基于sm32的p2p通信的研究与实现

基于sm32的p2p通信的研究与实现

0lego的单机器人仿真模型legogrouplego组件（以下简称lego组件）是一种广泛用于青少年创新能力培训的智能“电子积木”组件。该组件实际上是一个自定义的嵌入应用程序。中央控制器nxt是一个独立的应用程序模块（系统通讯设备，套），此外还有各种传感器模块、时间统计模块和机械传动模块。面向LEGO套件的软件开发工具也越来越多,目前流行的有基于C、C++、JAVA、C#、G(Labview)等软件开发环境和平台,从原理上讲,除了资源有限和积木式肢体脆弱,LEGO机器人与科学机器人具有相似的研究过程,能够完成类似的任务,例如LEGO行走机器人、棋类机器人、舞蹈机器人等。与目前流行的LEGO单机器人相比,多机器人系统由于涉及到机器人间协同,需要对人类行为的理解和仿真、乃至简单的分布式和并行计算方面的知识和实践,而且在构建具体系统和编写控制软件过程中,大量的归纳/演绎等思维方法被反复应用,因此,多机器人系统更加适合青少年创新能力的培养。然而多机器人系统的建立要比单机器人系统复杂得多,即便是作为系统基础的多机器人间组网通信就不是一个简单问题,尤其是对LEGO套件而言,其控制核心部件NXT的资源十分有限,虽然LeJOSNXJ提供了蓝牙通信机制,但由于复杂多机器人将使用很多NXT,所以常用的蓝牙Scatternet技术难以在LEGO复杂多机器人系统中实现对等(Peer-to-Peer,P2P)通信,另外,晦涩难懂的组网通信底层细节也让人望而却步。本文针对LEGONXT特点,基于LEGO套件的蓝牙通信技术,采用对资源需求比Scatternet小得多的Piconet,通过Piconet主设备上的数据转发,实现了多NXT组网和P2P通信,该组网通信机制命名为基于Piconet的P2P通信(PiconetBasedPeer-to-Peer,PBP2P)。1pc上的养分通信对于2节点蓝牙通信而言,通信链路建立之初,两个节点分别被定义为具有initiator(初始化模块)的主设备和具有receiver(接收模块)的从设备,从设备的recerver提出通信请求,而主设备的initiator则用来建立通信连接通道。多节点蓝牙通信组网方式有两种:其一为Piconet网络,该方式简单,对资源需求低,网络设备分为1个主设备和多个从设备,主从设备间可直接双向通信,从设备间不能直接通信;其二是Scatternet网络,该网络将Piconet从设备同时作为其他Piconet主设备,因此可为每个设备都建立一个以其为主设备的Piconet形成Scatternet网,该网络功能强大,可实现节点间P2P通信,但需要较多资源。显然,如果以n个LEGONXT建立Scatternet,则每个NXT至少要含有n-1个与其他NXT的receiver对应的initiator,即需要在NXT上建立众多独立运行的线程,而NXT的资源十分有限,难以负担。考虑到NXT资源有限、多机器人系统规模可伸缩性、以及系统运行监控的需求,本文以带有蓝牙模块的PC为中控机(以下简称PC),建立以PC为主设备,所有NXT为从设备的Piconet。尽管NXT只能与主设备PC通信,NXT之间不能直接通信,但通过在PC上提供通信服务模块CCommServer用于转发来自NXT的通信数据到其目标NXT,通过封装底层通信细节,在较高的软件层次上实现了多机器人间的P2P通信。其具体通信机制和过程如图1的UML活动图所示。由图1可知,具体通信功能由CCommServer、相关机器人的CCommunicator、CMsgProxy对象协作而共同完成。机器人调用函数CCommunicator:SendMsgToAnotherRobot(StringsRobotName,intnMsgID,intnParam,StringsTxt)向名字为sRobotName的机器人发送消息,消息类型为nMessageID,两个消息参数分别为nParam和sText。该函数根据sRobotName查找通信录得到目标NXT端口地址,然后将整条消息放置到NXT的待发队列CMsgProxy:m_qMsgToSend尾部。CCommServer为独立线程,运行时会交替进入“读取”和“转发”消息时段。在“读取”时段,遍历所有NXT,从其读取发送到PC的消息,将它们存放至转发队列CCommServer:m_msgpQue尾部;在“转发”时段,解析转发队列CCommServer:m_msgpQue队首消息,如其目标为当前正连接着的NXT,则将其传送到该NXT。此过程反复进行,直到队首不再有发往该NXT的消息为止。各NXT的CMsgProxy也是独立线程,运行时交替进入“发送”和“读取”时段。“发送”时段将待发队列CMsgProxy:m_qMsgToSend队首消息拆分并转换成LeJOSNXJ蓝牙通信格式的数据,然后逐一将其发送给目标NXT;“读取”时段从当前连接的NXT读取数据,然后调用CCommunicator:DispatchMsgToUnit(CMsgPkgmp),将消息散发至本地CRobot的各个相关对象。2基于android的对象消息机制由于leJOS等Java软件开发平台没有类似MFC之类的对象消息机制,这对协同多机器人系统的软件开发十分不变,为此,作者在参考文献后建立了基于Java语法标准的对象消息机制,而本文机器人间通信是该对象消息机制的底层支撑,因此其具体实现与对象消息机制的实现密切相关。2.1管理系统的结构由于LEGO多机器人组网硬件由多个NXT和带有蓝牙通信模块的PC机构成,因此宏观上系统的软件可以看作主要由三个部分组成,如图2所示。1ccpmnser维度位于中间控制台上的通信服务器上承担向NXT发送通信数据或从NXT接收通信数据的任务,这些任务包括解析通信目标地址、通信数据缓存等。2ccommserper-ccummserpers新通信NXT与中控机的通信实际上由该类控制和实施,接收通信数据时,该类读取CCommServer发送给本地NXT的数据;发送通信数据时,该类将本地NXT发送的数据传送给CCommServer。作为通信代理,CMsgProxy的实现调用了LeJOSNXJ的蓝牙通信功能。3压力和状态信息封装该模块封装了机器人之间通信的接口,该接口支持以面向对象消息的形式进行机器人之间的通信,即数据格式不是LeJOSNXJ规定的底层通信数据格式。为了封装底层硬件相关信息和更好地处理多机器人之间系统动作,机器人所有行为和状态信息均封装在抽象类CRobot内部成员对象中,任何机器人从软件角度看都是CRobot派生类的对象实例,例如与通信相关模块的CCommunicator、CMsgProxy均为CRobot内部对象。本文聚焦于多机器人组网通信机制,仅重点介绍CMsgProxy和CCommServer,关于Java对象间消息机制请参见参考文献,而CRobot的其他细节将另行撰文,在此不加赘述。2.2osi数据链路层和物理层虽然PBP2P的实现并不复杂,但是其功能也基本覆盖了OSI模型七层中的表示、会话、传输、网络等四层(图3),而OSI数据链路层和物理层由LEGO蓝牙通信模块和leJOSNXJ提供。当然,为了提高效率,PBP2P实现中的软件层次界限并不十分严格。2.2.1ccommserper控制CCommServer类是中控机上的独立线程,作为Piconet主设备,提供3种功能:通信初始化与通信过程控制、消息发送与接收、通信设备管理与转发控制,分别对应于OSI的会话、传输、网络等三层,为了实现上的方便和运行效率,CCommServer实现中没有追求明确的划分;关于另一重要模块CMsgProxy,由于将来与应用层程序有密切关系,因此在具体实现时层次和模块划分相对明确,各模块与OSI对应关系如图3所示。2.2.2发送或发送其他机器人CMsgProxy类是CRobot的组成部分之一,每个机器人的NXT中均有其一个运行实例,这也是一个并行运行的线程,主要用来负责接收中控机转发来的其他机器人发来的消息,同时负责将本机器人所要发往其他机器人的消息发送给中控机中的CCommServer,将接收到的消息调用CCommunicator中的函数voidDispatchMsgToUnit(CMsgPkgmsgp)分发到具体部件的消息队列中(目前规定其他机器人不能与本机器人的部件之间直接消息联系,外界的消息只能发给本机器人的执行机构CExecutive)。该函数在通信连接建立过程中的角色是扮演initiator,对于消息的发送和收取过程与CCommServer类似。2.2.3基于x-msg的对象消息支持消息封装对应于OSI的表示层,由CRobotMsg和CMsgPkg两个类实现,其中CRobotMsg定义了机器人系统的对象消息模式,即应用层通信数据格式,而CMsgPkg提供了消息的会话层数据格式。2.2.4面向网络的方案该部分对应于OSI网络层部分功能。CCommServer承担的消息转发需要根据所接收消息的目标地址,调用网络路由功能并将消息发送给目标机器人。与复杂网络不同,PBP2P网络的路由功能十分简单,各节点的路由信息以通信录的形式加以维护,由类CAddrInfo和类CAddrList承担,其中所含主要数据信息及功能如图4所示。CAddrList除维护通信录外,还提供各机器人及中控机上通信录的同步等功能。由于有了通信录,通信时可以直接