探索蓝牙无线通信网络技术在MiroSot中的研究
摘要：
在机器人足球比赛中，运用蓝牙无线通信技术实现机器人与决策数据库服务器的无线通讯，既解决了现有通信系统中因避免相互干扰而必须采取多种通信频率的问题，又提高了无线通信方式在MiroSot比赛中的通用性、实时性、安全性、可靠性及抗干扰能力。
关键字：蓝牙；微微网；散射网；无线通信；机器人足球比赛
中图分类号：TP393.1 文献标识码：A
0 引言
机器人足球比赛是智能机器人领域一个典型的多智能体系统（Multi-Agent System），是当前人工智能和机器人领域的研究热点之一。它是一个集视觉技术、无线电通讯技术、伺服控制技术、多传感器融合技术、战略战术和仿真等技术为一体的综合系统，被称之为是“小平台上的技术战争”。
无线网络通讯系统是机器人足球比赛（MiroSot）系统的一个重要组成部分，选择一种最佳的无线通讯方式对在“技术战争”中获得优先权、把握先机，并取得最终胜利尤为重要。
目前在机器人足球比赛中（半自机器人比赛），采用的是无线发生器对每个在场“球员”
进行控制，尽管此技术已应用多年，仍存在稳定性不好、抗干扰能力差等问题。蓝牙（BlueTooth）技术是一种短距离无线通信技术，其产品体积小、功耗低、抗干扰能力强、实时性及安全可靠性高，又可以方便的集成到几乎任何数字设备中，若将此技术运用到MiroSot的无线通信系统中，必将会对MicroSot有很大的使用价值和现实意义。
1 MiroSot的无线通信系统
1.1 MiroSot的组成
MiroSot是国际机器人足球联合会（FIRA）的半自主机器人足球比赛，现场示意图如图1所示。该系统由摄像机、主机、球场、发射机和机器人组成。它基于视觉的遥控机器人足球比赛系统，采用视觉系统集中式控制方式。目前MiroSot 比赛包括3 种：
3vs3、5vs5、11vs11，场地尺寸分别为150cm X 130cm、220cm X 180cm、280cm×220cm，比赛双方分别包括3个、5个或11个大小不超过7.5cm X 7.5cm X 7.5cm的足球机器人，每个足球机器人的顶盖上贴有识别色标，比赛用球是一个橙色的高尔夫球，比赛规则类似人类足球。
1.2 MiroSot的通信系统
机器人足球比赛是一个快速的实时系统，网络通信是关键。要使各队员之间协调与合作，必须通过无线通讯系统与各队员之间进行联络与沟通。在比赛过程中，由于机器人之间距离很近，各种无线电信号干扰时常发生。因此，研究开发抗干扰、高可靠、保密性好的无线通讯网络系统[1]是当今机器人足球比赛的发展趋势。
根据机器人足球比赛的需要,系统设计对足球机器人的通讯子系统的要求有五点：一对多、频率可选、结构紧凑、通信速率高和性能可靠[2]。从结构上看，完整的通信系统可以分为4部分：计算机主机通信程序、无线数据发射器、无线数据接收器、足球机器人控制器通信程序，其中主机中的通信程序嵌入在决策子系统中；无线数据接收器和机器人控制器的通信程序安装在足球机器人上。通常认为无线通信子系统是由无线数据发射器和无线数据接收器两部分组成，如图2所示。无线数据发射器通过无线载波把机器人运动控制指令数据从天线发射出去，无线数据接收器从天线接收到信号后，经解调后获得机器人运动控制指令数据。
2 无线通信技术分析
2.1 红外线技术
红外可以说是无线连接技术的鼻祖，它目前的传输速率是4Mbit/s，新制定的VIFR可达到16Mbit/s，所以红外适合传输容量较大的数据文件和多媒体信息流。但是，红外的发射角度较小，一般不超过30°，只能实现点对点的连接，无法实现点对多点的连接，也就是只能2台设备之间进行连接。另外，它必须在视线可达的范围内定向传输，并且最大通信距离不能超过1m，中间不能有任何阻挡，同时要求设备位置相对固定，无法用于移动设备。
2.2 HomeRF技术
家庭无线射频（HomeRF），是专门为家庭局域网而设计的开放性工业标准，产品采用的是共享无线接入协议（SWAP）。HomeRF主要侧重于家庭中个人电脑及其外设的无线连接，通信设备相对比较固定。HomeRF虽然采用调频扩谱（FHSS，Frequency HoppingSpread Spectrum）技术，但它的频率只有50次/s，因此抗干扰能力和安全特性差。
2.3 IEEE802.11标准技术
IEEE802.11（下简称802.11）包括802.11，802.11a，802.11b，它是企业无线局域网的标准技术。802.11的传输速率高、传输距离大，采用调频扩谱技术，但其频率只有50次/s，仍然存在抗干扰能力和安全性差的问题。另外，其功耗大，平均达到1W左右，难以适应必须采用电池供应的需要，不适合移动设备的互连。
2.4 蓝牙技术
蓝牙技术是由SIG（Special Interest Group）提出的一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本、近距离无线连接为基础，实质是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的无线电空中接口(Radio Air Interface)。蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段，其数据速率为1Mb/s，为避免某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等的干扰，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案，以确保链路稳定。与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙无线通信模块采用全双工、时分复用及跳频扩谱等通信方式，具有很强的抗衰减和抗干扰能力，跳频更快，数据包更短，使蓝牙比其它系统更稳定可靠。
3 蓝牙技术在MiroSot中的研究
微机器人足球比赛系统由一台主机指挥多个机器人进行比赛（如图1所示），根据比赛的规模可分为两种类型：小型比赛（3vs3，5vs5），大型比赛（11vs11）。蓝牙无线通信的传输距离一般为10cm～10m（0dbm），如果增加功率或是加上某些外设可达到100m(20dbm)的传输距离，无论哪种比赛的无线通信都不会超过该距离，所以将蓝牙无线通信技术运用在目前的机器人足球比赛中是切实可行的。下面根据这种分类分别实现MiroSot比赛中的无线网络通信的设计与分析。
3.1 蓝牙网络的主从设备
蓝牙所建立的网络称为Ad－hoc网络，提供点对点和点对多点的无线连接。在任意一个有效通信范围内，所有设备的地位都是平等的，但首先提出通信要求的设备为主设备（Master），被动进行通信的设备为从设备（Slave）。通过时分多址（TDMA）方式，1台主设备最多可同时与7台从设备进行通信，并可以和更多的从设备（最多可达256个）保持同步但不进行通信。所有的通信在1台主设备和1台从设备之间进行，而从设备之间通信的唯一途径是通过主设备。
3.2蓝牙微微网（Piconet）在MiroSot中的研究
（1） 微微网的构成
一台主设备和一台以上的从设备构成的网络称为蓝牙的主从网络，它可以被看作是一个微型的局域网，故称之为微微网（Piconet），如图3所示。由于微微网最多可同时与7台从设备进行通信，所以该主从网完全适用于小型机器人足球比赛的无线通信要求。
（2）微微网的访问原理
蓝牙核心协议包括BaseBand、LMP、L2CAP以及SDP，他们相互协作实现蓝牙的基本功能。
BaseBand协议负责建立微微网内设备间的物理射频链路；LMP协议负责设备间连接的建立和设置；L2CAP协议是BaseBand的上层协议，支持高层协议的复用，报文的分段、重组以及服务质量（QoS）；SDP协议是所有蓝牙应用模型的基础，通过SDP可以查询到设备信息和服务类型，以便在两个或多个设备间建立连接[3]。蓝牙无线通信是基于底层传输协议的，该协议负责蓝牙设备间相互确认对方的位置，以及建立和管理蓝牙设备间的物理和逻辑链路。
(3) 微微网中连接过程
蓝牙无线通信一般包括查询，服务发现，建立连接，通信，结束连接等过程[4]。为建立一个新的连接，可使用查询（Inquiry）和寻呼（Page）过程，在寻呼和查询过程中分别使用设备接入码(DAC)和查询接入码(IAC)，IAC用于发现在设备覆盖区域内的设备以及设备的地址和时钟，连接过程使用DAC，建立连接的设备将处理寻呼过程，成为主设备。在寻呼扫描(PageScan)和查询扫描(InquiryScan)状态的节点中分别使用相应的相关器进行处理。
寻呼过程后，主设备必须用最大轮询（Poll）间隔来轮询从节点，之后即可执行时钟偏移等一系列请求过程，完成建立过程，如图4 所示[3] 。当两个设备都已发送LMP_Setup_complete后，连接成功，第一个分组就可以传送了。
（4） 微微网中的无线通信网络
由图1可知，在微机器人足球比赛中，需要一台主机（教练）对各个足球机器人（队员）下达指令（命令），同时各个机器人之间又要互相协作，所以可以在微微网中进行无线通信，而该网中的主设备（队长）在球场上可以起到核心作用，对角色分配，攻防协作、转换等进行命令的传达，并将相应信息返回到主机进行信息决策和控制。
机器人间要进行通信，各个机器人必须拥有一个唯一标识以相互区别，并且使用该标识来区分不同的球队，避免不同球队间的相互干扰，从而实现彼此间准确无误的通信。我们可以在机器人中嵌入蓝牙设备，因为所有的蓝牙设备内都有一个唯一的48 位BD_ADDR(Bluetooth Device Address)地址，此地址是蓝牙技术的运算核心，几乎所有蓝牙系统正常工作的控制参数，如微微网（球队）识别、频道访问码（机器人）识别、跳频序列、加密密钥等都是由此地址计算求得。BD_ADDR分为3个部分，分别为24位的LAP（LowerAddress Part）、8 位的UAP（Upper Address Part）、 以及16 位的NAP（NonsignificantAddress Part）。蓝牙设备在计算频道访问码时经常运用到LAP内的数值，因此当多个蓝牙设备彼此间建立联机或是蓝牙设备内部不同层传递通信协议时，使用LAP代替全部的BD_ADDR地址，能够减少必须传递的信息量，加快其相互间的相应速度，有利于MiroSot比赛中的实时通信。
蓝牙可以在主从设备间建立两种类型的通信链路，面向连接的同步链路SCO（Synchronous connection-oriented）和面向无连接的异步链路ACL（Asynchronousconnection-less）。主设备通过LMP发送一个SCO建立消息来建立SCO链路，该消息包括定时参数，例如SCO间隔TSCO和预留时隙的偏移DSCO。当两个蓝牙设备建立起SCO连接时，必须先建立一个ACL链路以传送控制信息，然后即可建立一个或多个SCO链路，SCO链路保留由SCO间隔来分割的时隙，随后SCO时隙将随SCO间隔周期性出现。SCO链路属于电路交换的同步传输类型，电路交换是当主设备与从设备间的连接一旦建立后，不管有无数据传送，系统都会预留固定的时隙给主从设备。每一个SCO链路支持64Kb/s的通信速率，一旦SCO链路建立，主设备和从设备可直接发送SCO包，主设备无需事先询问从设备，SCO链路属于点对点连接，这种链路比较适合MiroSot中的实时通信。主设备与从设备间最多可以支持3条SCO链路，或是从设备与3个从设备各建立一条SCO链路、从设备与另外两个主设备间建立一条SCO链路，与MiroSot比赛中主从设备间的通信互相吻合，能够满足比赛要求。
（5）蓝牙中的跳频（Hopping Frequency）扩谱技术
为了加强各设备在进行无线通信时的安全性和抗干扰能力，蓝牙采用快速跳频扩谱技术。将2.4GHz通信频段以伪随机方式切割成79个频率信道，每个信道的带宽为1MHz，蓝牙的跳频速率为1600次/s，每个时隙的发射时间为625μs；但在主设备与其它从设备间要开始建立连接的呼叫与查询状态时，跳频速率可提高到3200次/s。在同一主从网络中的所有蓝牙设备都有相同的跳频序列，由主节点的设备地址决定，所以都能够在同一时隙跳跃到相同的频道上发送与接收信号；因此即使附近有不同的主从网络，由于建立主从网络的主设备不同，其跳频序列也不同，彼此间干扰的影响也就很小，有利于蓝牙设备通信的保密。此外也可以利用自适应跳频（Adaptive FH）[4]技术自动避开被干扰的跳频信道,并以最小的发射功率、最低的被截获概率，达到在无干扰的跳频信道上长时间保持优质通信的目的。
可见，蓝牙的跳频扩谱技术不但可以在MiroSot比赛中保证各队员间无线通信的实时性、安全可靠性，而且避免了不同球队的相互干扰，能够对场上的实时变化做出准确及时的相应与调整，争取比赛的胜利。
3.3 散射网（Scatternet）在MiroSot中的研究
在MiroSot比赛中分为小型比赛和大型比赛两种，针对前者可以采用微微网进行无线通信，对参赛的各个机器人进行控制，但微微网却不适用于后者的通信。因为单一主从网只能同时与7个活动设备进行通信，虽然还可以与256个从设备保持同步，但彼此却不能通信，无法满足比赛中的实时性要求，必须针对大型比赛采用相应的更复杂的网络拓扑结构散射网，如图5 所示。在散射网中，不但没有降低主从设备间的通信传输速率，而且增加了主从网络中通信设备数量（可远远超过11个），满足大型比赛的需要。
在散射网中，主设备与从设备的角色经常转换，某个主从网络的主设备可以是其它主从网的从设备、每个从设备也可以是其它主从网络的主设备、不同主从网络还可以共享一个从设备，但是当从设备处在Active状态时，只能选择加入其中的一个主从网络[6]。散射网的这种特性恰如MiroSot比赛中的机器人的角色变换，因为比赛场上的形式随时都在发生变化，此时为主攻（防）的队员下一时刻也许就会变为助攻（协防）。散射网可通过不同主从网络重叠区的机器人（中场球员）进行通信，如图5中的设备M/S，通过时分复用一个蓝牙设备可以同时和多个不同的微微网保持同步。由于两个不同的微微网中的主设备是不同步的，一个参与两个微微网的设备必须计算两个偏移量，加到自己的本地时钟，生成两个主时钟。另外，不同主设备的时钟是独立的，从设备需要周期性地更新偏移量，以便同时与两个主设备同步，缩短处在不同微微网中的机器人间的无线通信延时。
此外，在微微网中采用的各种保证通信实时性、安全性、可靠性的方式以及各种协议、通信原理同样可应用在散射网中，在此不再赘述。
4 结论
本文分析了目前各种无线通信方式在机器人足球比赛中存在的弊端，概述了蓝牙的相关技术以及在不同类型机器人足球比赛中的应用原理。通过本文的研究和分析，蓝牙技术应用在机器人足球比赛中不但是切实可行的，而且还避免了其它无线通信技术带来的缺陷。目前，已超过3000家公司加入到SIG中，并且蓝牙无线网络通信技术已经成功应用于各类数据及语音设备，说明了蓝牙技术未来的广阔前景，相信蓝牙在MiroSot中将会有较好的实际应用。
