【IoT開發(fā)】機(jī)智云平臺(tái)+STM32的激光打靶系統(tǒng)

鑒于目前部隊(duì)傳統(tǒng)打靶使用實(shí)彈射擊訓(xùn)練，射擊成績(jī)需要人為去查看，該方法效率低、成本高、費(fèi)時(shí)等缺點(diǎn)，激光打靶系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，論文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于激光打靶系統(tǒng)中并完成了相關(guān)應(yīng)用研究。

本文主要內(nèi)容包括基于STM32的單一WiFi節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)，多節(jié)點(diǎn)無線組網(wǎng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)終端上位機(jī)設(shè)計(jì)等，其中WiFi多節(jié)點(diǎn)間采用TCP協(xié)議通信，把靶標(biāo)信息傳輸至機(jī)智云平臺(tái)，最終成功將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用至激光打靶系統(tǒng)，經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)在搭載物聯(lián)網(wǎng)后，報(bào)靶效率大大提高，無線數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確度優(yōu)于95%，傳輸延遲優(yōu)于1S。

0 引言

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的軍事射擊訓(xùn)練方法逐漸被激光打靶系統(tǒng)所取代，這種系統(tǒng)提供了一種更安全、更高效的方式來培訓(xùn)士兵的射擊準(zhǔn)確度。然而，許多激光打靶系統(tǒng)仍采用人工查看射擊結(jié)果的傳統(tǒng)方式，導(dǎo)致效率低、成本高、流程繁瑣。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為這個(gè)問題提供了一種解決方案，提供了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地射擊結(jié)果反饋，同時(shí)提高了射擊訓(xùn)練的效率和安全性。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，激光打靶系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究在國(guó)內(nèi)外都取得了一些進(jìn)展。國(guó)內(nèi)的研究主要集中在數(shù)據(jù)采集和處理、智能控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面；而國(guó)外的研究則主要涉及智能化訓(xùn)練、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用、集成化應(yīng)用等方面。未來的研究重點(diǎn)將會(huì)聚焦于智能化、虛擬化、集成化等方向，為激光打靶系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)?？傊?，激光打靶系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究是一個(gè)不斷發(fā)展、有著廣闊前景的領(lǐng)域。

本文重點(diǎn)探討了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在激光打靶系統(tǒng)中的應(yīng)用，具體而言，基于esp8266和STM32的無線激光打靶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)控和控制。設(shè)計(jì)了一種基于TCP協(xié)議的通信機(jī)制來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并采用了多對(duì)一無線組網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)激光靶之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。探討了單一WF節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)，多節(jié)點(diǎn)無線組網(wǎng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)終端上位機(jī)設(shè)計(jì)，這些組合構(gòu)成了一個(gè)集成物聯(lián)網(wǎng)解決方案的激光打靶系統(tǒng)。通過測(cè)試，我們?cè)u(píng)估了該系統(tǒng)的有效性和效率，并證明將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合到激光打靶系統(tǒng)中可以極大地提高射擊訓(xùn)練的效率和準(zhǔn)確性。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用介紹

1.1多對(duì)一無線組網(wǎng)

無線組網(wǎng)就像一個(gè)小團(tuán)體，由一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)人和若干名成員組成，成員們負(fù)責(zé)提供工作并提供反饋，領(lǐng)導(dǎo)人根據(jù)反饋?zhàn)鞒鱿鄳?yīng)的決策，最終完成任務(wù)。在無線組網(wǎng)過程中，也同樣需要一個(gè)主機(jī)和多個(gè)從機(jī)。從機(jī)將靶環(huán)數(shù)據(jù)反饋給主機(jī)，主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到云端。通過無線傳輸將多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)匯聚到一起，形成物理對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)與目前興起的物聯(lián)網(wǎng)整合起來。通過利用攝像頭采集的靶環(huán)數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)性傳遞數(shù)據(jù)信息的能力，以及云服務(wù)器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以高效地管理物理資源，充分實(shí)現(xiàn)資源信息的共享，最終提高資源的利用率和生產(chǎn)水平。

在本文中，數(shù)據(jù)傳輸使用了TCP協(xié)議，這是互聯(lián)網(wǎng)中的傳輸層協(xié)議，使用三次握手協(xié)議建立連接。主動(dòng)方發(fā)送SYN連接請(qǐng)求后，等待被動(dòng)方回答SYN+ACK，并最終對(duì)被動(dòng)方的SYN進(jìn)行ACK確認(rèn)，完成三次握手后，TCP客戶端和服務(wù)器端成功地建立連接，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該設(shè)計(jì)使用了三個(gè)ESP-01，其中一個(gè)作為主機(jī)或服務(wù)器，另外兩個(gè)被配置成客戶端。服務(wù)器將ESP-01設(shè)置為AP模式，并配置多鏈路傳輸，設(shè)置熱點(diǎn)名稱、密碼、服務(wù)器端口號(hào)，打開TCP?？蛻舳藢SP-01設(shè)置為STA模式，將傳輸鏈路設(shè)置為單鏈路傳輸，連接到服務(wù)器的熱點(diǎn)，將其設(shè)置為透?jìng)髂Ｊ?，并通過TCP握手連接到服務(wù)器的IP地址和端口號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)多對(duì)一的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)框架

圖2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體框圖

1.2機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)框架

機(jī)智云是由廣州機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，提供多種數(shù)據(jù)接入方式，支持底層設(shè)備和云端通信，方便節(jié)點(diǎn)部署和全球設(shè)備的信息傳輸。同時(shí)，機(jī)智云還擁有強(qiáng)大的安全防護(hù)機(jī)制，確保用戶信息數(shù)據(jù)的隱私安全性。平臺(tái)還支持升級(jí)維護(hù)，提供可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和設(shè)備訪問，實(shí)現(xiàn)了功能強(qiáng)大的交互式通信，讓用戶輕松管理和監(jiān)控自己的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。此外，機(jī)智云作為一種云平臺(tái)，還提供了多種工具和服務(wù)，以滿足用戶不同的物聯(lián)網(wǎng)需求。機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)框架如圖1所示

2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以STM32F103C8T6作為系統(tǒng)主控芯片，通過ESP-01模塊實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，OLED作為顯示模塊，機(jī)智云云平臺(tái)作為遠(yuǎn)程上位機(jī)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體主要分為兩部分。

第一部分為WF無線組網(wǎng)，激光靶標(biāo)設(shè)備通過串口將報(bào)靶信息傳輸?shù)娇蛻舳?，客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過配置ESP-01模塊，利用TCP協(xié)議將客戶端從機(jī)與服務(wù)器主機(jī)建立連接，連接成功后客戶端將報(bào)靶信息傳到服務(wù)端主機(jī)，服務(wù)端主機(jī)對(duì)于多節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)整合處理。

第二部分為機(jī)智云云平臺(tái)上報(bào)數(shù)據(jù)，通過配置項(xiàng)目，將機(jī)智云特定協(xié)議移植到工程文件中，將處理后的環(huán)數(shù)數(shù)據(jù)通過ESP-01模塊上傳到機(jī)智云云平臺(tái)，從而可以通過APP端查看數(shù)據(jù)。根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路完成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。

3 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由復(fù)位電路、晶振電路、STM32主控芯片組成，其最小系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

圖4系統(tǒng)主機(jī)整體電路圖

圖5 系統(tǒng)從機(jī)整體電路圖

3.2ESP-01物聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)

ESP-01是一款基于ESP8266芯片的低成本W(wǎng)-F模塊，主頻最高達(dá)160MHZ，該模塊具有功耗低、數(shù)據(jù)處理速度快、體積小等特點(diǎn)，支持RTOS，集成W-FMAC/BB/RF/PA/LNA，板載天線?？梢詫?shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳輸，適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

3.3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)具有服務(wù)器和客戶端兩部分，系統(tǒng)主機(jī)整體電路圖如圖4所示，系統(tǒng)從機(jī)整體電路圖如圖5所示。

4 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1基于機(jī)智云云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸

機(jī)智云具有特定的協(xié)議，設(shè)備通過特定協(xié)議接入機(jī)智云服務(wù)器。因此，只需要實(shí)現(xiàn)與Wi Fi模組的串口通信，即可直接接入機(jī)智云服務(wù)器，機(jī)智云流程框圖如圖6所示。

機(jī)智云平臺(tái)創(chuàng)建工程后提供gizwits＿product.c和gizwits＿protocol.c兩個(gè)C文件。gizwits＿product.c為平臺(tái)相關(guān)處理文件，存放事件處理API接口函數(shù)，gizwits＿protocol.c為協(xié)議實(shí)現(xiàn)文件，存放SDK API接口函數(shù)。因此，只需要將數(shù)據(jù)放入特定結(jié)構(gòu)體中，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。該設(shè)計(jì)使用ESP-01模塊采用TCP通信協(xié)議，一機(jī)一密接入認(rèn)證方式，連接至機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶環(huán)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，ESP-01s發(fā)送特定的數(shù)據(jù)至機(jī)智云，機(jī)智云接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行整理并顯示在設(shè)備中，可通過APP查看數(shù)據(jù)。

4.2 WiFi多節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議

TCP(TransmssonControProtoco，傳輸控制協(xié)議）是一種面向連接的協(xié)議，用于在互聯(lián)網(wǎng)上可靠的傳輸數(shù)據(jù)。

多節(jié)點(diǎn)通信是采用TCP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)多個(gè)客戶端與一個(gè)服務(wù)器建立通信，該系統(tǒng)通過AT指令將其中一個(gè)ESP-01模塊配置為服務(wù)器，另外兩個(gè)ESP-01模塊配置為客戶端。服務(wù)器與客戶端通過TCP協(xié)議連接通信，也就是將服務(wù)器設(shè)置為AP模式，客戶端通過連接服務(wù)器的熱點(diǎn)建立連接，同時(shí)需要將服務(wù)器設(shè)置為多鏈路連接，才可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)通信。Wi-Fi多節(jié)點(diǎn)通信流程圖如圖7所示。

圖6 機(jī)智云流程框圖

4.3系統(tǒng)整體控制工作流程

整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)具有獨(dú)立處理能力的控制節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)為主機(jī)，也就是相當(dāng)于多節(jié)點(diǎn)通信中的服務(wù)器，上電后主機(jī)進(jìn)行初始化并且配置服務(wù)器，初始化完成后等待串口接收，若接收到了數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出環(huán)數(shù)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳到機(jī)智云，即可通過手機(jī)APP查看數(shù)據(jù)，主機(jī)工作流程圖如圖8所示。

其余兩個(gè)為從機(jī)，也就是相當(dāng)于多節(jié)點(diǎn)通信中的客戶端，上電后從機(jī)進(jìn)行初始化并且在初始化中連接主機(jī)服務(wù)器，連接完成后開啟攝像頭，檢測(cè)是否有激光點(diǎn)，檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)綇臋C(jī)，從機(jī)進(jìn)而將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，將分析結(jié)果傳輸?shù)街鳈C(jī)，從機(jī)工作流程圖如圖9所示。

圖8 主機(jī)工作流程圖

圖9 從機(jī)工作流程圖

5 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)試

5.1上位機(jī)系統(tǒng)調(diào)試

首先，在機(jī)智云官網(wǎng)創(chuàng)建APP項(xiàng)目，并將APP項(xiàng)目與打靶系統(tǒng)項(xiàng)目綁定，即可得到激光打靶成績(jī)APP配置界面，如圖10所示。

圖10 激光打靶成績(jī)APP配置界面

在機(jī)智云平臺(tái)中可對(duì)界面進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置，即可得到構(gòu)建出激光打靶成績(jī)APP，此時(shí)機(jī)智云云服務(wù)器就像一個(gè)中轉(zhuǎn)站，一邊連通單片機(jī)，然而另一邊則連接著APP，因此APP可與單片機(jī)通信，APP界面如圖11所示。

5.2無線組網(wǎng)調(diào)試

該設(shè)計(jì)采用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一種基于TCP協(xié)議的無線組網(wǎng)系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)采用WF進(jìn)行通信，隨著傳輸距離的增加，傳輸速率和準(zhǔn)確性就會(huì)受到相應(yīng)的影響，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性，進(jìn)行了對(duì)于傳輸距離和準(zhǔn)確率的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由于測(cè)試場(chǎng)地有限，無法進(jìn)行更遠(yuǎn)距離傳輸測(cè)試，但是根據(jù)表1可以看出，即使傳輸距離增加，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和準(zhǔn)確率影響不大，傳輸距離在15米內(nèi)，系統(tǒng)傳輸準(zhǔn)確性不低于95%，傳輸速率也不高于1s。

5.3云平臺(tái)調(diào)試

連接機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)傳輸無線組網(wǎng)匯總后的數(shù)據(jù)，如果單片機(jī)上報(bào)數(shù)據(jù)過快，會(huì)造成數(shù)據(jù)損壞和丟包等問題，因此上報(bào)數(shù)據(jù)的周期和準(zhǔn)確率就要有一定的取舍，所以要選出最優(yōu)解，才能讓整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)云平臺(tái)部分傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與發(fā)送周期進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

對(duì)測(cè)試結(jié)果分析，將機(jī)智云系統(tǒng)定時(shí)時(shí)間設(shè)置為01ms，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間與傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性的關(guān)系最為適合該系統(tǒng)應(yīng)用。根據(jù)表1和表2的分析結(jié)果不難得出，該系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確度不低于95%，響應(yīng)時(shí)間在1s之內(nèi)。

6 結(jié)論

針對(duì)激光打靶系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸問題，基于無線組網(wǎng)以及云服務(wù)器理論，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了激光打靶系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在激光打靶系統(tǒng)中的應(yīng)用大大降低了激光打靶系統(tǒng)的使用復(fù)雜度，能夠?qū)⒍帱c(diǎn)數(shù)據(jù)匯總到一個(gè)終端顯示處理。

使用TCP協(xié)議進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)通信，使之?dāng)?shù)據(jù)傳輸更高效、可靠性更高。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)APP與下位機(jī)之間的通信，該方法穩(wěn)定性較高，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，使之?dāng)?shù)據(jù)處理查看更加方便。通過對(duì)于整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的不斷調(diào)試，能夠達(dá)到傳輸延遲優(yōu)于1s，并且傳輸數(shù)據(jù)出差錯(cuò)率大大降低，通過調(diào)試客戶端設(shè)備，使之只需要連接一次服務(wù)器，斷電再上電客戶端即會(huì)自動(dòng)連接服務(wù)器，無需再進(jìn)行初始化操作。