基于Zigbee 的機(jī)器人無線通信系統(tǒng)

董立巖，郭艷年，李永麗，辛?xí)匀A

(1.吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春130012;2.東北師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春130117)

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，監(jiān)測(cè)與智能控制是提高生產(chǎn)效率的有效方法之一，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)能增加監(jiān)測(cè)與控制的效率和準(zhǔn)確度。機(jī)器人的誕生提高了工作效率，但機(jī)器人之間進(jìn)行信號(hào)傳遞成為一個(gè)難題，這需要機(jī)器人具有感知能力和無線通信的能力。機(jī)器人之間在外部通信的方式上，無線通信技術(shù)成為較為理想的選擇，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅能實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)部的信號(hào)傳遞，還可以通過互聯(lián)網(wǎng)將機(jī)器人連接起來，組建成為一個(gè)覆蓋面更廣、信號(hào)傳遞更快的遠(yuǎn)程控制模式。Zigbee技術(shù)是一種比較成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它能實(shí)現(xiàn)短距離的信息傳遞，且具有低功耗，信號(hào)頻段多，節(jié)點(diǎn)利用率高，成本低的特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中起到了舉足輕重的作用。因此，把此項(xiàng)技術(shù)利用到機(jī)器人當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人之間的無線通信功能，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的機(jī)器人采集的信號(hào)更快更準(zhǔn)確地傳遞給操作人員［1］。筆者利用Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人之間的無線通信，并且改善了機(jī)器人之間無線通信系統(tǒng)的傳輸問題，提高了傳輸效率。

1 方法和方案

1.1 框架設(shè)計(jì)

首先，在機(jī)器人中安裝相應(yīng)的傳感器，并且與Zigbee模塊相連接，設(shè)置MAC(Media Access Control)物理地址，使每個(gè)機(jī)器人都有自己的地址;其次，與路由器相連，機(jī)器人通過傳感器采集到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，通過Zigbee模塊將信號(hào)傳遞給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將信號(hào)傳遞給終端，并且顯示數(shù)值;最后，利用MAC地址，通過路由器將每個(gè)機(jī)器人連接到互聯(lián)網(wǎng)中。其中每個(gè)機(jī)器人相當(dāng)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這組成了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系下的網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)部的無線通信，在互聯(lián)網(wǎng)下，也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的智能控制，操作人員只需在有網(wǎng)絡(luò)的情況下就可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，而且當(dāng)操作人員將控制信號(hào)傳遞給機(jī)器人后，機(jī)器人就可以做出相應(yīng)的操作。如:在廠房中，即便是在無人的狀態(tài)下，調(diào)度室也可以通過機(jī)器人傳遞的信息，監(jiān)測(cè)廠房狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，可以做出最快的處理辦法。機(jī)器人也可以做出判斷，進(jìn)行異常處理，使其恢復(fù)正常工作。在此過程中，利用無線操作，避免了活動(dòng)范圍小，傳遞速度慢的問題。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)越多，實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)范圍越廣，靈活性越高，此外，無線操作還減少了有線情況下電纜的使用數(shù)量。網(wǎng)絡(luò)框架示意圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)框架示意圖Fig.1 Schematic network framework

1.2 基本實(shí)現(xiàn)步驟

1)解決Zigbee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在局域網(wǎng)內(nèi)部形成信號(hào)傳遞的網(wǎng)絡(luò)。

2)控制器采集信號(hào)，識(shí)別信號(hào)。

3)控制器通過采集的信號(hào)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。

4)將控制器、被控對(duì)象鏈接到互聯(lián)網(wǎng)。

5)控制器將采集的信號(hào)通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞給個(gè)人用戶，個(gè)人用戶通過互聯(lián)網(wǎng)將控制指令傳遞給被控對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的控制。

6)每個(gè)機(jī)器人相當(dāng)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間也能進(jìn)行信號(hào)傳遞。因此，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的信號(hào)可以傳遞給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，下一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以通過傳遞的信息做出相應(yīng)判斷，做出合理操作。如:在工業(yè)生產(chǎn)中，如果機(jī)器人采集的信息有異常，傳遞給控制端機(jī)器人，控制端通過判斷，進(jìn)行處理。所以，在無人情況下，可以安全地進(jìn)行生產(chǎn)，既節(jié)省了人力，又提高了生產(chǎn)的效率，減少了企業(yè)的開銷。

2 Zigbee技術(shù)應(yīng)用

2.1 Zigbee協(xié)議棧分析

Zigbee是無線傳遞的一種方法，主要部分是協(xié)議棧的分析。協(xié)議棧主要包括:Zigbee應(yīng)用層，Zigbee網(wǎng)絡(luò)層，IEEE 802.15.4MAC層和IEEE 802.15.4PHY層。相比于常見無線通信標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee協(xié)議套件相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)要求較低，需要8位處理器，如80C51;軟件需要32 kByte的ROM，CC2430等。信道問題，因?yàn)闀?huì)與WiFi、藍(lán)牙等無線設(shè)備出現(xiàn)信號(hào)重疊的問題，通過實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用16、20信道可以避免以上問題，但需要在無微波爐的環(huán)境中使用。協(xié)議?？蚣軋D如圖2所示。

圖2 協(xié)議棧框架圖Fig.2 Protocol stack frame chart

協(xié)議棧主要有應(yīng)用層(APL:Application Layer)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK:Network Layer)、媒體訪問控制層(MAC)和物理層(PHY:Physical Layer)。其中MAC與PHY由IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義(見表1)，其主要特點(diǎn)是用于個(gè)人局域網(wǎng)，支持簡(jiǎn)單器件，同時(shí)具有安全性質(zhì)，防止攻擊者在通信雙方交換密鑰時(shí)通過竊聽截取對(duì)稱密鑰。為了防止這種攻擊，可以采用公鑰加密［2］。

表1 IEEE802.15.4主要特點(diǎn)Tab.1 The main features of IEEE802.15.4

2.2 Zigbee協(xié)議棧信道分析

無限信道的分配中，IEEE802.15.4規(guī)范的物理層定義了3個(gè)載波頻段用于收發(fā)數(shù)據(jù):868～868.6 MHz、902～928 MHz和2 400～2 483.5 MHz［3］。在這3個(gè)頻段上發(fā)送當(dāng)前使用頻率的速率、信號(hào)處理和調(diào)制方式等幾個(gè)方面都存在差異，IEEE802.15.4規(guī)范設(shè)定了27個(gè)物理信道，這些信道的編號(hào)從0～26，每個(gè)編號(hào)的信道都對(duì)應(yīng)著其相應(yīng)的中心頻率，這27個(gè)物理信道分別覆蓋了前面提到的3個(gè)頻段，而對(duì)于不同的頻段其相對(duì)應(yīng)的頻段寬度是不同的，這個(gè)信道的中心頻率定義如下

3 Zigbee網(wǎng)絡(luò)的組件

3.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)組成部分

Zigbee網(wǎng)絡(luò)的自組織和自愈的能力比較強(qiáng)。首先是自組織的功能。它不需要人為干預(yù)，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就可以感覺到其他節(jié)點(diǎn)是否存在，同時(shí)確定他們之間的連接關(guān)系，從而將它們組成一個(gè)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)。其次為自愈的功能。它可以增加或刪除某個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的位置變化及其監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)都可以進(jìn)行自我修復(fù)，同時(shí)能相應(yīng)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不需要人為干預(yù)，從而保障整個(gè)系統(tǒng)可以繼續(xù)正常的工作［4］。

在Zigbee的網(wǎng)絡(luò)中，可以支持全功能以及精簡(jiǎn)功能這兩種類型設(shè)備。

1)全功能物理設(shè)備。這種設(shè)備支持所有拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)，它能成為網(wǎng)絡(luò)的一種協(xié)調(diào)器，可以與任意設(shè)備進(jìn)行通信。

2)精簡(jiǎn)功能物理設(shè)備。這種設(shè)備只可以與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，而不可以成為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，所以實(shí)現(xiàn)特別簡(jiǎn)單。Zigbee的網(wǎng)絡(luò)至少需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并且它是全功能的物理設(shè)備，用來存儲(chǔ)一些基本的信息，例如節(jié)點(diǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)表，還有設(shè)備的關(guān)聯(lián)表等。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的功能是:建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，用來傳輸網(wǎng)絡(luò)的信標(biāo)和管理網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，把網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息存儲(chǔ)起來并將節(jié)點(diǎn)之間的路由信息都關(guān)聯(lián)起來。終端的設(shè)備使用精簡(jiǎn)的設(shè)備，這樣可以降低系統(tǒng)的成本。

3.2 Zigbee拓?fù)浞诸?/h3>

Zigbee協(xié)議可以支持很多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所以可以依據(jù)每種應(yīng)用方案相應(yīng)地選擇比較合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的分類:網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，它包含了網(wǎng)絡(luò)中的一切消息，也是以上3種物理設(shè)備中最為復(fù)雜的一類，它具有存儲(chǔ)量最大且計(jì)算能力最強(qiáng)的特點(diǎn)［5］。其主要功能是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)的信標(biāo)，同時(shí)建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，并且管理這些網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)以及將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息儲(chǔ)存起來，不停地接收各種信息。全功能設(shè)備能作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)者，構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，允許其他精簡(jiǎn)功能裝置進(jìn)行連結(jié)，其中精簡(jiǎn)功能裝置具有控制器的功能，它能傳遞信息進(jìn)行雙向傳輸，同時(shí)它還有以下特征:

1)帶有標(biāo)準(zhǔn)指定的802.15.4的所有功能及其特征;

2)有較多的存儲(chǔ)器，并且其計(jì)算的能力能使其在空閑時(shí)起到網(wǎng)絡(luò)路由器的作用;

3)也可以作為終端的設(shè)備。

精簡(jiǎn)功能設(shè)備只可以給FFD(Full Functional Device)傳送信息或從FFD接收信息［6］。同時(shí)它還有以下的特征。

1)帶有一定的功能，可以限制成本及其復(fù)雜性。

2)在網(wǎng)絡(luò)中一般被當(dāng)作終端的設(shè)備。

3)Bee這種簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)使費(fèi)用大大節(jié)省。RFD(Reduced Function Device)因?yàn)楣?jié)省了內(nèi)存和其他的一些電路，從而使'Zigbee中部件所用的成本降低，同時(shí)簡(jiǎn)單的8位處理器以也可以使成本降低。地址的分配模式中所有Zigbee的設(shè)備都會(huì)有一個(gè)64位的網(wǎng)絡(luò)地址，這個(gè)地址是全球唯一的，在子網(wǎng)的內(nèi)部，它可以分配出來一個(gè)16位的地址，把它當(dāng)作網(wǎng)內(nèi)通信的地址，從而使數(shù)據(jù)報(bào)大大減小［7］。

地址的模式一般有如下兩種。

1)星型拓?fù)?網(wǎng)絡(luò)號(hào)+設(shè)備的標(biāo)識(shí)。

2)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)?直接的使用源/目的地址。其地址的分配模式?jīng)Q定了一個(gè)Zigbee的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器能支持超過64 000個(gè)物理設(shè)備，并且多個(gè)協(xié)調(diào)器能互相連接，從而構(gòu)成更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。

4 協(xié)調(diào)器建設(shè)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器的作用很大，在信號(hào)的接收與發(fā)送的過程中，協(xié)調(diào)器的作用至關(guān)重要。建設(shè)一個(gè)好的協(xié)調(diào)器，需要很多注意，其中可升級(jí)性質(zhì)很關(guān)鍵，目前Zigbee技術(shù)發(fā)展速度很快，協(xié)調(diào)器在以后中的升級(jí)很重要［8］。在網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備類型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備類型Fig.3 Each network device type

5 結(jié)語(yǔ)

筆者利用Zigbee技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人之間的無線通信，還實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人與用戶間實(shí)時(shí)交互的功能。筆者采用了通信系統(tǒng)架構(gòu)，保證了機(jī)器人之間進(jìn)行穩(wěn)定可靠的無線通信，并且做到了實(shí)時(shí)通信，實(shí)時(shí)控制，形成了一種機(jī)器人之間的語(yǔ)言，讓他們之間進(jìn)行交流，并且實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人與人之間的通信。在電力行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用，提高和改善了機(jī)器人間的信號(hào)傳遞問題，提高了工作效率。

［1］吳宏途，嚴(yán)閃.網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2003，20(3):20-21.WU Hongtu，YAN Shan.The Design and Realization of Tele-control System on Network Robot［J］.Application Research of Computers，2003，20(3):20-21.

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