激光打靶系统中物联网技术的应用研究

魏长彬，滕岳，郭彬，王东振，王雪倩

（沧州交通学院 电子与电气工程学院，河北沧州，061199）

0 引言

随着科技的发展，传统的军事射击训练方法逐渐被激光打靶系统所取代[10]，这种系统提供了一种更安全、更高效的方式来培训士兵的射击准确度。然而，许多激光打靶系统仍采用人工查看射击结果的传统方式，导致效率低、成本高、流程繁琐。物联网（IoT）技术应运而生，为这个问题提供了一种解决方案，提供了实时、准确地射击结果反馈，同时提高了射击训练的效率和安全性。

随着物联网技术的不断发展，激光打靶系统中物联网技术的应用研究在国内外都取得了一些进展。国内的研究主要集中在数据采集和处理、智能控制、远程监控等方面；而国外的研究则主要涉及智能化训练、虚拟现实技术应用、集成化应用等方面[4]。未来的研究重点将会聚焦于智能化、虚拟化、集成化等方向，为激光打靶系统的应用和推广带来新的机遇和挑战。总之，激光打靶系统中物联网技术的应用研究是一个不断发展、有着广阔前景的领域。

论文重点探讨了物联网技术在激光打靶系统中的应用，具体而言，基于ESP8266 和STM32 的无线激光打靶系统的设计与实现，并应用了物联网技术来实现无线数据传输、监控和控制。论文设计了一种基于TCP 协议的通信机制来实现数据传输，并采用了多对一无线组网技术来实现多个激光靶之间的无线数据传输。探讨了单一WiFi 节点的电路设计，多节点无线组网设计和系统终端上位机设计，这些组合构成了一个集成物联网解决方案的激光打靶系统。通过测试，我们评估了该系统的有效性和效率，并证明将物联网技术整合到激光打靶系统中可以极大地提高射击训练的效率和准确性。论文研究对物联网技术在军事训练领域的发展具有一定的借鉴意义，并为类似系统的设计和实现提供了有用的参考。

1 物联网技术应用介绍

■1.1 多对一无线组网

无线组网就像一个小团体，由一个领导人和若干名成员组成，成员们负责提供工作并提供反馈，领导人根据反馈作出相应的决策，最终完成任务。在无线组网过程中，也同样需要一个主机和多个从机。从机将靶环数据反馈给主机，主机对数据进行处理，并通过物联网将数据上传到云端。通过无线传输将多个数据点汇聚到一起，形成物理对象的网络，同时与目前兴起的物联网整合起来。通过利用摄像头采集的靶环数据和物联网远程实时性传递数据信息的能力，以及云服务器强大的数据处理能力，可以高效地管理物理资源，充分实现资源信息的共享，最终提高资源的利用率和生产水平。

在论文中，数据传输使用了TCP 协议，这是互联网中的传输层协议，使用三次握手协议建立连接。主动方发送SYN 连接请求后，等待被动方回答SYN+ACK，并最终对被动方的SYN 进行ACK 确认，完成三次握手后，TCP 客户端和服务器端成功地建立连接，开始进行数据传输。该设计使用了三个ESP-01，其中一个作为主机或服务器，另外两个被配置成客户端。服务器将ESP-01 设置为AP 模式，并配置多链路传输，设置热点名称、密码、服务器端口号，打开TCP。客户端将ESP-01 设置为STA 模式，将传输链路设置为单链路传输，连接到服务器的热点，将其设置为透传模式，并通过TCP 握手连接到服务器的IP 地址和端口号，从而实现多对一的数据传输。

■1.2 机智云物联网平台框架

机智云是由广州机智云物联网科技有限公司开发的物联网平台，提供多种数据接入方式，支持底层设备和云端通信，方便节点部署和全球设备的信息传输。同时，机智云还拥有强大的安全防护机制，确保用户信息数据的隐私安全性。平台还支持升级维护，提供可靠的数据存储和设备访问，实现了功能强大的交互式通信，让用户轻松管理和监控自己的物联网设备。此外，机智云作为一种云平台，还提供了多种工具和服务，以满足用户不同的物联网需求。机智云物联网平台框架如图1 所示。

图1 机智云物联网平台框架

2 物联网系统整体设计

物联网系统以STM32F103C8T6作为系统主控芯片，通过ESP-01 模块实现多机通信，OLED 作为显示模块，机智云云平台作为远程上位机物联网平台，物联网系统整体主要分为两部分。

第一部分为WiFi 无线组网，激光靶标设备通过串口将报靶信息传输到客户端，客户端进行数据处理，通过配置ESP-01 模块，利用TCP 协议将客户端从机与服务器主机建立连接，连接成功后客户端将报靶信息传到服务端主机，服务端主机对于多节点的数据整合处理。

第二部分为机智云云平台上报数据，通过配置项目，将机智云特定协议移植到工程文件中，将处理后的环数数据通过ESP-01 模块上传到机智云云平台，从而可以通过APP端查看数据。根据以上设计思路完成物联网系统整体设计框图，物联网系统整体框图如图2 所示。

图2 物联网系统整体框图

3 物联网系统硬件设计

■3.1 单片机最小系统

单片机最小系统主要由复位电路、晶振电路、STM32主控芯片组成，其最小系统如图3 所示。

■3.2 ESP-01 物联网模块设计

ESP-01 是一款基于ESP8266 芯片的低成本Wi-Fi 模块，主频最高达160MHZ，该模块具有功耗低、数据处理速度快、体积小等特点，支持RTOS，集成Wi-Fi MAC/BB/RF/PA/LNA，板载天线。可以实现无线网络连接和数据传输，适用于物联网应用。

■3.3 系统硬件电路设计

该系统具有服务器和客户端两部分，系统主机整体电路图如图4 所示，系统从机整体电路图如图5 所示。

图4 系统主机整体电路图

图5 系统从机整体电路图

4 物联网系统软件设计

■4.1 基于机智云云平台的数据传输

机智云具有特定的协议，设备通过特定协议接入机智云服务器。因此，只需要实现与WiFi 模组的串口通信，即可直接接入机智云服务器，机智云流程框图如图6 所示。

机智云平台创建工程后提供gizwits_product.c 和gizwits_protocol.c 两个C 文件。gizwits_product.c 为平台相关处理文件，存放事件处理API 接口函数，gizwits_protocol.c 为协议实现文件，存放SDK API接口函数。因此，只需要将数据放入特定结构体中，即可实现数据上传。该设计使用ESP-01 模块采用TCP 通信协议，一机一密接入认证方式，连接至机智云物联网平台，实现对靶环的实时监控，ESP-01s 发送特定的数据至机智云，机智云接收到数据后进行整理并显示在设备中，可通过APP查看数据。

■4.2 WiFi 多节点通信协议

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的协议，用于在互联网上可靠的传输数据[3]。

多节点通信是采用TCP 协议，实现多个客户端与一个服务器建立通信，该系统通过AT 指令将其中一个ESP-01 模块配置为服务器，另外两个ESP-01 模块配置为客户端。服务器与客户端通过TCP 协议连接通信，也就是将服务器设置为AP 模式，客户端通过连接服务器的热点建立连接，同时需要将服务器设置为多链路连接，才可实现多节点通信。Wi-Fi 多节点通信流程图如图7 所示。

图7 WiFi 多节点通信流程图

■4.3 系统整体控制工作流程

整个系统分为三个具有独立处理能力的控制节点，其中一个为主机，也就是相当于多节点通信中的服务器，上电后主机进行初始化并且配置服务器，初始化完成后等待串口接收，若接收到了数据，则将数据进行处理得出环数数据，将数据上传到机智云，即可通过手机APP 查看数据，主机工作流程图如图8 所示。

图8 主机工作流程图

其余两个为从机，也就是相当于多节点通信中的客户端，上电后从机进行初始化并且在初始化中连接主机服务器，连接完成后开启摄像头，检测是否有激光点，检测的数据通过串口传输到从机，从机进而将数据进行处理分析，将分析结果传输到主机，从机工作流程图如图9 所示。

图9 从机工作流程图

5 物联网系统调试

■5.1 上位机系统调试

首先，在机智云官网创建APP 项目，并将APP 项目与打靶系统项目绑定，即可得到激光打靶成绩APP 配置界面，如图10 所示。

图10 激光打靶成绩APP 配置界面

在机智云平台中可对界面进行简单的配置，即可得到构建出激光打靶成绩APP，此时机智云云服务器就像一个中转站，一边连通单片机，然而另一边则连接着APP，因此APP 可与单片机通信，APP 界面如图11 所示。

图11 APP 界面

■5.2 无线组网调试

该设计采用的网络系统是一种基于TCP 协议的无线组网系统，由于该系统采用WiFi 进行通信，随着传输距离的增加，传输速率和准确性就会受到相应的影响，为了验证系统的稳定性和可行性，进行了对于传输距离和准确率的测试，测试结果如表1 所示。

表1 无线组网不同传输距离对比

由于测试场地有限，无法进行更远距离传输测试，但是根据表1 可以看出，即使传输距离增加，对于数据传输稳定性和准确率影响不大，传输距离在15 米内，系统传输准确性不低于95%，传输速率也不高于1s。

■5.3 云平台调试

连接机智云云平台传输无线组网汇总后的数据，如果单片机上报数据过快，会造成数据损坏和丢包等问题，因此上报数据的周期和准确率就要有一定的取舍，所以要选出最优解，才能让整个系统稳定运行，对云平台部分传输数据的准确性与发送周期进行测试。测试结果如表2 所示。

表2 云平台不同响应时间对比

对测试结果分析，将机智云系统定时时间设置为0.1ms，系统响应时间与传输数据的准确性的关系最为适合该系统应用。根据表1 和表2 的分析结果不难得出，该系统无线数据传输准确度不低于95%，响应时间在1s 之内。

6 结论

针对激光打靶系统中数据传输问题，基于无线组网以及云服务器理论，设计并实现了激光打靶系统中物联网技术的应用研究，物联网技术在激光打靶系统中的应用大大降低了激光打靶系统的使用复杂度，能够将多点数据汇总到一个终端显示处理。使用TCP 协议进行多节点通信，使之数据传输更高效、可靠性更高。该系统采用物联网云平台APP 与下位机之间的通信，该方法稳定性较高，可实现远程通信，使之数据处理查看更加方便。通过对于整个物联网系统的不断调试，能够达到传输延迟优于1s，并且传输数据出差错率大大降低，通过调试客户端设备，使之只需要连接一次服务器，断电再上电客户端即会自动连接服务器，无需再进行初始化操作。