基于UDP的AGV無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程松貴 張文群 王福松

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 安徽省合肥市 230000 2.合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽省合肥市 230000）

（3.安徽江淮銀聯(lián)重型工程機(jī)械有限公司 安徽省合肥市 230000）

1 引言

隨著人工成本越來越高，隨著企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭壓力越來越大，越來越多的物流工作由AGV 小車自動(dòng)完成[1]。AGV 的技術(shù)核心在車載控制系統(tǒng)及AGV 調(diào)度系統(tǒng)。調(diào)度系統(tǒng)與AGV 之間普遍采用Wi-Fi 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并且普遍采用TCPIP 通信協(xié)議。這種模式在車間鋼結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜或電磁干擾比較嚴(yán)重的環(huán)境下，由于無線網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定，導(dǎo)致車載無線通信模塊偶爾掉線，掉線之后車載通信模塊需重新上電或調(diào)度程序重啟才能恢復(fù)正常的通信。鑒于此文章提出基于UDP的AGV無線通信方案，并應(yīng)用于工程項(xiàng)目中，效果良好。

2 UDP協(xié)議通信[2]

用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)是ISO 參考模型中一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供面向操作的簡單非可靠信息傳送服務(wù)。UDP 協(xié)議直接工作于IP 協(xié)議的上層，和TCP 協(xié)議提供的服務(wù)相比具有以下特點(diǎn)：

（1）是一種報(bào)文投遞方式，沒有流的概念；

（2）不存在連接，不提供可靠通信保證；

（3）UDP 頭部包含很少的字節(jié)，比TCP 頭部消耗少，傳輸效率高。

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃陨希琓CP 具有顯而易見的優(yōu)勢(shì)。由于建立了明確的連接，加上有確認(rèn)與超時(shí)重發(fā)、流量控制等功能，端與端之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。這樣的通信方式適合于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜的廣域網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸可能跨越多個(gè)不可預(yù)知的網(wǎng)段的場(chǎng)合。如果應(yīng)用是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境簡單明確或網(wǎng)絡(luò)不確定因素可預(yù)知的局域網(wǎng)，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)能快速自恢復(fù)，UDP 是更合適的通信協(xié)議。

3 AGV無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

AGV 系統(tǒng)的基本構(gòu)成（如圖1 所示），包括調(diào)度系統(tǒng)、局域網(wǎng)、無線基站若干、車載通信模塊若干、車載控制系統(tǒng)若干等。無線基站采用AWK-1131A模塊，為工業(yè)無線AP/client；支持高速無線連接，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)300 Mbps。車載通信模塊為MOXA W2150A，支持TCP Client、TCP Server 及UDP 通信模式；支持快速自動(dòng)無線漫游功能，支持在不同的AP 之間無線漫游接入。調(diào)度系統(tǒng)與AGV的數(shù)據(jù)交互鏈路如下：車載控制系統(tǒng)通過RS232 接口與車載通信模塊通信；再經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)分布的無線基站通信；無線基站通過有線局域網(wǎng)與調(diào)度系統(tǒng)通信。

4 UDP網(wǎng)絡(luò)配置

為了保證車載通信模塊與調(diào)度計(jì)算機(jī)之間能可靠通信，需要對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行正確配置。無線基站配置的主要參數(shù)有：基站IP地址；基站信道號(hào)；基站AP 運(yùn)行模式。車載通信模塊配置的主要參數(shù)有：車載模塊IP 地址；支持的信道號(hào)（最多3 個(gè)）；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議配置為UDP 模式；目標(biāo)地址（調(diào)度計(jì)算機(jī)IP）及目標(biāo)端口號(hào)（每臺(tái)AGV 對(duì)應(yīng)的目標(biāo)端口號(hào)不同，如圖2 所示）；數(shù)據(jù)包分割符。圖3 所示為車載模塊網(wǎng)絡(luò)設(shè)置界面。

圖1：無線網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖2：AGV IP 及端口分配

圖3：車載模塊網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

調(diào)度系統(tǒng)基于Visual Studio 環(huán)境開發(fā)，開發(fā)語言Visual C#，為了與所有AGV 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，建立通信類，該類用UdpClient 類實(shí)現(xiàn)UDP 協(xié)議，用IPEndPoint 類負(fù)責(zé)捆綁IP 及端口號(hào)，分別位于命名空間System.Net.Sockets 及System.Net。通信類設(shè)計(jì)接收和發(fā)送兩個(gè)線程，通過UdpClient 對(duì)象實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送接收。通信類部分代碼如下：

圖4：調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文

圖5：AGV 發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文

圖6：調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送線程邏輯流程

基于上述通信類，為每個(gè)AGV 創(chuàng)建通信對(duì)象，并依據(jù)圖2 網(wǎng)絡(luò)配置報(bào)表配置AGV_IP、AGV_Port 及調(diào)度計(jì)算機(jī)端口號(hào)PC_Port。

5 UDP應(yīng)用層安全通信實(shí)現(xiàn)

鑒于UDP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不提供可靠性保證，調(diào)度系統(tǒng)需要在UDP應(yīng)用層進(jìn)行通信安全性設(shè)計(jì)。交互的數(shù)據(jù)主要用于AGV 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、交通燈控制、交通管制及AGV 車輛調(diào)度等。數(shù)據(jù)交互的應(yīng)用層安全設(shè)計(jì)最基本最重要的是軟件接口協(xié)議設(shè)計(jì)，合理的軟件接口協(xié)議能以極少的資源消耗穩(wěn)定高效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，并且程序邏輯易于實(shí)現(xiàn)。

圖4 及圖5 分別為調(diào)度系統(tǒng)和AGV 發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文格式，既調(diào)度系統(tǒng)與AGV 之間的軟件接口協(xié)議。該軟件接口協(xié)議可靠性實(shí)現(xiàn)有3 層保障。

（1）有報(bào)頭及報(bào)尾支持?jǐn)?shù)據(jù)的高效截取，報(bào)文長度短小固定，便于控制系統(tǒng)高效采集數(shù)據(jù)；

（2）采用校驗(yàn)碼，校驗(yàn)碼檢驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)文的有效性，校驗(yàn)碼只對(duì)報(bào)頭、報(bào)尾及檢驗(yàn)碼之外的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，為提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，采用按字節(jié)累加校驗(yàn)策略，若應(yīng)用環(huán)境惡劣，可采用CRC 校驗(yàn)策略；

（3）采用序號(hào)戳，以支持控制系統(tǒng)判定數(shù)據(jù)報(bào)文有無丟失。

應(yīng)用層通信安全設(shè)計(jì)除了合適的軟件接口協(xié)議之外，還需合適的數(shù)據(jù)交互邏輯實(shí)現(xiàn)機(jī)制。調(diào)度系統(tǒng)與車載控制系統(tǒng)組之間的數(shù)據(jù)交互采用多線程應(yīng)答機(jī)制，調(diào)度系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)起AGV 心跳數(shù)據(jù)或命令數(shù)據(jù)，AGV 收到心跳數(shù)據(jù)或命令數(shù)據(jù)報(bào)后，返回相關(guān)信息給調(diào)度系統(tǒng)。調(diào)度系統(tǒng)啟動(dòng)后首先發(fā)送心跳數(shù)據(jù)，然后根據(jù)AGV 返回的數(shù)據(jù)決定下一次是發(fā)送命令數(shù)據(jù)還是發(fā)送心跳數(shù)據(jù)。

調(diào)度系統(tǒng)每個(gè)AGV 通信對(duì)象包含接收及發(fā)送線程。接收線程的Receive 方法采用阻止執(zhí)行機(jī)制，直到收到消息該方法才執(zhí)行完畢，消息糾錯(cuò)及解析處理后再循環(huán)調(diào)用Receive 方法，阻止執(zhí)行直到下一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文到來。

發(fā)送線程采用定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文的模式，時(shí)間間隔滿足工程需要就行，本調(diào)度系統(tǒng)時(shí)間間隔1 秒。為防止AGV 與調(diào)度系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)出錯(cuò)或數(shù)據(jù)丟失，增加了序號(hào)戳處理，數(shù)據(jù)發(fā)送若出錯(cuò)則重新發(fā)送。調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送線程邏輯流程如圖6 所示。

圖6 關(guān)鍵點(diǎn)為等待命令發(fā)送標(biāo)識(shí)符判定、命令已發(fā)送標(biāo)識(shí)符判定及序號(hào)戳一致性判定。調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)發(fā)送的序號(hào)戳與返回序號(hào)戳是否一致判定命令發(fā)送是否有效，若無效則重新發(fā)送。調(diào)度系統(tǒng)每發(fā)送一次數(shù)據(jù)報(bào)文前，序號(hào)戳更新，相對(duì)時(shí)間戳控制系統(tǒng)處理起來簡單高效。

AGV 車載控制系統(tǒng)收到調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)報(bào)后，只做報(bào)文的截取、糾錯(cuò)、解析及應(yīng)用處理，然后立即回發(fā)數(shù)據(jù)，邏輯相對(duì)簡單，不再贅述。

6 結(jié)論

文章采用UDP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，制定合理的軟件接口協(xié)議及數(shù)據(jù)交互機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)安全交互。該技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性及可靠性比較高，經(jīng)長期的生產(chǎn)驗(yàn)證，效果良好。