ROS基础系列教程5：常规通讯模式

• 这一章的内容我们不讲ROS，讲通讯模式。在之前C++和Python的案例当中，都是有一个订阅节点和发布节点之间进行chatter或者是cmd_vel的消息进行通讯，ROS是一个功能箱，各个节点之间的通讯原理，就是ROS的核心技术点之一。
• 通讯模式的种类很多，比如我们上位机和下位机之间的串口通讯，有的直接发数据，有的则是Modbus协议等等；再比如我们应用层次的通讯，有B/S、C/S架构，请求应答机制，还有最新的MQTT物联网等等，这些都是通讯。
• 只要是通讯，那么他们之间必然是存在共性的，这一章的主要讲解的就是“通讯”。

  单片机与单片机之间的通讯

• 大家既然是和机器人打交道的，那么单片机对于大家来说必然是不可缺少的一个部分。我们可以通过对单片机的编程来控制物理装置，然后我们的机器人动起来。那么单片机和单片机之间、单片机和通讯型传感器之间的通讯原理，必然是需要掌握的。

  串口通讯

• 大家最经常用到的就是串口通讯，通讯TxD和RxD两条线，两边的波特率相同、数据位相同，即可实现数据的收发。那么什么是串口通讯呢？波特率、数据位又是什么？“软串口通讯”又是什么呢？别急，大家继续看下去。

• TxD是发送端口，RxD是接收端口。在MCU1向MCU2发送字符‘A’的过程中， MCU1的数据“按位”在TxD发送引脚进行高低电平的一个跳动，而另一个MCU2的RxD处于接收状态，检测高低电平的跳动进行翻译。
• 在TxD的高低变换和RxD的读取过程当中，跳动频率慢的话，传输数据的时间长，为了保持高速的传输数据，我们将两边的跳动频率在单片机上面设置成相同，这就是波特率。当然，波特率的单位是bps，意味Bit Per Second，位每秒。我们常用的波特率为9600，那么也就是每秒有9600bit的数据到达了接收端，那么9600Bit数据的发送，TxD要跳动多少下 呢？这个问题留给大家来计算。
• 在串口通讯当中，我们做出如下规定。3.3V以上为高电平1，1.2V以下为地电平0，通讯的数据格式默认是8位数据位、1位停止位、无校验（也就是常说的8N1模式）。

  IIC/TWI通讯

• IIC通讯大家也是比较熟悉的，我们在ROS里面使用到的陀螺仪模块，基本上都是IIC通 讯。IIC通讯是由一条数据线SDA（Sign Data，数据信号）和一条时钟线（Sign Clock，时钟信号）组成，时钟线跳动提供实践频率，然后数据线的高低变化来传输数据。IIC通讯属于总线型，两条线上面可以挂载多个设备，每个设备都有一个固有的地址，我们通过地址以 及对应的寄存器就可以进行我们想要的操作。如果有同学 用过HX711压力变送模块的话，那么一定对于这样的模式不会陌生！

SPI通讯

• 相比串口通信和IIC通讯，SPI的通讯方式显得更加的快速。SPI通讯由四条线组成， MOSI（master output slave input，主机输出从机输入，也叫做SDO）、 MISO（master input slave output，主机输入从机输出，也叫做SDI）、SCLK（Sign Clock，也就是SCL，为了区分IIC，我们叫做SCLK）、SS（Sign Select，信号选择）。
• MOSI和MISO负责传输数据，而SCLK提供一个稳定的时钟。相比于IIC通讯，SPI通讯没有设备地址一说，但是却增加了SS信号选择端。当我们由多个从机设备的时候，我们就 可以将从机的SS引脚接在我们的主机上面，通过控制SS信号选择端的电位高低，从而确定是否使用该从机设备。（我更喜欢叫它使能信号，事实正是如此）

RS232/RS485/CAN总线

• 这些同样也属于通讯协议，要么是在信号的电压高低不同，要么是通讯的方式及校验。我自身是一名软件开发人员，这一类协议我并没有去深入的学习，而实通过“转”的一个概念来进行开发。
• 比如RS485通讯，我一般会选择使用MAX485芯片或者模块，直接转为串口通讯来使用。还有CAN总线通讯，这个是我在工作当中用的比较多的，通常情况下我使用 TJA1050，如果由多个CAN总线设备的话，那么再增加一个MCP2512的CAN总线控制器即可转为SPI进行处理。至于RS232那就更多了。软得不够，硬的来凑，这一观念在快速开发产品原型有着巨大的潜能。

  单总线/私有协议

• 在这里我把单总线和私有协议给放在了一起，在我看来，硬件层次的通讯，其实就是电位信号的高低跳动，只是这个跳动规律必须被双方所须知。我可以定义发送引脚跳动5次位 字符“1”，也可以规定信号引脚按照00110001（0x31，即char类型的1）的规律跳动表 示字符“1”。
• 同样，我们在串口、IIC等没有，或者接口数量不足的时候，也可以通过控制引脚电位的高低变化，来实现一个模拟通讯，比如我们Arduino的SoftSerial库（软串口）。

  单片机和PC主机之间通讯

• 单片机和PC主机之间最常用的通讯就是串口通讯，当然在工业级别应用的层次，RS232/485、CAN总线等等，应用也是十分广泛的。在我们的ROS机器人开发当中，下位机和PC主机之间的通讯是串口，通过使用CH340或者CP201X等芯片，进行了一个串口转 USB的方式进行数据传输。
• 在ROS开发当中，PC主机（上位机）就相当于是大脑，负责数据的分析于处理，而我们的下位机也有很多种，在我看来可以分为具有执行和感知。执行机制负责获得PC主机的指令，通过单片机进行驱动，而感知机制负责甲肮获得数据上传至PC主机，PC主机进行分析。

PC主机之间的通讯

• ROS的核心之一，就是通讯。多台机器人通讯、机器人自身的节点通讯，这些都属于是软件层次的一个通讯。既然都是通讯，那么他们之间是存在着一定的异同之处，我们可以通过对比学习，更快的掌握ROS通讯机制。
• 在这里我会重点阐述B/S、C/S架构，socket套接字，请求/应答机制，MQTT这四部分内容，使用Python语言进行讲解（如果用C++，那么这一节的内容我自己都会看懵逼）。

  通讯服务架构B/S和C/S

• 我们先来谈谈B/S架构，B/S，Browser/Server，浏览者/服务站。这个也是我们在日常生活当中经常用到一个服务架构模式，最常见的就是我们在浏览网站的时候，我们以Browser的身份向Server服务器发起访问，从而看到我们想看到的内容。我们可以同时多人 去访问查看同一个内容，前提是这个Server不会因为访问的人太多而死机。
• 而C/S架构，Client/Server，客户端/服务端。这是一种“访问”模式，如果把B/S看作参观浏览的话，那么C/S就是Client和Server坐在一起面对面的交谈了。关于B/S和C/S的内容，我会在后面以代码的形式来向大家展现。如果你是一名非计算机专业的学习者，我建议 你去阅读一下《码农翻身》一书，它可以让你更加轻松的理解这些内容，在我们的底部也会提供此书的电子版。但还是希望大家去支持原版，创作不易。

  Socket套接字

• 这是C/S架构的实现方式，主要是TCP/UDP通讯，在这里我们重点来讲TCP通讯。先贴 一张图。

这个TCP通讯的一个流程图。整体由Client客户端和Server服务端组成。

• （1）我们的服务端先通过socket实例化出来一个TCP的对象（socket()），由于Client客户端是通过IP和端口号来找寻Server服务端的，所以在Server初始化之后就要绑定一个IP和端口（bind()），紧接着就是让我们的Server处于监听状态（listen()），当有Client想要向Server通讯的时候，Client会发起一个连接请求，如果server的通过了accept()，就可以开始通过read()读取信息，或者通过wrtie()发送信息。通讯结束以后，端口关闭，等待下一 个连接。

import socket#导入socket模块，用于TCP/IP通讯 

serversocket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)#初始化一 个socket模块的对象 

serversocket.bind(('127.0.0.1', 55555))#绑定服务器的IP地址，以及通讯端口
serversocket.listen(5)#设置监听，在这里面的参数（int类型）控制连接当前服务器的 最大设备数量 

while True: 
    # 建立客户端连接

    conn,addr = serversocket.accept() 
    print("连接地址: %s" % str(addr)) 

    rec = conn.recv(1024) 
    print (rec.decode('utf‐8')) 

    msg = input()
    conn.send(msg.encode('utf‐8')) 

connsocket.close()

• （2）当Server服务端处于等待状态以后，我们的的Client客户端就可以随时来连接。当然，我们的客户端也是需要通过socket来实例化出来一个TCP对象（socket()），然后通过指定的IP地址和端口号发起连接请求（connect()），连接成功以后就可以通过read()读取信息，或者通过write()发送信息。通讯结束以后，端口关闭。

import socket,sys,time

clientsocket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)#初始化一 个socket模块的对象
clientsocket.connect(('127.0.0.1', 55555))#建立客户端与服务端的连接 56 while True: 7 #发送数据 
ms = input() 
clientsocket.send(ms.encode('utf‐8')) 
#接收数据 
rev = clientsocket.recv(1024)#接收小于1024字节的数据 
easygui.msgbox(msg = rev.decode('utf‐8'))
print(rev.decode('utf‐8')) 
if ms == 'Q!': 
    break 
clientsocket.close()

大家可以来自行体验一下，记得安装socket哦，还有注意Python3和Python2的缩减和 print问题。此代码用python3。

请求/应答机制

• 刚刚说完了C/S架构的实现，现在我们来聊聊B/S架构。大家在生活当中经常会去是要浏览器，在浏览器位置输入一个网址按下回车，即可达到我们想去的页面。那么这个网址到底是什么呢？我们按下回车的瞬间发生了什么呢？
• 大家在是要浏览器的时候，经常会碰到因为网络不流畅导致页面一直处在正在加载中。我们在是要浏览器的时候，实际上是一个远程访问服务器的过程，我们向服务发起一个访问请求，后面跟着我们想要访问的内容，当服务器接收到这个请求之后，它会给你反馈一个应答，同时也把你想访问的内容给你回馈回来。我们在输入网址按下回车的同时，就是一组请求提交给服务器。 在这里，我使用Server酱的接口给大家做一个Python的请求/应答机制例程。Server酱官网：http://sc.ftqq.com/3.version

• 我们在这里注册号之后，绑定微信，我们进入发生消息界面，就可以来发起请求向你的 微信推送消息。

https://sc.ftqq.com/SCU51176Tfa047ea8f37a0eaeffbe3b0750b5b6db5e42b1423ceb e.send?text=主人服务器又挂掉啦~

• 可以看到，前面是网站地址，然后是你的密钥，最后是你要发送的内容。我们可以复制链接在浏览器试一下。这个时候我们的请求就已经发送出去了。

这个位置看到了{“errno”:0,”errmsg”:”success”,”dataset”:”done”}，这个就是应答数据。与此同时，你的微信也会收到如下的一条信息。

• 也就是说，我们在浏览器输入链接按下回车的过程，我们的请求就已经提交了。服务器在收到这个请求之后，执行了两件事。第一，向你的微信推送了一条信息；第二，向作为请求者的你反馈了发送成功的“标示”，也就是服务器收到了你的请求。我们可以通过解析反馈内容，从而得知请求是否发送成功。

#coding:utf‐8 #定义编码格式为UTF‐8 

import requests #导入网络请求功能包 
import time #导入时间功能包 

#通过时间函数，获得今天是周几 
def week(): 
    localtime = time.localtime(time.time())
    return localtime[6] 

#向Server酱油发起网络请求 
def push(result): 
    title = "WaveShare提示您:注意天气变化保持健康心情\n"

    content = 'text='+title+'desp='+result
    url="https://sc.ftqq.com/SCU51176Tfa047ea8f37a0eaeffbe3b0750b5b6db5e42b 1423cebe.send?%s" % content 
    r = requests.get(url) #发起请求
    r.close() 

#根据周几，选择不同的发送内容 
def SendData(): 
    if week() == 0:
        data = "今天是星期一。\n您的课程有：\n软件工程 曹允斌老师 小多媒体501\njava 语言高级 马泽秀老师 信息机房1\nASP.net 李娇老师 信息机房1\n请注意按时上课，再忙都 不要忘记陪对象哟！" 
    elif week() == 1: 
        data = "今天是星期二。\n您的课程有：\n英语 付玲老师 大多媒体506\nJavaScript 马泽秀老师 信息机房1\n自习课\n请注意按时上课，再忙都不要忘记陪对象哟！" 
    elif week() == 2: 
        data = "今天是星期三。\n您的课程有：\nPython 李秋雨老师 小多媒体102\n创新创 业（双周） 赵海玲老师 大多媒体202\n自习课\n请注意按时上课，再忙都不要忘记陪对象 哟！" 
    elif week() == 3: 
        data = "今天是星期四。\n您的课程有：\nASP.net 李娇老师 小多媒体301\njava语言 高级 马泽秀老师 小多媒体501\n软件工程 曹允斌老师 信息机房1\n请注意按时上课，再忙都 不要忘记陪对象哟！" 
    elif week() == 4: 
        data = "今天是星期五。\n您的课程有：\nJavaScript 马泽秀老师 小多媒体502\n体 育 卢军锋老师 体育场\nPython 李秋雨老师 机房\n请注意按时上课，再忙都不要忘记陪对象 哟！" 
    elif week() == 5: 
        data = "今天是星期六。\n该加班了，再忙都不要忘记陪对象哟！" 
    elif week() == 6: 
        data = "今天是星期日。\n该加班了，再忙都不要忘记陪对象哟！" 

    if(data!='0'): 
        print(data) 
        push(data) #发送数据 
        else:
        print('GET Data Fail') 

if __name__ == '__main__':
    while True: 
        localtime = time.localtime(time.time()) 
        if localtime[3] == 7: #判断当前小时是不是7，也就是早上七点多发到我的微信 
        SendData()

        time.sleep(3600) #延时3600秒，也就是1小时，每小时查询下当前时间是不是早上七 点

• 这个是我在大学时候做的一个课程表，早上看课表实在是太麻烦了。每天早上七点多自动发个课表到微信，哪怕中间忘了有什么课，一目了然。前提是你得有一台联网的电脑一直在运行着这个程序，没错，就是云服务器！不过我当时使用的是ESP8266开发板, MicroPython编程，除了给我发个课表，还每个三个小时给我发送个天气预报，怎么样，是不是突然发现“懒”才是科技进步的第一动力！

MQTT

• MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的”轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协 议上。MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、 移动应用等方面有较广泛的应用。

• 实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。 MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：
  • （1）Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题 的消息内容（payload）；
  • （2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。
• MQTT在使用的过程当中需要搭建MQTT服务器，有兴趣的小伙伴可以自行查阅资料 （配置MQTT服务器实在是太太太太繁琐了。基础教程自动跳过）。
• 而MQTT的模式是不是很像我们的ROS呢？发布，订阅，还有节点管理器。关于MQTT的内容，大家可参考菜鸟教程。链接如下。 MQTT菜鸟教程：https://www.runoob.com/w3cnote/mqtt-intro.html
• 关于常规通讯模式的介绍到这里就结束了，在下一讲当中，我们会针对ROS的话题通讯、服务通讯、动作机制三方面做出学习，可以类比这一节的内容哟！