激光打靶系統中物聯網技術的應用研究

魏長彬，滕岳，郭彬，王東振，王雪倩

（滄州交通學院 電子與電氣工程學院，河北滄州，061199）

0 引言

隨著科技的發展，傳統的軍事射擊訓練方法逐漸被激光打靶系統所取代[10]，這種系統提供了一種更安全、更高效的方式來培訓士兵的射擊準確度。然而，許多激光打靶系統仍采用人工查看射擊結果的傳統方式，導致效率低、成本高、流程繁瑣。物聯網（IoT）技術應運而生，為這個問題提供了一種解決方案，提供了實時、準確地射擊結果反饋，同時提高了射擊訓練的效率和安全性。

隨著物聯網技術的不斷發展，激光打靶系統中物聯網技術的應用研究在國內外都取得了一些進展。國內的研究主要集中在數據采集和處理、智能控制、遠程監控等方面；而國外的研究則主要涉及智能化訓練、虛擬現實技術應用、集成化應用等方面[4]。未來的研究重點將會聚焦于智能化、虛擬化、集成化等方向，為激光打靶系統的應用和推廣帶來新的機遇和挑戰。總之，激光打靶系統中物聯網技術的應用研究是一個不斷發展、有著廣闊前景的領域。

論文重點探討了物聯網技術在激光打靶系統中的應用，具體而言，基于ESP8266 和STM32 的無線激光打靶系統的設計與實現，并應用了物聯網技術來實現無線數據傳輸、監控和控制。論文設計了一種基于TCP 協議的通信機制來實現數據傳輸，并采用了多對一無線組網技術來實現多個激光靶之間的無線數據傳輸。探討了單一WiFi 節點的電路設計，多節點無線組網設計和系統終端上位機設計，這些組合構成了一個集成物聯網解決方案的激光打靶系統。通過測試，我們評估了該系統的有效性和效率，并證明將物聯網技術整合到激光打靶系統中可以極大地提高射擊訓練的效率和準確性。論文研究對物聯網技術在軍事訓練領域的發展具有一定的借鑒意義，并為類似系統的設計和實現提供了有用的參考。

1 物聯網技術應用介紹

■1.1 多對一無線組網

無線組網就像一個小團體，由一個領導人和若干名成員組成，成員們負責提供工作并提供反饋，領導人根據反饋作出相應的決策，最終完成任務。在無線組網過程中，也同樣需要一個主機和多個從機。從機將靶環數據反饋給主機，主機對數據進行處理，并通過物聯網將數據上傳到云端。通過無線傳輸將多個數據點匯聚到一起，形成物理對象的網絡，同時與目前興起的物聯網整合起來。通過利用攝像頭采集的靶環數據和物聯網遠程實時性傳遞數據信息的能力，以及云服務器強大的數據處理能力，可以高效地管理物理資源，充分實現資源信息的共享，最終提高資源的利用率和生產水平。

在論文中，數據傳輸使用了TCP 協議，這是互聯網中的傳輸層協議，使用三次握手協議建立連接。主動方發送SYN 連接請求后，等待被動方回答SYN+ACK，并最終對被動方的SYN 進行ACK 確認，完成三次握手后，TCP 客戶端和服務器端成功地建立連接，開始進行數據傳輸。該設計使用了三個ESP-01，其中一個作為主機或服務器，另外兩個被配置成客戶端。服務器將ESP-01 設置為AP 模式，并配置多鏈路傳輸，設置熱點名稱、密碼、服務器端口號，打開TCP。客戶端將ESP-01 設置為STA 模式，將傳輸鏈路設置為單鏈路傳輸，連接到服務器的熱點，將其設置為透傳模式，并通過TCP 握手連接到服務器的IP 地址和端口號，從而實現多對一的數據傳輸。

■1.2 機智云物聯網平臺框架

機智云是由廣州機智云物聯網科技有限公司開發的物聯網平臺，提供多種數據接入方式，支持底層設備和云端通信，方便節點部署和全球設備的信息傳輸。同時，機智云還擁有強大的安全防護機制，確保用戶信息數據的隱私安全性。平臺還支持升級維護，提供可靠的數據存儲和設備訪問，實現了功能強大的交互式通信，讓用戶輕松管理和監控自己的物聯網設備。此外，機智云作為一種云平臺，還提供了多種工具和服務，以滿足用戶不同的物聯網需求。機智云物聯網平臺框架如圖1 所示。

圖1 機智云物聯網平臺框架

2 物聯網系統整體設計

物聯網系統以STM32F103C8T6作為系統主控芯片，通過ESP-01 模塊實現多機通信，OLED 作為顯示模塊，機智云云平臺作為遠程上位機物聯網平臺，物聯網系統整體主要分為兩部分。

第一部分為WiFi 無線組網，激光靶標設備通過串口將報靶信息傳輸到客戶端，客戶端進行數據處理，通過配置ESP-01 模塊，利用TCP 協議將客戶端從機與服務器主機建立連接，連接成功后客戶端將報靶信息傳到服務端主機，服務端主機對于多節點的數據整合處理。

第二部分為機智云云平臺上報數據，通過配置項目，將機智云特定協議移植到工程文件中，將處理后的環數數據通過ESP-01 模塊上傳到機智云云平臺，從而可以通過APP端查看數據。根據以上設計思路完成物聯網系統整體設計框圖，物聯網系統整體框圖如圖2 所示。

圖2 物聯網系統整體框圖

3 物聯網系統硬件設計

■3.1 單片機最小系統

單片機最小系統主要由復位電路、晶振電路、STM32主控芯片組成，其最小系統如圖3 所示。

■3.2 ESP-01 物聯網模塊設計

ESP-01 是一款基于ESP8266 芯片的低成本Wi-Fi 模塊，主頻最高達160MHZ，該模塊具有功耗低、數據處理速度快、體積小等特點，支持RTOS，集成Wi-Fi MAC/BB/RF/PA/LNA，板載天線。可以實現無線網絡連接和數據傳輸，適用于物聯網應用。

■3.3 系統硬件電路設計

該系統具有服務器和客戶端兩部分，系統主機整體電路圖如圖4 所示，系統從機整體電路圖如圖5 所示。

圖4 系統主機整體電路圖

圖5 系統從機整體電路圖

4 物聯網系統軟件設計

■4.1 基于機智云云平臺的數據傳輸

機智云具有特定的協議，設備通過特定協議接入機智云服務器。因此，只需要實現與WiFi 模組的串口通信，即可直接接入機智云服務器，機智云流程框圖如圖6 所示。

機智云平臺創建工程后提供gizwits_product.c 和gizwits_protocol.c 兩個C 文件。gizwits_product.c 為平臺相關處理文件，存放事件處理API 接口函數，gizwits_protocol.c 為協議實現文件，存放SDK API接口函數。因此，只需要將數據放入特定結構體中，即可實現數據上傳。該設計使用ESP-01 模塊采用TCP 通信協議，一機一密接入認證方式，連接至機智云物聯網平臺，實現對靶環的實時監控，ESP-01s 發送特定的數據至機智云，機智云接收到數據后進行整理并顯示在設備中，可通過APP查看數據。

■4.2 WiFi 多節點通信協議

TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）是一種面向連接的協議，用于在互聯網上可靠的傳輸數據[3]。

多節點通信是采用TCP 協議，實現多個客戶端與一個服務器建立通信，該系統通過AT 指令將其中一個ESP-01 模塊配置為服務器，另外兩個ESP-01 模塊配置為客戶端。服務器與客戶端通過TCP 協議連接通信，也就是將服務器設置為AP 模式，客戶端通過連接服務器的熱點建立連接，同時需要將服務器設置為多鏈路連接，才可實現多節點通信。Wi-Fi 多節點通信流程圖如圖7 所示。

圖7 WiFi 多節點通信流程圖

■4.3 系統整體控制工作流程

整個系統分為三個具有獨立處理能力的控制節點，其中一個為主機，也就是相當于多節點通信中的服務器，上電后主機進行初始化并且配置服務器，初始化完成后等待串口接收，若接收到了數據，則將數據進行處理得出環數數據，將數據上傳到機智云，即可通過手機APP 查看數據，主機工作流程圖如圖8 所示。

圖8 主機工作流程圖

其余兩個為從機，也就是相當于多節點通信中的客戶端，上電后從機進行初始化并且在初始化中連接主機服務器，連接完成后開啟攝像頭，檢測是否有激光點，檢測的數據通過串口傳輸到從機，從機進而將數據進行處理分析，將分析結果傳輸到主機，從機工作流程圖如圖9 所示。

圖9 從機工作流程圖

5 物聯網系統調試

■5.1 上位機系統調試

首先，在機智云官網創建APP 項目，并將APP 項目與打靶系統項目綁定，即可得到激光打靶成績APP 配置界面，如圖10 所示。

圖10 激光打靶成績APP 配置界面

在機智云平臺中可對界面進行簡單的配置，即可得到構建出激光打靶成績APP，此時機智云云服務器就像一個中轉站，一邊連通單片機，然而另一邊則連接著APP，因此APP 可與單片機通信，APP 界面如圖11 所示。

圖11 APP 界面

■5.2 無線組網調試

該設計采用的網絡系統是一種基于TCP 協議的無線組網系統，由于該系統采用WiFi 進行通信，隨著傳輸距離的增加，傳輸速率和準確性就會受到相應的影響，為了驗證系統的穩定性和可行性，進行了對于傳輸距離和準確率的測試，測試結果如表1 所示。

表1 無線組網不同傳輸距離對比

由于測試場地有限，無法進行更遠距離傳輸測試，但是根據表1 可以看出，即使傳輸距離增加，對于數據傳輸穩定性和準確率影響不大，傳輸距離在15 米內，系統傳輸準確性不低于95%，傳輸速率也不高于1s。

■5.3 云平臺調試

連接機智云云平臺傳輸無線組網匯總后的數據，如果單片機上報數據過快，會造成數據損壞和丟包等問題，因此上報數據的周期和準確率就要有一定的取舍，所以要選出最優解，才能讓整個系統穩定運行，對云平臺部分傳輸數據的準確性與發送周期進行測試。測試結果如表2 所示。

表2 云平臺不同響應時間對比

對測試結果分析，將機智云系統定時時間設置為0.1ms，系統響應時間與傳輸數據的準確性的關系最為適合該系統應用。根據表1 和表2 的分析結果不難得出，該系統無線數據傳輸準確度不低于95%，響應時間在1s 之內。

6 結論

針對激光打靶系統中數據傳輸問題，基于無線組網以及云服務器理論，設計并實現了激光打靶系統中物聯網技術的應用研究，物聯網技術在激光打靶系統中的應用大大降低了激光打靶系統的使用復雜度，能夠將多點數據匯總到一個終端顯示處理。使用TCP 協議進行多節點通信，使之數據傳輸更高效、可靠性更高。該系統采用物聯網云平臺APP 與下位機之間的通信，該方法穩定性較高，可實現遠程通信，使之數據處理查看更加方便。通過對于整個物聯網系統的不斷調試，能夠達到傳輸延遲優于1s，并且傳輸數據出差錯率大大降低，通過調試客戶端設備，使之只需要連接一次服務器，斷電再上電客戶端即會自動連接服務器，無需再進行初始化操作。