基于Zigbee 的机器人无线通信系统

董立岩，郭艳年，李永丽，辛晓华

(1.吉林大学计算机科学与技术学院，长春130012;2.东北师范大学计算机科学与信息技术学院，长春130117)

0 引言

在工业生产中，监测与智能控制是提高生产效率的有效方法之一，使用计算机技术能增加监测与控制的效率和准确度。机器人的诞生提高了工作效率，但机器人之间进行信号传递成为一个难题，这需要机器人具有感知能力和无线通信的能力。机器人之间在外部通信的方式上，无线通信技术成为较为理想的选择，通过物联网技术，不仅能实现局域网内部的信号传递，还可以通过互联网将机器人连接起来，组建成为一个覆盖面更广、信号传递更快的远程控制模式。Zigbee技术是一种比较成熟的物联网技术，它能实现短距离的信息传递，且具有低功耗，信号频段多，节点利用率高，成本低的特点，在工业生产中起到了举足轻重的作用。因此，把此项技术利用到机器人当中，可以实现机器人之间的无线通信功能，使各个节点上的机器人采集的信号更快更准确地传递给操作人员［1］。笔者利用Zigbee技术实现了机器人之间的无线通信，并且改善了机器人之间无线通信系统的传输问题，提高了传输效率。

1 方法和方案

1.1 框架设计

首先，在机器人中安装相应的传感器，并且与Zigbee模块相连接，设置MAC(Media Access Control)物理地址，使每个机器人都有自己的地址;其次，与路由器相连，机器人通过传感器采集到相应的数据后，通过Zigbee模块将信号传递给协调器，协调器将信号传递给终端，并且显示数值;最后，利用MAC地址，通过路由器将每个机器人连接到互联网中。其中每个机器人相当于一个节点，这组成了一个物联网体系下的网络。这个网络可以实现局域网内部的无线通信，在互联网下，也可以实现远距离的智能控制，操作人员只需在有网络的情况下就可以进行监测和控制，而且当操作人员将控制信号传递给机器人后，机器人就可以做出相应的操作。如:在厂房中，即便是在无人的状态下，调度室也可以通过机器人传递的信息，监测厂房状态。当出现异常情况时，可以做出最快的处理办法。机器人也可以做出判断，进行异常处理，使其恢复正常工作。在此过程中，利用无线操作，避免了活动范围小，传递速度慢的问题。在一个网络中，节点的个数越多，实现的监测范围越广，灵活性越高，此外，无线操作还减少了有线情况下电缆的使用数量。网络框架示意图如图1所示。

图1 网络框架示意图Fig.1 Schematic network framework

1.2 基本实现步骤

1)解决Zigbee技术，实现在局域网内部形成信号传递的网络。

2)控制器采集信号，识别信号。

3)控制器通过采集的信号对被控对象进行控制。

4)将控制器、被控对象链接到互联网。

5)控制器将采集的信号通过互联网传递给个人用户，个人用户通过互联网将控制指令传递给被控对象，从而实现远距离的控制。

6)每个机器人相当于一个节点，在网络中每个节点之间也能进行信号传递。因此，其中一个节点采集到的信号可以传递给下一个节点，下一个节点可以通过传递的信息做出相应判断，做出合理操作。如:在工业生产中，如果机器人采集的信息有异常，传递给控制端机器人，控制端通过判断，进行处理。所以，在无人情况下，可以安全地进行生产，既节省了人力，又提高了生产的效率，减少了企业的开销。

2 Zigbee技术应用

2.1 Zigbee协议栈分析

Zigbee是无线传递的一种方法，主要部分是协议栈的分析。协议栈主要包括:Zigbee应用层，Zigbee网络层，IEEE 802.15.4MAC层和IEEE 802.15.4PHY层。相比于常见无线通信标准，Zigbee协议套件相对简单，实现要求较低，需要8位处理器，如80C51;软件需要32 kByte的ROM，CC2430等。信道问题，因为会与WiFi、蓝牙等无线设备出现信号重叠的问题，通过实验，应用16、20信道可以避免以上问题，但需要在无微波炉的环境中使用。协议栈框架图如图2所示。

图2 协议栈框架图Fig.2 Protocol stack frame chart

协议栈主要有应用层(APL:Application Layer)、网络层(NWK:Network Layer)、媒体访问控制层(MAC)和物理层(PHY:Physical Layer)。其中MAC与PHY由IEEE802.15.4标准定义(见表1)，其主要特点是用于个人局域网，支持简单器件，同时具有安全性质，防止攻击者在通信双方交换密钥时通过窃听截取对称密钥。为了防止这种攻击，可以采用公钥加密［2］。

表1 IEEE802.15.4主要特点Tab.1 The main features of IEEE802.15.4

2.2 Zigbee协议栈信道分析

无限信道的分配中，IEEE802.15.4规范的物理层定义了3个载波频段用于收发数据:868～868.6 MHz、902～928 MHz和2 400～2 483.5 MHz［3］。在这3个频段上发送当前使用频率的速率、信号处理和调制方式等几个方面都存在差异，IEEE802.15.4规范设定了27个物理信道，这些信道的编号从0～26，每个编号的信道都对应着其相应的中心频率，这27个物理信道分别覆盖了前面提到的3个频段，而对于不同的频段其相对应的频段宽度是不同的，这个信道的中心频率定义如下

3 Zigbee网络的组件

3.1 Zigbee网络组成部分

Zigbee网络的自组织和自愈的能力比较强。首先是自组织的功能。它不需要人为干预，其网络节点就可以感觉到其他节点是否存在，同时确定他们之间的连接关系，从而将它们组成一个结构化网络。其次为自愈的功能。它可以增加或删除某个节点，当节点的位置变化及其监测节点发生故障时，该网络都可以进行自我修复，同时能相应地调整网络拓扑结构，不需要人为干预，从而保障整个系统可以继续正常的工作［4］。

在Zigbee的网络中，可以支持全功能以及精简功能这两种类型设备。

1)全功能物理设备。这种设备支持所有拓扑的结构，它能成为网络的一种协调器，可以与任意设备进行通信。

2)精简功能物理设备。这种设备只可以与网络协调器进行通信，而不可以成为网络的协调器，所以实现特别简单。Zigbee的网络至少需要一个网络协调器，并且它是全功能的物理设备，用来存储一些基本的信息，例如节点设备的数据和数据的转发表，还有设备的关联表等。网络协调器的功能是:建立一个网络，用来传输网络的信标和管理网络的节点，把网络节点的信息存储起来并将节点之间的路由信息都关联起来。终端的设备使用精简的设备，这样可以降低系统的成本。

3.2 Zigbee拓扑分类

Zigbee协议可以支持很多拓扑结构。所以可以依据每种应用方案相应地选择比较合适的拓扑结构。网络设备的分类:网络的协调器，它包含了网络中的一切消息，也是以上3种物理设备中最为复杂的一类，它具有存储量最大且计算能力最强的特点［5］。其主要功能是发送网络的信标，同时建立一个新的网络，并且管理这些网络的节点以及将网络节点的信息储存起来，不停地接收各种信息。全功能设备能作为网络的协调者，构成一个网络，允许其他精简功能装置进行连结，其中精简功能装置具有控制器的功能，它能传递信息进行双向传输，同时它还有以下特征:

1)带有标准指定的802.15.4的所有功能及其特征;

2)有较多的存储器，并且其计算的能力能使其在空闲时起到网络路由器的作用;

3)也可以作为终端的设备。

精简功能设备只可以给FFD(Full Functional Device)传送信息或从FFD接收信息［6］。同时它还有以下的特征。

1)带有一定的功能，可以限制成本及其复杂性。

2)在网络中一般被当作终端的设备。

3)Bee这种简单的实现使费用大大节省。RFD(Reduced Function Device)因为节省了内存和其他的一些电路，从而使'Zigbee中部件所用的成本降低，同时简单的8位处理器以也可以使成本降低。地址的分配模式中所有Zigbee的设备都会有一个64位的网络地址，这个地址是全球唯一的，在子网的内部，它可以分配出来一个16位的地址，把它当作网内通信的地址，从而使数据报大大减小［7］。

地址的模式一般有如下两种。

1)星型拓扑:网络号+设备的标识。

2)点对点拓扑:直接的使用源/目的地址。其地址的分配模式决定了一个Zigbee的网络协调器能支持超过64 000个物理设备，并且多个协调器能互相连接，从而构成更大规模的网络。

4 协调器建设

Zigbee网络中协调器的作用很大，在信号的接收与发送的过程中，协调器的作用至关重要。建设一个好的协调器，需要很多注意，其中可升级性质很关键，目前Zigbee技术发展速度很快，协调器在以后中的升级很重要［8］。在网络中各设备类型如图3所示。

图3 网络中各设备类型Fig.3 Each network device type

5 结语

笔者利用Zigbee技术，不仅实现了机器人之间的无线通信，还实现了机器人与用户间实时交互的功能。笔者采用了通信系统架构，保证了机器人之间进行稳定可靠的无线通信，并且做到了实时通信，实时控制，形成了一种机器人之间的语言，让他们之间进行交流，并且实现了机器人与人之间的通信。在电力行业、医疗行业中的应用，提高和改善了机器人间的信号传递问题，提高了工作效率。

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