基于無線網(wǎng)絡(luò)的多智能體仿真系統(tǒng)的設(shè)計

王中林，劉忠信＋，吳 垠，馬爭光，陳增強，孫青林

（1.南開大學 計算機與控制工程學院，天津300071；2.南開大學 天津市智能機器人技術(shù)重點實驗室，天津300071）

0 引 言

ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層 （PHY）、媒體訪問控制層 （MAC）、傳輸層 （TL）、網(wǎng)絡(luò)層 （NWK）、應用層（APL）等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規(guī)定。ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要特點是低成本、低功耗、低復雜度、低速率、支持大量節(jié)點和多種網(wǎng)絡(luò)拓撲、快速、安全、可靠等，因此得到了廣泛的應用，與此同時，中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟認為ZigBee作為一種短距離無線通信技術(shù)，由于其網(wǎng)絡(luò)可以便捷地為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能，因此在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有非常強的可應用性。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可分為協(xié)調(diào)器 （Coordinator）、路由節(jié)點（Router）和終端節(jié)點 （EndDevice）3種角色。ZigBee技術(shù)可以看成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個具體應用規(guī)范，而由德州儀器 （TI）公司推出的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧軟件Z－Stack則是ZigBee技術(shù)的一個具體實現(xiàn)，它對物理層、媒體訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層以及應用支持子層做了定義，所以用戶可以在Z－Stack的基礎(chǔ)上專注于做應用層的開發(fā)，這樣能大大提高開發(fā)效率并能明顯縮短開發(fā)周期，本文的下位機軟件的開發(fā)就是在其基礎(chǔ)上進行的［1，2］。

一個一致性協(xié)議［3］設(shè)計完成后，需要去驗證它的正確性和實用性，通常的做法是在Matlab 環(huán)境中做相應的仿真，然后通過分析仿真結(jié)果來說明協(xié)議的正確性，鑒于這種方式比較快捷迅速，成為了國內(nèi)外學者目前廣泛采用的方法。但是畢竟理論和現(xiàn)實環(huán)境相差比較大，僅僅在理論環(huán)境中做仿真無法驗證協(xié)議的實用性，所以為了更加接近現(xiàn)實環(huán)境，本文采用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中做實驗的方法去驗證一致性協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都充當著智能體的角色。為了能有更好的交互性與可控性，本文采用Matlab Gui針對性地開發(fā)了一個上位機控制系統(tǒng)，它的主要功能是給下位機發(fā)送指令，且實時接收下位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并在表格中實時顯示各個智能體的狀態(tài)信息及在坐標中實時地繪圖，令整個實驗過程的監(jiān)視更加直觀。該系統(tǒng)界面簡潔友好、運行穩(wěn)定、操作簡單便捷、可擴展性良好，可以有效地幫助一致性協(xié)議的研究。

1 實驗設(shè)備簡介

通過上面的簡單介紹，我們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、Zig－Bee技術(shù)以及一致性有了一定的認識，在對仿真系統(tǒng)的設(shè)計做詳細介紹之前，這里先簡單介紹一下仿真系統(tǒng)的硬件實驗設(shè)備——CC2530－MDK。

這里的CC2530－MDK，即我們采用的系統(tǒng)的硬件平臺——ZigBee設(shè)備，它是由深圳飛比電子科技有限公司推出的，它是基于美國德州儀器 （TI）公司生產(chǎn)的CC253X 的專業(yè)ZigBee／RF4CE 開 發(fā) 系 統(tǒng)。完 美 支 持IEEE 802.15.4標 準 以 及ZigBee 2007／PRO 和ZigBee RF4CE 標 準。CC2530－MDK 整合了TI公司ZigBee CC2530DK 和RemoTI CC2530DK 兩套開發(fā)系統(tǒng)，在功能上與TI公司的官方開發(fā)板SmartRF05EB完美兼容，僅需替換相應協(xié)議棧中LCD驅(qū)動文件即可。它不但可實現(xiàn)簡單的CC253X 系列單品開發(fā)，還可方便組建復雜的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。我們用這個平臺組建簡單的星型網(wǎng)絡(luò)，只是在各終端節(jié)點之間通過能否接受到彼此的信息來設(shè)定網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)［4，5］。

本文該系統(tǒng)中的ZigBee設(shè)備采用16位的網(wǎng)絡(luò)地址，并且除了協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址是0x00外，其他終端節(jié)點的起始網(wǎng)絡(luò)地址是0x796F，然后按加入到網(wǎng)絡(luò)的先后順序依次累加?？紤]到實驗的隨機性，當協(xié)調(diào)器重啟后，我們設(shè)定終端設(shè)備的16位網(wǎng)絡(luò)地址將按上面既定的規(guī)則重新分配。關(guān)于ZigBee設(shè)備的2種地址類型 （64位的MAC地址和16位的網(wǎng)絡(luò)地址）的詳細介紹參見文獻 ［4，5］。

2 仿真系統(tǒng)的設(shè)計

通過上面的介紹我們對實驗所用的ZigBee設(shè)備有了一定地了解，該部分將詳細介紹一下仿真系統(tǒng)的設(shè)計。我們將首先介紹仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成；然后對系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺做一下簡單概述；接下來會詳細說一下仿真系統(tǒng)各個部分的軟件所實現(xiàn)的功能；之后將介紹一下以及整個系統(tǒng)的工作流程；最后回顧一下在系統(tǒng)設(shè)計中解決的關(guān)鍵問題。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本實驗系統(tǒng)包括硬件和軟件2個部分。硬件包括上文提到的CC2530－MDK，另外還有CCdebugger和USB to RS－232。由于CC2530－MDK 是全功能節(jié)點，所以其即可以做協(xié)調(diào)器節(jié)點也可以充當路由節(jié)點和終端節(jié)點，在本文中只用到了協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點。CCdebugger主要作用是在線調(diào)試程序以及通過其向板子下載編譯好的程序。USB to RS－232的作用主要是連接協(xié)調(diào)器節(jié)點和電腦，然后通過上位機控制界面收發(fā)數(shù)據(jù)和向下發(fā)送指令。

軟件包括上位機軟件和下位機軟件2個部分，而下位機軟件又包括協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件設(shè)計和終端節(jié)點的軟件設(shè)計。上位機軟件則是由Matlab Gui開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架及總體設(shè)計如圖1 和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

2.2 軟件開發(fā)平臺

通過上面的簡單介紹，我們對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架以及系統(tǒng)的總體設(shè)計有了一個直觀的認識，在對系統(tǒng)做進一步介紹之前，這里先簡單說一下系統(tǒng)的上位機和下位機軟件開發(fā)平臺。

圖2 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本文的下位機 （CC2530－MDK）軟件的開發(fā)平臺采用嵌入式IAR Embedded Workbench IDE。它適用于大量8位、16位以及32位的微處理器和微控制器，為用戶提供一個代碼繼承能力強且支持絕大多數(shù)目標包括特殊目標在內(nèi)的并易學的開發(fā)環(huán)境，使用戶即使在開發(fā)新的項目時也能在所熟悉的開發(fā)環(huán)境中進行，而且通過IAR 工具用戶可以大大節(jié)省工作時間，有效地提高了用戶的工作效率?？紤]到對我們所選擇的協(xié)議棧軟件版本ZStack－CC2530－2.3.0－1.4.0的兼容性問題，本文所用的IAR Embedded Workbench IDE版本是IAR EW8051－7.51A。

而上位機控制界面的開發(fā)平臺我們選擇的是Matlab Gui（graphical user interface）。Matlab Gui也是面向?qū)ο蟮膱D形化用戶界面開發(fā)環(huán)境，并且相對于其他高級語言Matlab Gui編程更加簡單易學，只要有一定的C 語言基礎(chǔ)即可很快入門，然后能在短期內(nèi)開發(fā)出比較實用簡潔的程序。很適合對VC＋＋、C＃、Java等高級語言不太熟悉并且注重程序的功能性與實用性的研究人員。利用Matlab Gui開發(fā)程序有一個最大的優(yōu)勢就是可以借助Matlab強大的計算與圖形繪制功能來提高編程效率［6］。

2.3 仿真系統(tǒng)的軟件功能

通過圖1，我們可以對整個系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)有個大致的了解，下面分別介紹一下協(xié)調(diào)器節(jié)點、終端節(jié)點以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)這三部分所能實現(xiàn)的功能。

首先協(xié)調(diào)器節(jié)點實現(xiàn)的功能包括：組建網(wǎng)絡(luò)；接收各終端節(jié)點的發(fā)來的數(shù)據(jù)然后通過USB to RS－232傳到電腦；接收上位機的指令并做相應的處理然后通過無線發(fā)送到各終端節(jié)點；如果有LCD 顯示屏的話可以在顯示屏上顯示相應的提示等。

其次終端節(jié)點實現(xiàn)的功能包括：加入到協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)中，并在網(wǎng)絡(luò)中模擬動態(tài)智能體；接收來自協(xié)調(diào)器發(fā)來的指令以執(zhí)行相應的動作；接收鄰居節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)然后做相應的處理并將處理后的信息廣播給協(xié)調(diào)器和鄰居節(jié)點；可以在LCD 顯示屏上實時顯示相應的提示信息等。

最后無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)，它實現(xiàn)的功能主要有以下幾點：通過USB轉(zhuǎn)串口線和協(xié)調(diào)器節(jié)點連接，然后實時接收協(xié)調(diào)器傳上來的數(shù)據(jù)并在界面的表格區(qū)域顯示各終端節(jié)點的信息，并用圖像的形式直觀顯示實時的變化曲線或者是相應的節(jié)點坐標位置；用自定義的命令格式通過向協(xié)調(diào)器發(fā)送命令并經(jīng)過協(xié)調(diào)器將指令發(fā)送到各終端節(jié)點；其他的實驗過程需要的軟件設(shè)置、軟件的快捷工具菜單以及不同實驗方案的管理、對歷史數(shù)據(jù)的查看功能和實驗參數(shù)的設(shè)置等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)的主界面視圖以及相應的下拉功能菜單如圖3所示。

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)主界面

2.4 仿真系統(tǒng)的工作流程

上面對實驗系統(tǒng)的軟件部分的功能做了詳細地介紹。接下來介紹一下整個系統(tǒng)的工作流程。

如圖4所示，首先需要給協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點上電，上電后協(xié)調(diào)器負責建立網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點搜索到網(wǎng)絡(luò)并加入，之后協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點等待上位機發(fā)送開始指令；下位機準備就緒后通過USB轉(zhuǎn)串口線連接電腦和協(xié)調(diào)器；接下來打開無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)；之后開始新建實驗，在新建實驗部分有2個必選設(shè)置分別是選擇實驗方案和選擇實驗節(jié)點數(shù)及狀態(tài)數(shù)，節(jié)點數(shù)是根據(jù)打開的終端節(jié)點的個數(shù)來確定，而狀態(tài)個數(shù)則是由選擇何種實驗方案來確定的，新建實驗部分還有2個可選設(shè)置項分別是設(shè)置實驗名稱及日期和設(shè)置串口連接參數(shù)，這兩項參數(shù)也可以在新建實驗后在系統(tǒng)設(shè)置中進行更改。節(jié)點名稱以及節(jié)點狀態(tài)名稱也可以在系統(tǒng)設(shè)置中進行自定義更改；新建實驗完成后先嘗試打開串口，若串口不可用會有相應提示，用戶可以在系統(tǒng)設(shè)置中重新選擇可用串口以及將各項參數(shù)更改成和協(xié)調(diào)器的一樣；成功打開串口后就可以點擊開始按鈕開始實驗了；實驗完成后，先后點擊停止與斷開串口連接按鈕，接下來就可以對實驗數(shù)據(jù)進行保存和另存為，以備以后查看歷史數(shù)據(jù)之用。

圖4 系統(tǒng)工作流程

2.5 系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵問題

系統(tǒng)設(shè)計中存在的一些關(guān)鍵問題包括：上位機串口通信的設(shè)計以及下位機和上位機之間的數(shù)據(jù)收發(fā)周期的同步2個方面。

在上位機串口通信的設(shè)計上的關(guān)鍵問題主要是選擇采用何種方式進行接收數(shù)據(jù)的問題。在Matlab環(huán)境中，有查詢和中斷2種方法對串口數(shù)據(jù)進行讀取。查詢方式是一種異步串行通信，它需要不停地查詢串行口的緩沖區(qū)，一旦有數(shù)據(jù)就進行讀取，這種通信方式的優(yōu)點在于編程簡單，但是由于不能對數(shù)據(jù)進行實時處理以至于系統(tǒng)的實時性比較差，而且會極大地占用系統(tǒng)資源，所以在實際的應用中實用價值不高，故本文選擇了中斷方式收發(fā)數(shù)據(jù)。中斷方式主要是通過對串口進行控制來實現(xiàn)串行通信的，它采用了Matlab的事件驅(qū)動以及編寫相應的回調(diào)函數(shù)機制。Matlab常用的串口通信中斷事件有：輸出緩沖區(qū)為空事件、串行口引腳狀態(tài)改變事件、緩沖區(qū)有指定字節(jié)數(shù)目的數(shù)據(jù)可用事件、接收到的數(shù)據(jù)有指定的結(jié)束符事件等［7］。

本文選擇的事件驅(qū)動方式是緩沖區(qū)有指定字節(jié)數(shù)目的數(shù)據(jù)可用事件，假定我們指定的字節(jié)數(shù)為n，則當串口監(jiān)視到接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中一旦有n個字節(jié)的數(shù)據(jù)時就即刻激活該事件，然后產(chǎn)生中斷立刻響應相應的回調(diào)函數(shù)進行數(shù)據(jù)處理。這也要求下位機向串口寫數(shù)據(jù)時保證每次寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)一致，當數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)不夠時可以用空格補齊。在選擇事件驅(qū)動方式的問題上，我們也嘗試過采用接收到的數(shù)據(jù)有指定的結(jié)束符事件，我們通過實驗驗證這種方式和緩沖區(qū)有指定字節(jié)數(shù)目的數(shù)據(jù)可用事件效果一樣，這種方式要求下位機每次向串口寫入數(shù)據(jù)時必須添加和上位機接收指定結(jié)束符一樣的自定義字符，譬如我們假定自定義的結(jié)束符是T，則上位機串口監(jiān)視到發(fā)送上來的數(shù)據(jù)的末尾有字符T 時就立刻激活該事件，然后產(chǎn)生中斷調(diào)用相應的回調(diào)函數(shù)進行數(shù)據(jù)處理。用戶可以根據(jù)自己的需要來選擇采用哪種事件來產(chǎn)生中斷。上面說的回調(diào)函數(shù)相當于一個中斷服務子程序。Matlab 提供了一個缺省的instrcallback（obj，event）回調(diào)函數(shù)，其實這個函數(shù)是一個程序模板，用戶可以根據(jù)自己的需要自定義回調(diào)函數(shù)的函數(shù)名和實現(xiàn)方式等。

為了在上位機控制界面實時顯示數(shù)據(jù)以及實時繪圖，界面數(shù)據(jù)的更新周期和下位機終端節(jié)點的無線發(fā)送周期需要保持一致，這樣能避免數(shù)據(jù)顯示出錯。

3 實驗結(jié)果

我們用這套系統(tǒng)分別做了Vicsek 模型一致性算法［8］、有狀態(tài)限制的丟棄型一致性算法［9］以及目標跟蹤算法［10］等幾個方面的實驗。本文主要介紹一下目標跟蹤算法的實驗。這里的目標跟蹤算法指的是我們?nèi)藶榈膶⒁粋€智能體設(shè)定成領(lǐng)導者，而其他智能體則作為跟隨者，跟隨者通過接收到的鄰居信息并根據(jù)內(nèi)置在智能體中的算法程序在實驗一段時間后能夠跟在領(lǐng)導者的附近。圖5演示了跟蹤算法的實驗效果。

圖5中的最長的紅色箭頭代表領(lǐng)導者，藍色箭頭表示跟隨者，從圖5 （a）中可以看出一開始它們都是隨機分布的，方向和速度大小也都是隨機的，整體看上去比較雜亂無章；而從圖5 （b）我們觀察到過一段時間后跟隨者慢慢向領(lǐng)導者靠近，方向、位置及速度都在漸漸趨近領(lǐng)導者；最后的圖5 （c）顯示跟隨者在位置上已經(jīng)全部跟在領(lǐng)導者附近，方向趨于相同，速度基本一致，達到了預期的實驗目標。同時該實驗也驗證了基于Matlab的緩沖區(qū)有指定字節(jié)數(shù)目的數(shù)據(jù)可用事件驅(qū)動的中斷方式能夠穩(wěn)定可靠地進行實時串行通信，并且由于Matlab環(huán)境下編程簡單、數(shù)據(jù)處理及圖形顯示比較方便，大大縮短了控制界面的開發(fā)周期。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多智能體系統(tǒng)一致性仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。下位機軟件采用C 語言編程；上位機控制界面則用Matlab Gui編程，之所以選擇Matlab Gui是為了借助Matlab強大的計算與繪圖功能，同時由于Matlab Gui比較簡單易于掌握，可以整體上簡化上位機控制界面的編程工作量，從而能極大地提高控制界面的開發(fā)效率。本文中上位機控制系統(tǒng)的界面簡潔友好，操作便捷，運行穩(wěn)定，而且軟件具有良好的可擴展性，能夠?qū)崟r的接收并顯示協(xié)調(diào)器發(fā)送上來的各節(jié)點的狀態(tài)信息，同時還能進行實時的繪圖讓用戶能夠更加直觀地觀察系統(tǒng)運行中各智能體的狀態(tài)變化情況，以及通過向下發(fā)送命令對下位機進行實時的控制。本文利用該仿真系統(tǒng)在多個CC2530－MDK 實驗設(shè)備上運行一致性協(xié)議，通過實驗結(jié)果驗證了一致性協(xié)議的正確性及在實際環(huán)境中的可行性，也說明了該系統(tǒng)能有效地幫助一致性問題的研究。

［1］GAO Shouwei，WU Canyang.ZigBee technology practice tuto－rial：Solutions of the wireless sensor network based on CC2430／31 ［M］.Beijing：Beijing Aeronautics and Astronautics University Press，2009 （in Chinese）. ［高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術(shù)實踐教程：基于CC2430／31的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案 ［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.］

［2］Farahani S.ZigBee wireless networks and transceivers ［M］.Access Online via Elsevier，2011.

［3］YANG Wen.Consensus problem in multi－agent systems［D］.Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2009 （in Chinese）.［楊文.多智能體系統(tǒng)一致性問題研究 ［D］.上海：上海交通大學，2009.］

［4］Instruments T.A true system－on－chip solution for 2.4－GHz IEEE802.15.4and ZigBee applications［EB／OL］. ［2011－02－19／2014－02－12］.http：／／www.ti.com／lit／ds／symlink／cc2530.pdf.

［5］Instruments T.CC253xSystem－on－chip Solution for 2.4GHz IEEE802.15.4and ZigBee applications user’s Guide［EB／OL］.［2014－01－20／2014－02－12］.http：／／www.ti.com／lit／ug／swru191e／swru191e.pdf.

［6］LUO Huafei.Study notes of MATLAB GUI design ［M］.Beijing：Beijing Aeronautics and Astronautics University Press，2009 （in Chinese）. ［羅華飛.MATLAB GUI設(shè)計學習手記［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.］

［7］Gupta R，Bera JN，Mitra M.Development of an embedded system and MATLAB－based GUI for online acquisition and analysis of ECG signal ［J］. Measurement，2010，43 （9）：1119－1126.

［8］Degond P，Dimarco G，Mac TBN.Hydrodynamics of the Kuramoto－Vicsek model of rotating self－propelled particles［J］.arXiv Preprint arXiv：1306.3372，2013.

［9］Liu ZX，Chen ZQ.Discarded consensus of network of agents with state constraint ［J］.IEEE Transactions on Automatic Control，2012，57 （11）：2869－2874.

［10］Hu J，F(xiàn)eng G.Distributed tracking control of leader－follower multi－agent systems under noisy measurement［J］.Automatica，2010，46 （8）：1382－1387.