機器人通信系統基礎知識

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作，前者稱為系統，後者稱為有線通信系統。

用電（或光信号）傳輸資訊的系統，也稱電信系統。系統通常是由具有特定功能、互相作用和互相依賴的若幹單元組成的、完成統一目标的有機整體。最簡便的通信系統供兩點的使用者彼此發送和接收資訊。在一般通信系統内，使用者可通過交換裝置與系統内的其他使用者進行通信。

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作，前者稱為無線通信系統，後者稱為有線通信系統。

當電磁波的波長達到光波範圍時，這樣的電信系統特稱為光通信系統，其他電磁波範圍的通信系統則稱為電磁通信系統，簡稱為電信系統。由于光的導引媒體采用特制的玻璃纖維，是以有線光通信系統又稱光纖通信系統。

一般電磁波的導引媒體是導線，按其具體結構可分為電纜通信系統和明線通信系統；無線電信系統按其電磁波的波長則有通信系統與短波通信系統之分。

另一方面，按照通信業務的不同，通信系統又可分為電話通信系統、資料通信系統、傳真通信系統和圖像通信系統等。由于人們對通信的容量要求越來越高，對通信的業務要求越來越多樣化，是以通信系統正迅速向着寬帶化方向發展，而光纖通信系統将在通信網中發揮越來越重要的作用。

在中，通信系統也是重要的組成部分之一。沒有通信系統，采集的機器人内外部資訊不能送達機載計算機；沒有通信系統，機載計算機的控制指令不能送達驅動部分，機器人将無法實作預期的運動。

通信系統幫助機器人各個組成部分建立起暢通的資訊連接配接管道，使機器人各個組成部分能夠各司其職。是以，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/伺服器模型是所有應用的基礎。客戶/伺服器分别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。

基于Socket連接配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，對指定的端口進行監聽，等待接收用戶端的連接配接請求；

（2）用戶端程式啟動，請求連接配接伺服器的指定端口；

（3）伺服器收到用戶端的連接配接請求後與用戶端建立套接字（Socket）連接配接；

（4）連接配接成功後，用戶端與伺服器分别打開兩個流，其中用戶端的輸入流連接配接到伺服器端的輸出流，伺服器的輸入流連接配接到用戶端的輸出流，兩邊的流連接配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配接。

注： 套接字（Socket）：是一種互相通信計算機之間的雙向端口，具體包括主機的IP位址，服務類型，TCP/IP協定的端口。其中，TCP/IP協定的端口就是描述發送和接收的程序的辨別資訊，具體說就是為資訊的傳說提供地點。當應用程式與端口綁定後，将收到的資料發送到端口指定的應用程式程序。每個端口有一個端口号的辨別符，用來區分不同的端口。端口号可以是0～65535之間的任何數字。

0～255的端口号為系統的保留端口，用于系統程序的通信；

其他的端口是自由端口，可以為程序自由使用；

已定義的端口号：Tomcat 伺服器的預設通信端口是8080；

MySQL預設的通信端口是3306；

SQLSERVER的預設通信端口是1433；

優點：

1.簡化了執行體。可以在使用者态伺服器中構造各種各樣的A，而不會有任何沖突或重複；可以很容易地加入新的API。

2.提高了可靠性。每個新的服務運作在核心之外，有自己的存儲空間，這樣可以免受其他服務的幹擾，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緻的方法，且沒有限制其靈活性。函數樁（funcon stub）把消息傳遞程序對客戶應用程式隐藏起來，函數樁是為了包裝RPC調用的一小段代碼。當通過一個API通路一個環境子系統或服務時，位于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.為分布式計算提供了适當的基礎。典型地，分布式計算使用客戶/伺服器子產品，通過分布的客戶和伺服器子產品以及客戶與伺服器間的消息交換實作遠端過程調用。對于Windows，本地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，可以基于目前負載條件和動态配置的變化而動态變化。

2.點對點模型

點對點通信隻能實作網内任意兩個使用者之間的資訊交換。點對點的通信時，隻有一個使用者可收到資訊。作為一種計算機網絡以通信模式，點對點通信中的兩台計算機處在同等地位，有時也稱對等網絡（Peer to Peer Network）。它們共享網絡資源，每台機器都以同樣的方式作用于對方。在對等網絡中，所有計算機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配接。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，它允許資料和計算機分布在一個大的範圍内，允許使用者動态地安排計算要求。

缺點：檔案的位置不确定，網絡管理比較困難。

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，設定一個中心控制器來處理有關體通信和控制的資訊.此時其他智能體隻需儲存通信控制器的位址在控制器上設定一個用于存儲各智能體相關資訊的資料庫以及與控制相關的排程機構。每個智能體在啟動時将自己的相關資訊登記在控制器資料庫中,在運作時根據需要将變化的狀态資訊更新到資料庫中，排程機構根據這些資訊産生控制排程的信号對智能體進行排程和控制，并在退出時删除自己的資訊；在需要其他智能體資訊時則向控制器詢問。這樣，整個機器人中隻需要儲存一份動态智能體資訊，且各智能體的位址、能力，狀态資訊等可以按需改變而不會引起系統的紊亂，便于實作系統的動态擴充。

直接通信的機制要求發送Agent和接收Agent同時線上，它們之間道循總線通信協定。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，采取實時排程，提高C/S模型的容錯能力.

機器人的分類

1.無線通信技術

：

藍牙是一種開放的低成本的、短距離無線連接配接技術規範的代稱，主要用于傳送語音資料。

藍牙通信的主從關系

規定每一對裝置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，建鍊成功後，雙方即可收發資料。理論上，一個藍牙主端裝置，可同時與7個藍牙從端裝置進行通訊。一個具備藍牙通訊功能的裝置， 可以在兩個角色間切換，平時工作在從模式，等待其它主裝置來連接配接，需要時，轉換為主模式，向其它裝置發起呼叫。一個藍牙裝置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

藍牙主端裝置發起呼叫，首先是查找，找出周圍處于可被查找的藍牙裝置。主端裝置找到從端藍牙裝置後，與從端藍牙裝置進行配對，此時需要輸入從端裝置的 PIN碼，也有裝置不需要輸入PIN碼。配對完成後，從端藍牙裝置會記錄主端裝置的信任資訊，此時主端即可向從端裝置發起呼叫，已配對的裝置在下次呼叫時，不再需要重新配對。已配對的裝置，做為從端的藍牙耳機也可以發起建鍊請求，但做資料通訊的藍牙子產品一般不發起呼叫。鍊路建立成功後，主從兩端之間即可進行雙向的資料或語音通訊。在通信狀态下，主端和從端裝置都可以發起斷鍊，斷開藍牙鍊路。

藍牙一對一的序列槽資料傳輸應用

藍牙資料傳輸應用中，一對一序列槽資料通訊是最常見的應用之一，藍牙裝置在出廠前即提前設好兩個藍牙裝置之間的配對資訊，主端預存有從端裝置的PIN碼、位址等，兩端裝置加電即自動建鍊，透明序列槽傳輸，無需外圍電路幹預。一對一應用中從端裝置可以設為兩種類型，一是靜默狀态，即隻能與指定的主端通信，不被别的藍牙裝置查找;二是開發狀态，既可被指定主端查找，也可以被别的藍牙裝置查找建鍊。

藍牙協定體系結構主要包括藍牙核心協定（基帶、LMP、L2CAP、SDP）、序列槽協定（COMM）、電話傳送控制協定（TCS），以及可選協定（PPP、TCP/IP、OBEX、WAP、IrMC）等。為了使遠端裝置上的對應應用程式能夠實作互操作功能，SIG為藍牙應用模型定義了完整的協定棧，如圖：

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。

2.超帶寬無線通信技術

随着無線通信技術的發展，人們對高速短距離無線通信的要求越來越高。超寬帶（UWB）技術的出現，實作了短距離内超帶寬、高速的資料傳輸。其調制方式和多址技術的特點使得它具有其他無線通信技術所無法具有的很寬的帶寬、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，并把UWB與目前較為廣泛使用的IEEE 802.11、Bluetooth等短距離無線通信技術進行了比較，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”的無線通信技術，它将會為無線區域網路LAN和個人區域網路PAN的接口卡和接入技術帶來低功耗、高帶寬并且相對簡單的無線通信技術。UWB具有以下特點：

抗幹擾性能強

UWB信号，在發射時将微弱的無線電脈沖信号分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低于普通裝置産生的噪聲。接收時将信号能量還原出來，在解擴過程中産生擴頻增益。是以，與IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和藍牙相比，在同等碼速條件下，UWB具有更強的抗幹擾性。

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，有望高于藍牙100倍，也可以高于IEEE 802.11a和IEEE802.11b。

帶寬極寬

UWB使用的帶寬在1GHz以上，高達幾吉赫茲，并且可以和目前的窄帶通信系統同時工作而互不幹擾。這在頻率資源日益緊張的今天。開辟了一種新的時域無線電資源。

頻譜使用率高，系統容量大

因為不需要産生正弦載波信号，可以直接發射沖激序列，因而UWB系統具有很寬的頻譜和很低的平均功率，有利于與其他系統共存，進而提高頻譜使用率，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，超寬帶發射機的發射功率通常可做到低于1mW，從理論上而言，超寬帶信号所産生的幹擾僅僅相當于一寬帶的白噪聲。這樣有助于超寬帶與現有窄帶通信之間的良好共存，對于提高無線頻譜的使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。并且超寬帶信号的隐蔽性較強，不容易被發現和攔截，具有較高的保密性[1] 。

保密性好

UWB保密性表現在兩方面：一方面是采用跳時擴頻，接收機隻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

信号傳輸受到距離的影響和高頻信号強度會衰減很快，是以超寬頻帶的使用更加适用于短距離之間的通信。

多徑分辨率極高

因為其采用的是持續時間極短的窄脈沖，是以其時間上和空間上的分辨率都是極強的，友善進行測距、定位、跟蹤等活動的開展，并且窄脈沖具有良好的穿透性，所遇超寬帶在通信中也得到廣泛的使用。

便攜

此技術使用基帶傳輸，無需調制和解調，是以其裝置功耗小，成本也較低，靈活的使用特性也使其更适合于便攜型無線通信的使用。

3.無線通信技術

Zigbee是基于IEEE802.15.4标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、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(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。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。主要适合用于自動控制和遠端控制領域，可以嵌入各種裝置。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無線通信的資訊處理

4.無線通信技術

Wi－Fi，即WirelessFidelity，譯為無線相容性，它的的正式名稱是“IEEE802.11b”，與藍牙一樣，同屬于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.Hz附近的頻段，該頻段目前尚屬沒用許可的無線頻段。其目前可使用的标準有兩個，分别是IEEE802.11a和 IEEE802.11b。該技術由于有着自身的優點，是以受到廠商的青睐。雖然在資料安全性方面，該技術比藍牙技術要差一些，但是在電波的覆寫範圍方面則要略勝一籌。Wi－Fi的覆寫範圍則可達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技術突出的優勢在于：

其一，無線電波的覆寫範圍廣，基于藍牙技術的電波覆寫範圍非常小，半徑大約隻有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。據悉，該款産品能夠把目前Wi-Fi無線網絡300英尺，接近100米的通信距離擴大到4英裡，約6.5公裡。

其二，雖然由Wi-Fi技術傳輸的無線通信品質不是很好，資料安全性能比藍牙差一些，傳輸品質也有待改進，但傳輸速度非常快，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。廠商隻要在機場、車站、咖啡店、圖書館等人員較密集的地方設定“熱點”，并通過高速線路将網際網路接入上述場所。這樣，由于“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，使用者隻要将支援無線LAN的筆記本或PDA拿到該區域内，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絡布線接入，進而節省了大量的成本。

Wi－Fi帶來的高速無線上網将像今天人們打一樣平常。各廠商目前都積極将該技術應用于從掌上電腦到桌面計算機的各種裝置中，制造新的賣點。随着Wi－Fi裝置數量的增加，其價格将會下降。Wi－Fi裝置的全球年産量在2006年将達到3300萬台。

Wi-Fi功能應用的領域：

由于WiFi的頻段在世界範圍内是無需任何電信營運執照的是以WLAN無線裝置提供了一個世界範圍内可以使用的，費用極其低廉且資料帶寬極高的無線空中接口。使用者可以在WiFi覆寫區域内快速浏覽網頁，随時随地接聽撥打電話。而其它一些基于WLAN的寬帶資料應用，如流媒體、網絡遊戲等功能更是值得使用者期待。有了WiFi功能我們打長途電話(包括國際長途)，浏覽網頁、收發郵件、音樂、照片傳遞等，再無需擔心速度慢和花費高的問題。

WiFi在掌上裝置上應用越來越廣泛，而就是其中一份子。與早前應用于手機上的藍牙技術不同，WiFi具有更大的覆寫範圍和更高的傳輸速率，是以WiFi手機成為了目前移動通信業界的時尚潮流。現在WiFi的覆寫範圍在國内越來越廣泛了，進階飯店，豪華住宅區，飛機場以及咖啡廳之類的區域都有WiFi接口。當我們去旅遊，辦公時，就可以在這些場所使用我們的掌上裝置盡情網上沖浪了。

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米之内無線連接配接上一個固定的接口，通過這個接口與其它計算機連接配接，或者上網沖浪。而對于投資商來說，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擴充卡以及440萬個接口裝置。在個人使用者對Wi-Fi的狂熱的沖擊下，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布2000多家星巴克咖啡廳的“熱點”網絡，每周有25000人通過這些“熱點”上網，平均下來，一個“熱點”每天隻有不到兩個人使用。而要讓這些“熱點”保持于網際網路連通的狀态，營運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裝置，每天隻有十幾個人在使用。但是，其營運商仍然認為，隻要多設幾個“熱點”，就會使裝置的使用率大增。他們遵循的還是網際網路狂潮時期的邏輯“隻要建起來了，人們自然就會來。”

公共Wi-Fi服務還存在一個最根本的問題：它們的目标消費群體――那些拿着筆記本電腦四處遊走，并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。

有咨詢專家提出，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，有可能赢利的。他建議重點應該放在商業使用者身上。而針對普通消費者的服務，在目前沒有多大意義。因為，對于普通消費者來講，在咖啡廳、電影院、購物中心等地無線上網，實在是太不劃算。而對于酒店、會議中心、機場等的擁有者來講，設立一些無線上網接口還是有意義的。他們可以不用自己來運作這些接入裝置，而請專業公司來運作。或者，他們可以将這作為一項免費服務，吸引顧客。

5.2.4 GHz 無線通信技術

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幹擾能力，目前廣泛應用于家用及商用領域。

優勢

适用範圍廣

它是一個全球性的頻段，開發的産品具有全球通用性，各種無線産品均可使用此頻段，目前廣泛用于無線建設及無線寬帶路由器等室内場合。

帶寬高

它整體的頻寬勝于其他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，且抗幹擾性強，傳輸距離遠（短距離無線技術範圍）。

耗電低

2.4GHz無線電和的體積相當小，産品體積也更小，進而使更集中，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。