)頭部為路由提供信息選項(xiàng)，其格式如圖6所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)頭部分類型

首先是一個(gè)字節(jié)的類型位，它表示這個(gè)包的類型，一共分四種：路由請(qǐng)求（ROUTE_REQ）、路由回復(fù)（ROUTE_REPLY）、路由錯(cuò)誤（ROUTE_ERROR）、路由數(shù)據(jù)（ROUTE_DATA），具體數(shù)值見表1。

第二個(gè)字節(jié)有兩個(gè)作用：在路由請(qǐng)求時(shí)，它表示這個(gè)請(qǐng)求的序列號(hào)，是為了避免對(duì)重復(fù)的請(qǐng)求進(jìn)行處理；在其它類型時(shí)，它表示跳數(shù)信息。第三、第四個(gè)字節(jié)是表示這個(gè)包的網(wǎng)絡(luò)層的目標(biāo)地址，以低有效字節(jié)順序存放。接下來第五個(gè)字節(jié)也是個(gè)復(fù)用類型的域：在數(shù)據(jù)是廣播時(shí)它表示這個(gè)廣播的標(biāo)識(shí)符，是為了避免對(duì)收到過的廣播重新發(fā)送；而在其它情況下，它表示收到的這個(gè)節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)。選項(xiàng)的最后是由常量MAX_ROUTE_LEN定義的16位地址數(shù)組，它表示了網(wǎng)絡(luò)層包的傳播路徑，是源路由協(xié)議的直接體現(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)層不再像物理層和MAC層一樣采用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)層既要處理包的發(fā)送，又要處理包的接收，使用狀態(tài)機(jī)會(huì)帶來巨大的復(fù)雜度，并且其并行效果也不會(huì)明顯。因此網(wǎng)絡(luò)層只提供了一個(gè)叫nwk_main（）的函數(shù)供上層不斷調(diào)用。它的流程如圖7所示，只做了兩件事：檢查是MAC層是否收到網(wǎng)絡(luò)包，并調(diào)用函數(shù)進(jìn)行處理；檢查發(fā)送隊(duì)列里是否有包在等待，并調(diào)用相應(yīng)函數(shù)進(jìn)行處理。這是種串行處理方式，由于MAC層接收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送隊(duì)列里的數(shù)據(jù)都采用了數(shù)組來緩沖，只要它們的隊(duì)列不溢出，就不會(huì)對(duì)協(xié)議棧的性能造成影響。

圖7 nwk_main流程圖

圖8 網(wǎng)絡(luò)層待發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

在RoboNet系統(tǒng)中，本節(jié)點(diǎn)要發(fā)送的數(shù)據(jù)都存放在一個(gè)叫nwk_send_queue的緩沖區(qū)里。它是一個(gè)先進(jìn)先出循環(huán)隊(duì)列，如圖8所示。q_tail是最先存進(jìn)來的緩沖區(qū)項(xiàng)的索引，q_tail是下一個(gè)空閑的緩沖區(qū)項(xiàng)的索引，當(dāng)上一層有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)會(huì)往這個(gè)索引指向的地方存。另外還有兩個(gè)布爾變量q_full和q_empty來表示發(fā)送緩沖區(qū)是否為空和是否為滿。

當(dāng)收到路由請(qǐng)求包時(shí)整個(gè)流程如圖9所示。首先檢查之前是否已經(jīng)收到過這個(gè)請(qǐng)求包，如果收到過那就沒有必要再進(jìn)行處理了。然后判斷這個(gè)請(qǐng)求的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是否是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。如果是，則這個(gè)請(qǐng)求到達(dá)了終點(diǎn)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)需要返回一個(gè)路由回復(fù)。路由的回復(fù)直接在收到的路由請(qǐng)求的網(wǎng)絡(luò)頭部里改，不需要再重新分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)頭，即方便又節(jié)約了空間。最后一種情況是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)既不是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，也沒有到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由。這時(shí)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)路由請(qǐng)求。

路由回復(fù)發(fā)往發(fā)起路由請(qǐng)求的那個(gè)節(jié)點(diǎn)，中間節(jié)點(diǎn)收到路由回復(fù)包首先判斷自身是否為源節(jié)點(diǎn)，如果是則通過路由回復(fù)包中的地址信息更新自身的路由緩存，并不再轉(zhuǎn)發(fā)路由回復(fù)包。如果自身不是源節(jié)點(diǎn)則在更新完自身緩存后還要繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)路由回復(fù)包。

路由錯(cuò)誤包的目的是節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)原有路徑不可達(dá)時(shí)，向數(shù)據(jù)發(fā)起節(jié)點(diǎn)報(bào)告路由失效。網(wǎng)絡(luò)層對(duì)收到路由錯(cuò)誤包的處理和收到路由回復(fù)包的處理十分類似，首先判斷接收到路由錯(cuò)誤包的節(jié)點(diǎn)是否為源節(jié)點(diǎn)，如果是則根據(jù)路由錯(cuò)誤包中的信息刪除自身緩存中已經(jīng)失效的路由，并不再轉(zhuǎn)發(fā)該路由錯(cuò)誤包。如果自身不是源節(jié)點(diǎn)則在刪除完自身緩存中無(wú)效的路由信息后還要繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)路由錯(cuò)誤包。

數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送是通信的目的所在，整個(gè)流程如圖10所示。首先對(duì)于廣播的數(shù)據(jù)包需要特殊處理，先判斷是否需要丟棄。如果存在下列三種情況之一：一本節(jié)點(diǎn)已收到過該廣播數(shù)據(jù)包；二該廣播數(shù)據(jù)包是自身發(fā)出的；三該廣播數(shù)據(jù)包的生存時(shí)間為零，則丟棄該廣播數(shù)據(jù)包。否則繼續(xù)廣播該數(shù)據(jù)包。如果收到的不是廣播數(shù)據(jù)包，則判斷這個(gè)包的目標(biāo)地址是不是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。對(duì)于目標(biāo)地址是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，只需向上層遞交這個(gè)數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)層源地址和網(wǎng)絡(luò)層負(fù)載即可返回。對(duì)于目標(biāo)地址不是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包需要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這時(shí)還需要檢查發(fā)送是否成功。如果成功就可以結(jié)束處理并返回。如果MAC層發(fā)送失敗，表示這個(gè)數(shù)據(jù)包路徑信息中對(duì)于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的下一跳不可達(dá)，此時(shí)要更新當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的失效路由信息。

圖9 對(duì)收到路由請(qǐng)求包的處理流程圖

圖10 對(duì)收到數(shù)據(jù)包的處理流程

2.2 交互層設(shè)計(jì)

交互層位于網(wǎng)絡(luò)層之上，是RoboNet系統(tǒng)的最頂層。它負(fù)責(zé)把網(wǎng)絡(luò)層接收到的數(shù)據(jù)，按照約定格式組裝成數(shù)據(jù)幀通過串口發(fā)送出去，同時(shí)又對(duì)從串口進(jìn)來的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析處理，如果是要發(fā)送數(shù)據(jù)，則把數(shù)據(jù)和目標(biāo)地址提取出來，放到網(wǎng)絡(luò)層的發(fā)送緩沖區(qū)中。

交互層對(duì)串口進(jìn)行接收和發(fā)送的幀都按照?qǐng)D11所示的格式進(jìn)行處理。第一個(gè)字節(jié)是幀界限符，用于表示一個(gè)幀的開始，值為十六進(jìn)制0X7E。第二個(gè)字節(jié)標(biāo)識(shí)長(zhǎng)度，是類型相關(guān)數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度，規(guī)定最大長(zhǎng)度為106字節(jié)。第三個(gè)字段是類型相關(guān)數(shù)據(jù)，長(zhǎng)度并不固定。最后一個(gè)字節(jié)是校驗(yàn)字節(jié)，用來簡(jiǎn)單地校驗(yàn)數(shù)據(jù)在串口收發(fā)過程中有沒出錯(cuò)。校驗(yàn)和（checksum）的計(jì)算方法如下：把類型相關(guān)數(shù)據(jù)字段中的每個(gè)字節(jié)加起來，然后對(duì)0XFF取反。校驗(yàn)和的校驗(yàn)方法如下：把類型相關(guān)數(shù)據(jù)中的每個(gè)字節(jié)加起來，再加上校驗(yàn)和，如果值為0XFF則數(shù)據(jù)包正確。

圖11 串口幀通用格式

RoboNet系統(tǒng)一共有兩大類型幀：第一類是用于通信的數(shù)據(jù)相關(guān)幀，如圖12所示；第二類是用于設(shè)置、查詢、返回參數(shù)用的命令相關(guān)幀，如圖13所示。它們由類型相關(guān)數(shù)據(jù)中的第一個(gè)字節(jié)來區(qū)分，具體取值如表2所示。

圖12 數(shù)據(jù)相關(guān)幀的格式

表2 串口幀的不同類型

對(duì)于發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的幀，其數(shù)據(jù)部分的前兩個(gè)字節(jié)用來標(biāo)識(shí)地址，低有效字節(jié)優(yōu)先。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，地址域是目標(biāo)地址；接收數(shù)據(jù)時(shí)，地址域是網(wǎng)絡(luò)層源地址。

圖13 參數(shù)相關(guān)幀的格式

第一個(gè)字節(jié)表示命令的類型，為表3-2中的設(shè)置參數(shù)、查詢參數(shù)和返回參數(shù)三者之一。第二個(gè)字節(jié)指示了要操作的參數(shù)類型。第三、四字節(jié)是參數(shù)值，以低有效字節(jié)優(yōu)先順序存放。對(duì)于獲取參數(shù)的幀來說，參數(shù)值還未知，這兩字節(jié)無(wú)意義，可用任意數(shù)值填充。對(duì)于參數(shù)值只有一位的情況，比如射頻發(fā)射功率，此時(shí)值的高有效位無(wú)意義，可用任意數(shù)值填充。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

本節(jié)對(duì)RoboNet系統(tǒng)的性能做了測(cè)試，測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)采用了分組遞交率。測(cè)試時(shí)使用的四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖14所示。其中（a）表示A節(jié)點(diǎn)和B節(jié)點(diǎn)在彼此通信距離之內(nèi)；（b）表示A節(jié)點(diǎn)和B節(jié)點(diǎn)彼此在通信距離之內(nèi)，B節(jié)點(diǎn)和C節(jié)點(diǎn)在彼此通信距離之內(nèi)，但A節(jié)點(diǎn)和C節(jié)點(diǎn)不能直接通信；（c）類似（a）和（b）；（d）表示A節(jié)點(diǎn)、B節(jié)點(diǎn)、C節(jié)點(diǎn)和D節(jié)點(diǎn)彼此之間都可以直接通信。在以下的測(cè)試中，單跳通信使用（a）所示的拓?fù)洌瑑商ㄐ攀褂茫╞）所示拓?fù)?，由A節(jié)點(diǎn)向C節(jié)點(diǎn)發(fā)送，三跳通信使用（c）所示的拓?fù)?，由A節(jié)點(diǎn)向D節(jié)點(diǎn)發(fā)送。

圖14 測(cè)試時(shí)用的四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（1）不同跳數(shù)對(duì)單播通信遞交率的影響

圖15所示的是在9600bps波特率的情況下，不同跳數(shù)對(duì)單播通信遞交率的影響。我們可以看到單跳通信和兩跳通信都達(dá)到了95%以上的遞交率，而三跳通信在負(fù)載為20字節(jié)的情況下遞交率比較低，只有65%。但是隨著負(fù)載的增加到40字節(jié)后，三跳通信的遞交率也達(dá)到了95%以上。

圖15 不同跳數(shù)對(duì)單播通信遞交率的影響

圖16 不同發(fā)送間隔對(duì)廣播通信遞交率的影響

（2）不同發(fā)送間隔對(duì)廣播通信遞交率的影響（三跳）

圖16所示的是三種發(fā)送間隔下的三跳廣播通信的遞交率，大的延時(shí)能提高遞交率。而負(fù)載越大時(shí)需要的延時(shí)也越大，從而能減少網(wǎng)絡(luò)中包的沖突，減低丟包率。在頻繁需要廣播通信的機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)里發(fā)送廣播時(shí)這是需要注意的。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了的RoboNet通信系統(tǒng)，為多機(jī)器人之間的通信提供了無(wú)線多跳自組織網(wǎng)絡(luò)的通信方式，包括了單播通信和廣播通信。它不需要基礎(chǔ)設(shè)施如基站，就可以在任何地點(diǎn)臨時(shí)組網(wǎng)通信，并且網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都是無(wú)差異的，不存在主次節(jié)點(diǎn)。在節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，可以由冗余的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)其工作，具有自愈性、抗毀性、高健壯性等特點(diǎn)。該系統(tǒng)目前只是在少量節(jié)點(diǎn)上做實(shí)驗(yàn)，未來的工作將在大規(guī)模節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并測(cè)試其性能。

[1]Texas Instruments.CC2430 Data Sheet.Texas Instrument.Dallas，TX.2006.

[2]鄒磊，蔡自興，任孝平.基于簇的多移動(dòng)機(jī)器人通信系統(tǒng).[J]計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究.2009，26（8）:3109-3111.

[3]Bergbreiter S，Mehta A，Pister K.etc.PhotoBeacon:Design of an Optical System for Localization and Communication in Multi-Robot Systems.In Proceedings of the International Conference on Robot Communication and Coordination.Athens，Greece，Oct.2007:（30-37）.

[4]The Institute of Electrical and Electronics Engineers.IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks，part 15.4，Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks（LR-WPANs）.IEEE Press.2003.

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