關於機器人通信系統相關知識

什麼是通信系統?

    通信系統是用以完成資訊傳輸過程的技術系統的總稱。現代通信系統主要借助電磁波在自由空間的傳播或在導引媒體中的傳輸機理來實現，前者稱為無線通訊系統，後者稱為有線通信系統。

    在機器人中，通信系統也是重要的組成部分之一。沒有通信系統，感測器採集的機器人內外部資訊不能送達機載電腦；沒有通信系統，機載電腦的控制指令不能送達驅動部分，機器人將無法實現預期的運動。通信系統説明機器人各個組成部分建立起暢通的資訊連接管道，使機器人各個組成部分能夠各司其職。因此，我們必須認真研究機器人的通信系統，讓它充分發揮能動性，使機器人各個部分的溝通順暢起來。

機器人通信系統簡述  

    目前，機器人常用的通信模型有"客戶/伺服器"模型(簡稱C/S模型)和“點對點”模型（簡稱P2P模型）。

1. 客戶/伺服器模型n客戶/伺服器模型是所有網路應用的基礎。客戶/伺服器分別指參與一次通信的兩個應用實體，客戶方主動地發起通信請求，伺服器方被動地等待通信的建立。
基於Socket連接的用戶端與伺服器之間的通信模型圖如上圖所示，整個通信過程如下所示：
（1） 伺服器端首先啟動監聽程式，對指定的埠進行監聽，等待接收用戶端的連接請求；

（2）用戶端程式啟動，請求連接伺服器的指定埠；

（3）伺服器收到用戶端的連接請求後與用戶端建立通訊端（Socket）連接；

（4）連接成功後，用戶端與伺服器分別打開兩個流，其中用戶端的輸入流連接到伺服器端的輸出流，伺服器的輸入流連接到用戶端的輸出流，兩邊的            流連接成功後就可以進行雙向通信了。

（5）當通信完畢後，用戶端與伺服器端兩邊各自斷開連接。

    注：  通訊端（Socket）：是一種相互通信電腦之間的雙向埠，具體包括主機的IP位址，服務類型，TCP/IP協定的埠。其中，TCP/IP協定的埠就是描述網路通信發送和接收的進程的標識資訊，具體說就是為資訊的傳說提供地點。當應用程式與埠綁定後，作業系統將收到的資料發送到埠指定的應用程式進程。每個埠有一個埠號的識別字，用來區分不同的埠。

    埠號可以是0～65535之間的任何數位。 0～255的埠號為系統的保留埠，用於系統進程的通信；其他的埠是自由埠，可以為進程自由使用；已定義的埠號：Tomcat 伺服器的默認通訊連接埠是8080；MySQL默認的通訊連接埠是3306； SQLSERVER的默認通訊連接埠是1433。

優點：
（1）簡化了執行體。可以在用戶態伺服器中構造各種各樣的API，而不會有任何衝突或重複；可以很容易地加入新的API。
（2）提高了可靠性。每個新的服務運行在內核之外，有自己的存儲空間，這樣可以免受其他服務的干擾，單個客戶的失敗不會使作業系統的其餘部分崩潰。
（3）為應用程式與服務間通過RPC調用進行通信提供了一致的方法，且沒有限制其靈活性。函數樁（function stub）把消息傳遞進程對客戶應用程式隱藏起來，函數樁是為了包裝RPC調用的一小段代碼。當通過一個API訪問一個環境子系統或服務時，位於用戶端應用程式中的函數樁把調用參數包作為一個消息發送給一個伺服器子系統執行。
（4）為分散式運算提供了適當的基礎。典型地，分散式運算使用客戶/伺服器模組，通過分佈的客戶和伺服器模組以及客戶與伺服器間的消息交換實現遠端程序呼叫。對於Windows，本機伺服器可以代表本地客戶應用程式給遠端伺服器傳遞一條消息，客戶不需要知道請求是在本地還是在遠端得到服務的。實際上，一條請求是在本地還是遠端得到服務，可以基於當前負載條件和動態配置的變化而動態變化。

2. 點對點模型點對點通信只能實現網內任意兩個使用者之間的資訊交換。點對點的通信時，只有一個使用者可收到資訊。作為一種電腦網路以通信模式，點對點通信中的兩台電腦處在同等地位，有時也稱對等網路（Peer to Peer Network）。它們共用網路資源，每台機器都以同樣的方式作用于對方。在對等網路中，所有電腦既是伺服器又是客戶機。

    特點：點對點通信中每個節點和其他節點之間都有線路連接。每個節點均可單獨對外通信，不需要經過其他節點的傳遞。
    優點：造價低廉，它允許資料和電腦分佈在一個大的範圍內，允許使用者動態地安排計算要求。
    缺點：檔的位置不確定，網路管理比較困難。

相關文章連結：
P2P通信模型http://blog.csdn.net/taoxugang2012/article/details/37930709
點對點通信模型 P2Phttp://www.codeforge.cn/article/216708
opnet點對點通信模型http://blog.csdn.net/hamztx/article/details/27113551
基於MATLAB的點對點通信模擬http://www.docin.com/p-925864265.html

    機器人通信系統工作機理根據前面介紹的常用通信模型和通信方式，C/S模型，設置一個中心控制器來處理有關智慧體通信和控制的資訊.此時其他智慧體只需保存通信控制器的位址在控制器上設置一個用於存儲各智慧體相關資訊的資料庫以及與控制相關的調度機構。每個智慧體在啟動時將自己的相關資訊登記在控制器資料庫中,在運行時根據需要將變化的狀態資訊更新到資料庫中，調度機構根據這些資訊產生控制調度的信號對智慧體進行調度和控制，並在退出時刪除自己的資訊；在需要其他智慧體資訊時則向控制器詢問。這樣，整個機器人控制系統中只需要保存一份動態智慧體資訊，且各智慧體的位址、能力，狀態資訊等可以按需改變而不會引起系統的紊亂，便於實現系統的動態擴展。
    直接通信的機制要求發送Agent和接收Agent同時線上，它們之間道循CAN匯流排通信協定。為7克服C／S模型的缺點，緩解中心伺服器的工作負荷過大的問題，採取即時調度演算法，提高C/S模型的容錯能力。

機器人通信技術的分類 

1. 藍牙無線通訊技術工作原理：
    藍牙是一種開放的低成本的、短距離無線連接技術規範的代稱，主要用於傳送語音資料。
藍牙通信的主從關係  藍牙技術規定每一對設備之間進行藍牙通訊時，必須一個為主角色，另一為從角色，才能進行通信，通信時，必須由主端進行查找，發起配對，建鏈成功後，雙方即可收發資料。理論上，一個藍牙主端設備，可同時與7個藍牙從端設備進行通訊。一個具備藍牙通訊功能的設備， 可以在兩個角色間切換，平時工作在從模式，等待其它主設備來連接，需要時，轉換為主模式，向其它設備發起呼叫。一個藍牙設備以主模式發起呼叫時，需要知道對方的藍牙位址，配對密碼等資訊，配對完成後，可直接發起呼叫。

    藍牙的呼叫過程:藍牙主端設備發起呼叫，首先是查找，找出周圍處於可被查找的藍牙設備。主端設備找到從端藍牙設備後，與從端藍牙設備進行配對，此時需要輸入從端設備的 PIN碼，也有設備不需要輸入PIN碼。配對完成後，從端藍牙設備會記錄主端設備的信任資訊，此時主端即可向從端設備發起呼叫，已配對的設備在下次呼叫時，不再需要重新配對。已配對的設備，做為從端的藍牙耳機也可以發起建鏈請求，但做資料通訊的藍牙模組一般不發起呼叫。鏈路建立成功後，主從兩端之間即可進行雙向的資料或語音通訊。在通信狀態下，主端和從端設備都可以發起斷鏈，斷開藍牙鏈路。藍牙一對一的串口資料傳輸應用藍牙資料傳輸應用中，一對一串口資料通訊是最常見的應用之一，藍牙設備在出廠前即提前設好兩個藍牙設備之間的配對資訊，主端預存有從端設備的PIN碼、位址等，兩端設備加電即自動建鏈，透明串口傳輸，無需週邊電路干預。一對一應用中從端設備可以設為兩種類型，一是靜默狀態，即只能與指定的主端通信，不被別的藍牙設備查找;二是開發狀態，既可被指定主端查找，也可以被別的藍牙設備查找建鏈。

    藍牙協定體系結構主要包括藍牙核心協議（基帶、LMP、L2CAP、SDP）、串口模擬協定（RFCOMM）、電話傳送控制協定（TCS），以及可選協議（PPP、TCP/IP、OBEX、WAP、IrMC）等。為了使遠端設備上的對應應用程式能夠實現交互操作功能，SIG為藍牙應用模型定義了完整的協定棧，

   如下圖：

協定棧的各種單元（協定、層、應用等）在邏輯上被分為三組：傳輸協定、中間協定、應用組。

相關文章連結：
智慧藍牙技術原理及設計方案集錦 - 全文http://www.elecfans.com/tongxin/rf/20141205360169_a.html
藍牙技術在無線通訊中的優勢http://www.doc88.com/p-633428026997.html
基於藍牙的無線通訊技術及其在機器人中的應用http://www.bzwz.com/html_news/News_44179.html
近距離無線通訊如何加速藍牙處理(學習資料) http://blog.sina.com.cn/s/blog_94e15b880100zfvj.html
[分享] 無線通訊之教你玩轉藍牙~http://bbs.elecfans.com/forum.php?mod=viewthread&tid=461977

2. 超頻寬無線通訊技術隨著無線通訊技術的發展，人們對高速短距離無線通訊的要求越來越高。超寬頻（UWB）技術的出現，實現了短距離內超頻寬、高速的資料傳輸。其調製方式和多址技術的特點使得它具有其他無線通訊技術所無法具有的很寬的頻寬、高速的資料傳輸、功耗低、安全性能高等特點。本文介紹了UWB的主要技術特點，並把UWB與目前較為廣泛使用的IEEE 802.11、Bluetooth等短距離無線通訊技術進行了比較，最後對UWB的應用前景進行了分析與展望。

特點：
    UWB是一種“特立獨行”的無線通訊技術，它將會為無線局域網LAN和個人局域網PAN的介面卡和接入技術帶來低功耗、高頻寬並且相對簡單的無線通訊技術。

UWB具有以下特點：
    抗干擾性能強UWB信號，在發射時將微弱的無線電脈衝信號分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低於普通設備產生的雜訊。接收時將信號能量還原出來，在解擴過程中產生擴頻增益。因此，與IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和藍牙相比，在同等碼速條件下，UWB具有更強的抗干擾性。
傳輸速率高UWB的資料速率可以達到幾十兆比特每秒到幾百兆比特每秒，有望高於藍牙100倍，也可以高於IEEE 802.11a和IEEE802.11b。
頻寬極寬UWB使用的頻寬在1GHz以上，高達幾吉赫茲，並且可以和目前的窄帶通信系統同時工作而互不干擾。這在頻率資源日益緊張的今天。開闢了一種新的時域無線電資源。
    頻譜利用率高，系統容量大因為不需要產生正弦載波信號，可以直接發射衝激序列，因而UWB系統具有很寬的頻譜和很低的平均功率，有利於與其他系統共存，從而提高頻譜利用率，帶來了極大的系統容量。
    發射功率低在短距離的通信應用中，超寬頻發射機的發射功率通常可做到低於1mW，從理論上而言，超寬頻信號所產生的干擾僅僅相當於一寬頻的白色雜訊。這樣有助於超寬頻與現有窄帶通信之間的良好共存，對於提高無線頻譜的利用率具有很大的意義，更好的緩解日益緊張的無線頻譜資源問題。並且超寬頻信號的隱蔽性較強，不容易被發現和攔截，具有較高的保密性。
    保密性好UWB保密性表現在兩方面：一方面是採用跳時擴頻，接收機只有已知發送端擴頻碼時才能解出發射資料；另一方面是系統的發射功率譜密度極低。用傳統的接收機無法接收。
    通信距離短信號傳輸受到距離的影響和高頻信號強度會衰減很快，因此超寬頻帶的使用更加適用於短距離之間的通信。
多徑解析度極高因為其採用的是持續時間極短的窄脈衝，所以其時間上和空間上的解析度都是極強的，方便進行測距、定位、跟蹤等活動的開展，並且窄脈衝具有良好的穿透性，所遇超寬頻在紅外通信中也得到廣泛的使用。
    便攜此技術使用基帶傳輸，無需射頻調製和解調，因此其設備功耗小，成本也較低，靈活的使用特性也使其更適合於便攜型無線通訊的使用。

相關文章連結：
超寬頻無線通訊技術發展淺析http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-KJQY201309001025.htm
超寬頻無線通訊技術概述http://www.robotsky.com/kongzhi/qianrs/2008-03-05/12047182572110.html
射頻技術在無線通訊領域的應用http://www.robotsky.com/KongZhi/QianRS/2008-03-05/12047000751365.html

3. ZigBee無線通訊技術Zigbee是基於IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協定。根據這個協定規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通訊技術。這一名稱來源於蜜蜂的八字舞，由於蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位資訊，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網路。其特點是近距離、低複雜度、自組織、低功耗、低資料速率、低成本。主要適合用於自動控制和遠端控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通訊技術。

特點：功耗低、成本低、時延短、容量大、可靠性高、安全性好、工作頻段靈活、自主能力強；
ZigBee無線通訊的資訊處理:

相關文章連結：
Zigbee和Wi-Fi兩種無線通訊技術干擾和共存http://www.go-gddq.com/html/WangLuSheBei/2012-05/995777.htm
Zigbee無線通訊研究背景及技術現狀http://www.doc88.com/p-608927628502.html
zigbee與其它近距離無線通訊技術的比較http://blog.csdn.net/bennyfun79/article/details/5887684
什麼是無線網路通信技術Zigbeehttp://www.elecfans.com/baike/tongxingjishu/wuxiantongxin/20100312189007.html
Zigbee_最全面的短距離無線通訊方式資料匯總http://www.eepw.com.cn/news/listbylabel/label/ZigBee
甚低功耗無線通訊技術——ZigBeehttp://www.07net01.com/wlan/2015/11/987011.html

4. Wi-Fi無線通訊技術Wi－Fi，即WirelessFidelity，譯為無線相容性認證，它的的正式名稱是“IEEE802.11b”，與藍牙一樣，同屬於在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術。該技術使用的使2.4GHz附近的頻段，該頻段目前尚屬沒用許可的無線頻段。其目前可使用的標準有兩個，分別是IEEE802.11a和 IEEE802.11b。該技術由於有著自身的優點，因此受到廠商的青睞。雖然在資料安全性方面，該技術比藍牙技術要差一些，但是在電波的覆蓋範圍方面則要略勝一籌。Wi－Fi的覆蓋範圍則可達300英尺左右，辦公室自不用說，就是在小一點的整棟大樓中也可使用。
     Wi-Fi技術突出的優勢在於： 其一，無線電波的覆蓋範圍廣，基於藍牙技術的電波覆蓋範圍非常小，半徑大約只有50英尺左右，約合15米 ，而Wi-Fi的半徑則可達300英尺左右，約合100米，辦公室自不用說，就是在整棟大樓中也可使用。

    最近，由Vivato公司推出的一款新型交換機。據悉，該款產品能夠把目前Wi-Fi無線網路300英尺，接近100米的通信距離擴大到4英里，約6.5公里。 其二，雖然由Wi-Fi技術傳輸的無線通訊品質不是很好，資料安全性能比藍牙差一些，傳輸品質也有待改進，但傳送速率非常快，可以達到11mbps，符合個人和社會資訊化的需求。 其三，廠商進入該領域的門檻比較低。廠商只要在機場、車站、咖啡店、圖書館等人員較密集的地方設置“熱點”，並通過高速線路將網際網路接入上述場所。這樣，由於“熱點”所發射出的電波可以達到距接入點半徑數十米至100米的地方，用戶只要將支持無線LAN的筆記型電腦或PDA拿到該區域內，即可高速接入網際網路。也就是說，廠商不用耗費資金來進行網路佈線接入，從而節省了大量的成本。 

    Wi－Fi帶來的高速無線上網將像今天人們打手機一樣平常。各廠商目前都積極將該技術應用於從掌上型電腦到桌上型電腦的各種設備中，製造新的賣點。隨著Wi－Fi設備數量的增加，其價格將會下降。Wi－Fi設備的全球年產量在2006年將達到3300萬台。

    Wi-Fi功能應用的領域： 由於WiFi的頻段在世界範圍內是無需任何電信運營執照的因此WLAN無線設備提供了一個世界範圍內可以使用的，費用極其低廉且資料頻寬極高的無線空中介面。使用者可以在WiFi覆蓋區域內快速流覽網頁，隨時隨地接聽撥打電話。而其它一些基於WLAN的寬頻資料應用，如流媒體、網路遊戲等功能更是值得用戶期待。有了WiFi功能我們打長途電話(包括國際長途)，流覽網頁、收發電子郵件、音樂下載、數碼照片傳遞等，再無需擔心速度慢和花費高的問題。  WiFi在掌上設備上應用越來越廣泛，而智慧手機就是其中一份子。與早前應用於手機上的藍牙技術不同，WiFi具有更大的覆蓋範圍和更高的傳輸速率，因此WiFi手機成為了目前移動通信業界的時尚潮流。現在WiFi的覆蓋範圍在國內越來越廣泛了，高級賓館，豪華住宅區，飛機場以及咖啡廳之類的區域都有WiFi介面。

    當我們去旅遊，辦公時，就可以在這些場所使用我們的掌上設備盡情飆網了。 Wi-Fi技術主要用在家庭、學校或者辦公場所。如果有一台帶Wi-Fi功能的筆記本，人們就可以在50米之內無線連接上一個固定的介面，通過這個介面與其它電腦連接，或者上網衝浪。而對於投資商來說，wi-fi是什麼？美國一家調查公司的資料顯示，僅在去年，全世界售出了1500萬個Wi-Fi適配器以及440萬個周邊設備。在個人用戶對Wi-Fi的狂熱的衝擊下，很多公司也開始在機場、酒店、商店、餐廳等設立公共的“熱點”， 以收取Wi-Fi接入費用。 在美國，也許最出名的Wi-Fi服務是由T-Mobile移動通訊公司經營的遍佈2000多家星巴克咖啡廳的“熱點”網路，每週有25000人通過這些“熱點”上網，平均下來，一個“熱點”每天只有不到兩個人使用。而要讓這些“熱點”保持于互聯網連通的狀態，運營商每個月就要花費數百美元。

    荷蘭阿姆斯特丹的斯基亞伯瑞利機場的Wi-Fi設備，每天只有十幾個人在使用。但是，其運營商仍然認為，只要多設幾個“熱點”，就會使設備的使用率大增。他們遵循的還是互聯網狂潮時期的邏輯“只要建起來了，人們自然就會來。” 公共Wi-Fi服務還存在一個最根本的問題：它們的目標消費群體――那些拿著筆記型電腦四處遊走，並且需要抓緊每一分鐘時間上網的人――其實少之又少。除非Wi-Fi功能能被整合到手機那樣小巧的通訊工具當中，可以在任何時間任何地點使用，否則，其吸引大批消費者的可能性就非常小。 有諮詢專家提出，目前這種情況下，Wi-Fi的投資者們應該好好考慮他們設立的“熱點”那些才是切實有效，有可能贏利的。他建議重點應該放在商業用戶身上。而針對普通消費者的服務，在目前沒有多大意義。因為，對於普通消費者來講，在咖啡廳、電影院、購物中心等地無線上網，實在是太不划算。而對於酒店、會議中心、機場等的擁有者來講，設立一些無線上網介面還是有意義的。他們可以不用自己來運作這些接入設備，而請專業公司來運作。或者，他們可以將這作為一項免費服務，吸引顧客。

相關文章連結：
常見物聯網近距離無線通訊技術解析http://www.elecfans.com/news/wangluo/20160517418825.html
Wi-Fi無線網路完全解析http://www.c114.net/tech/164/a380429.html
3DS 的擦肩通信系統用的是什麼技術原理？手機的 Wi-Fi 可以實現嗎？http://www.zhihu.com/question/20315130

    2.4GHz無線技術，是一種短距離無線傳輸技術，供開源使用。2.4GHz所指的是一個工作頻段，2.4GHz ISM（Industry Science Medicine）是全世界公開通用使用的無線頻段，藍牙技術即工作在這一頻段，在2.4GHz頻段下工作可以獲得更大的使用範圍和更強的抗干擾能力，目前廣泛應用于家用及商用領域。
優勢
    適用範圍廣它是一個全球性的頻段，開發的產品具有全球通用性，各種無線產品均可使用此頻段，目前廣泛用於無線建設及無線寬頻路由器等室內場合。
    頻寬高它整體的頻寬勝於其他ISM 頻段，這就提高了整體資料傳輸速率，允許系統共存，允許雙向傳輸，且抗干擾性強，傳輸距離遠（短距離無線技術範圍）。
    耗電低2.4GHz無線電和天線的體積相當小，產品體積也更小，從而使晶片更集中，減少耗電。因2.4GHz無線技術的優勢，各廠家不斷推出新技術，也使此技術發展迅速。

相關文章連結：

何謂通信系統？通信系統由哪些部分組成？各組成部分的作用是什麼？http://www.docin.com/p-53674560.html
基於ZigBce的多機器人通信系統的設計http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/dzjsyy200905062
ROS 通訊層模型——by 西工大一小學生http://blog.exbot.net/archives/1605
基於多智慧體機器人系統的即時通訊研究http://d.wanfangdata.com.cn/Thesis/Y425740
工業機器人通信技術研究與實現http://www.doc88.com/p-6941877382324.html
機器人與電腦之間的通信程式設計http://www.docin.com/p-783245649.html
機器人通信匯流排的協定分析、模組設計及應用http://d.wanfangdata.com.cn/Thesis/Y2166995
多移動機器人通信系統研究進展http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-KZYC201003003.htm
小型足球機器人的無線通訊系統設計http://www.elecfans.com/article/84/2006/20060311588.html
移動機器人的無線通訊技術研究與實現 http://www.docin.com/p-903556582.html
短距無線通訊技術，誰將是主角?http://www.csdn.net/article/2015-04-14/2824470
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幾種主流無線通訊技術的比較http://network.51cto.com/art/201405/440756.htm
無線通訊原理及新技術簡介http://www.doc88.com/p-8159916377591.html
無線通訊技術在醫療領域的應用知識http://www.eepw.com.cn/article/271631.htm
[原創] 對2.4GHz無線數傳模組 nRF2401A 的使用及測試 [原創] http://bbs.elecfans.com/jishu_224050_1_1.html
2.4GHz無線收發器及應用方案大全http://www.elecfans.com/xinpian/ic/20110114184736.html?v=pc
基於無線通訊的嵌入式機器人控制系統設計http://www.eepw.com.cn/article/271633.htm
[資料] 2.4GHz無線SKype電話設計http://bbs.elecfans.com/jishu_550900_1_1.html

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