多智能体合作通讯的设计

总体框图：

设计要求：

设计一套符合上图的上层通讯协议，可以完成上图所有的任务。

OSI七层参考模型

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

按照OSI7层协议模型，在此数据链路层和物理层已经通过异步串行通讯协议UART定义，所设计的上层通讯协议是基于UART的。

设计思路与框架：

由于数据链路层与物理层都已经定义，所以还须定义网络层，传输层，会话层，表示层，应用层。

协议基本结构：

OSI七层模型多智能体协议模型功能说明

应用层控制层马达控制，A/D转换

表示层命令，数据格式协议

会话层规则层从机发言顺序协议

传输层

网络层主从机地址协议

数据链路层通讯层UART串口通讯协议

物理层

我将所构思的协议划分为三层，既控制层，规则层和通讯层。控制层相对应的是OSI中的应用层和表示层，其作用是理解和执行命令，采集环境变量并传回数据。规则层相对应的是OSI中的会话层，传输层和网络层，其作用是确保网络中没有人同时发言，确保从数据到达正确的目的地。通讯层相当于OSI中的物理层和数据链路层，在这里使用了UART串口通讯协议，通过此确保字符被正确地发送和接收。

1．通讯层

通讯层是三层中最底层的一层。它是上面两层协议的基础。在这里我们使用UART串口通讯协议。协议的具体细节在VISUALBASIC和BASCOMAVR中都已经制定好，只须采用现成的函数即可实现通讯层的数据链路层。

我们通过上海桑博电子科技有限公司生产的STR-18型微功率无线通讯模块来实现通讯层中的物理层。它通过无线方式来传输数据，使机器人可以灵活移动。

硬件连接方法为所有的子机RXD，TXD都并联，上位机的RXD与所有子机的TXD连接，上位机的TXD与所有子机的RXD连接。这样，上位机可以与所有的子机通讯，但是子机与子机之间不能直接通讯，需要经过上位机中转后才能通讯，并且同时只能有一个子机发言。

2．规则层

规则层对应了会话层，传输层和网络层三层，然而我们只需要实现网络层和会话层。因为机器人为单进程系统，无须考虑将数据分发到指定进程的问题。

网络层对机器人的地址作出了规定。上位机的地址为OxOO，子机的地址为0x01至OxFF。地址码大小为00至FF，即支持255台子机和1台上位机。

网络层把数据包的结构定义为：第一个字节是目的地址码，第二个字节为发送机地址码，最后一个字节为结束标志Chr(13)，中间为数据。数据中不可出现Chr（13），否则程序会误认为数据包已经接收完成。

数据包结构示意图

数据包接收完成，即接收到Chr(13)后，开始分析数据包。首先检查数据包的第一个字节，若该字节与自身的地址码相符，则继续处理该数据包；若不同，则丢弃该数据包。

确认该数据包是属于自己的以后，再把数据和发送地址交给控制层协议处理。

在子机和子机之间也要通讯的时候，上位机充当了一个数据中转站的角色。当上位机接收到目标地址不为0x00的数据包时，则通过TXD把该数据包发送出去。

由于所有子机的TXD在同一条线上，如果有两台子机同时发送数据就会导致上位机无法正确接受数据，所以我们要通过协议来确保每时每刻最多只有一台子机在发送数据。这就是会话层在此要解决的主要问题。

这里使用了主从结构，从机不主动发送数据，一切由上位机控制。当上位机想让A机和B机发送数据时，上位机就对大家说“A，向我汇报情况”，然后A机说“我是A机，一切正常”，A说好后，上位机又说“B，向我汇报情况”，然后B机说“我是B机，一切正常”，通讯结束。

如果上位机说好“A，向我汇报情况”后，A机超过100MS没有反映，则再次重复。若A机超过500MS没有反映，则上位机就认为A机不正常，跳过A机询问B机。

由于在数据包头已经包含了目标地址码，所以在命令子机发送数据时命令中无须再出现地址码。我规定，“TALK*”为让子机发送数据的命令。

上位机每次请求子机发言，都必须是在上一次通讯结束后才能开始下一次通讯。否则会引起总线冲突。同时询问的次数必须考虑传输的波特率与子机的计算速度，否则会导致整体效率低下。

3．控制层

控制层为上层协议，主要任务是与环境，人交互和控制机械部分完成实际的任务。它是直接面对我们的一层协议。

控制层要完成的任务为：按命令控制马达与舵机，采集传感器数值并发送，采集人的决策或根据传回的数据自动作出决策，协调各机器人的运动和任务分配等。

我规定，一条命令由两个字节组成。第一个字节为设备代码，第二个字节为状态代码。每个数据包可以包含多条命令，由于设备代码只有256个，所以每个数据包的长度最多只有515字节，因此无须分割。

每个设备都有其自身独立的设备代码，并且设备状态对其有实际的意义。由于状态代码为0-255，所以每个设备最多只能有256种状态。因此PWM信号的精度最高只能为1/256。

当子机接收到了有效数据时，便将其第一条命令剥离，解释，执行，然后再把第二条命令剥离，解释，执行，直到全部命令都被剥离完。

上位机首先做出决策，例如“A往左，B往右”，然后分离为“A往左”和“B往右”，接着分离为“A的1号电机反转，2号电机正转”，“B的1号电机正转，2号电机反转”，最后分为2个数据包发送出去。