蛇类的相互通信及其意义

1.通信功能描述

通信是机器人之间进行交互、协助和组织的基础。利用通信技术多机器人系统中各个机器人能了解同类或其他类机器人的意图、目标、动作及当前环境状态等信息，进而进行有效的磋商，协作完成指定的任务[94]。一般来说，机器人之间的通信可以分为隐式通信和显式通信两类。隐式通信与显式通信是机器人系统各具特色的两种通信模式，如果将两者各自的优势结合起来，则多机器人系统就可以灵活地应对各种复杂的动态未知环境，完成许多艰巨任务[95]。利用显式通信进行少量机器人之间的上层协作，通过隐式通信进行大量机器人之间的底层协调，在出现隐式通信无法解决的冲突或死锁时，再利用显式通信进行少量的协调工作加以解决[96]。这样的通信结构既可以增强系统的协调能力、合作能力、容错能力，又可以减少通信量，避免出现通信中的瓶颈效应。

2.通信模块分类

（1）蓝牙无线通信

蓝牙（Bluetooth）是一种开放式、低成本、短距离无线连接技术规范的代称，主要用于传送语音和数据[97-98]。蓝牙技术作为一种便携式电子设备和固定式电子设备之间替代电缆连接的短距离无线通信的标准，具有工作稳定、设备简单、价格便宜、功率较低、对人体危害较小等特点[99]。它强调的是全球性的统一运作，其工作频率定在2.45 GHz这个频段，该频段是向工业生产、科学研究、医疗服务等大众领域都共同开放的，符号速率1 Mb/s，每个时隙宽度为625μs，采用分时双工（TDD）方式和高斯频移键控（GFSK）调制方式。蓝牙技术支持一个异步数据信道、三个并发的同步语音信道或一个同时传送异步数据和同步话音的信道。每一个话音信道支持64 kb/s的同步语音；异步信道支持最大速率为57.6 kb/s的非对称连接，或者是432 kb/s的对称连接。系统采用跳频技术抵抗信号衰落，使用快跳频和短分组技术减少同频干扰来保证传输的可靠性，并采用前向纠错（FEC）技术来减少远距离传输时的随机噪声影响。

蓝牙网络的基本单元是微微网，它可以同时最多支持8个电子设备，其中发起通信的那个设备称为主设备，其他设备称为从设备[100-101]。一组相互独立、以特定方式连接在一起的微微网构成分布式网络，各微微网通过使用不同的调频序列来区分。蓝牙技术支持多种类型的业务，包括声音和数据，为将来的电器设备提供联网和数据传输的功能，它将使来自各个设备制造商的设备能以同样的“语言”进行交流，这种“语言”可以认为是一种虚拟的电缆。蓝牙的一般传输距离是10 cm到10 m，如果提高功率的话，其传输距离则可扩大到100 m。

（2）ZigBee无线通信

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术[102]。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间的数据传输以及典型的周期性数据、间歇性数据和低反应时间的数据传输。

人们通过长期观察发现，蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等相关信息，这种肢体语言就是ZigZag舞蹈，是蜜蜂之间用来传达简单信息的一种方式。由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来向同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络，于是人们借用Zigbee作为新一代无线通信技术的名称。

简言之，ZigBee是一种高可靠性的无线数传网络，类似于CDMA^[1]和GSM^[2]网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站，是一个由可多到65 535个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75 m到几百米、几千米，并且支持无限扩展。

ZigBee基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议开展工作。根据国际标准的规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适用于自动控制和远程控制领域，也可以嵌入各种设备。统而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通信技术。ZigBee协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。

与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立的，因而它必须具有体系简单、使用方便、工作可靠、价格低廉的特点[103]。而移动通信网主要是为语音通信而建立的，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”花费却不到1 000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）进行无线连接。

（3）2.4GH无线通信

2.4GH无线通信技术是一种短距离无线传输技术，主要供开源使用。2.4 GHz所指的是一个工作频段，2.4 GHz ISM（Industry Science Medicine）是全世界公开通用的无线频段，蓝牙技术即工作在这一频段。在2.4 GHz频段下工作可以获得更大的使用范围和更强的抗干扰能力，目前2.4GH无线通信技术广泛用于家用及商用领域。

3.通信模块的选择

通过比较以上各类模块可以明白，由于仿蛇机器人使用环境无WIFI信号，遥控距离也较远，且为了降低机器人的功耗，所以选择2.4GH无线通信技术作为通信模式较为适宜。在2.4GH通信模块的选择方面，可考虑使用nRF2401单片射频收发芯片，如图3-25所示。

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图3-25　nRF2401通信模块

nRF2401模块的能耗非常低，以-5 dBm的功率发射时，工作电流只有10.5 mA；接收时的工作电流也只有18 mA[104]。加上多种低功率工作模式，使其节能设计的效果更为凸显。DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线来同时接收两个不同频道的数据，nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。

nRF2401模块的工作波段位于2.4～2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置，具体性能参数见表3-4。

表3-4　nRF2401模块性能参数

nRF2401模块的板上有两排端口，每排4个端口，共有8个端口，不仅可以用于与控制板固定，而且可以实现与主控制系统之间的相互通信。该模块共有8个PIN端口，对应的引脚如图3-26所示，接口的定义如下：

图3-26　nRF2401端口示意图

1号PIN端口：表示接地端（GND），在工作时需要与数字地连接；

2号PIN端口：表示电源端（VCC），该引脚接电压范围为1.9 V～3.6 V之间，不能在这个区间之外，超过3.6 V将会烧毁模块。推荐电压3.3V左右；

3号PIN端口：表示使能端口（CE），使该芯片进入正常的工作模式；

4号PIN端口：表示工作模式选择端口（CSN），选择该芯片处于发生模式或者接受模式；

5号PIN端口：表示时钟端口（SCK），由外部晶振提供；

6号PIN端口：是主机输出从机输入（MOSI）；

7号PIN端口：表示从机输出主机输入（MISO）；

8号PIN端口：表示发送/接收中断触发端（IRO）。

除电源VCC和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V单片机的IO口直接相连，无须进行电平转换。