【IoT開發(fā)】機智云平臺+STM32的激光打靶系統(tǒng)

鑒于目前部隊傳統(tǒng)打靶使用實彈射擊訓練，射擊成績需要人為去查看，該方法效率低、成本高、費時等缺點，激光打靶系統(tǒng)應運而生，論文將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于激光打靶系統(tǒng)中并完成了相關應用研究。

本文主要內(nèi)容包括基于STM32的單一WiFi節(jié)點的電路設計，多節(jié)點無線組網(wǎng)設計，系統(tǒng)終端上位機設計等，其中WiFi多節(jié)點間采用TCP協(xié)議通信，把靶標信息傳輸至機智云平臺，最終成功將物聯(lián)網(wǎng)應用至激光打靶系統(tǒng)，經(jīng)測試該系統(tǒng)在搭載物聯(lián)網(wǎng)后，報靶效率大大提高，無線數(shù)據(jù)傳輸準確度優(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士兵的射擊準確度。然而，許多激光打靶系統(tǒng)仍采用人工查看射擊結果的傳統(tǒng)方式，導致效率低、成本高、流程繁瑣。物聯(lián)網(wǎng)（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(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，激光打靶系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)技術的應用研究在國內(nèi)外都取得了一些進展。國內(nèi)的研究主要集中在數(shù)據(jù)采集和處理、智能控制、遠程監(jiān)控等方面；而國外的研究則主要涉及智能化訓練、虛擬現(xiàn)實技術應用、集成化應用等方面。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(tǒng)的應用和推廣帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。總之，激光打靶系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)技術的應用研究是一個不斷發(fā)展、有著廣闊前景的領域。

本文重點探討了物聯(lián)網(wǎng)技術在激光打靶系統(tǒng)中的應用，具體而言，基于esp8266和STM32的無線激光打靶系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，并應用了物聯(lián)網(wǎng)技術來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)控和控制。設計了一種基于TCP協(xié)議的通信機制來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并采用了多對一無線組網(wǎng)技術來實現(xiàn)多個激光靶之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。探討了單一WF節(jié)點的電路設計，多節(jié)點無線組網(wǎng)設計和系統(tǒng)終端上位機設計，這些組合構成了一個集成物聯(lián)網(wǎng)解決方案的激光打靶系統(tǒng)。通過測試，我們評估了該系統(tǒng)的有效性和效率，并證明將物聯(lián)網(wǎng)技術整合到激光打靶系統(tǒng)中可以極大地提高射擊訓練的效率和準確性。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術應用介紹

1.1多對一無線組網(wǎng)

無線組網(wǎng)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(jù)反饋作出相應的決策，最終完成任務。在無線組網(wǎng)過程中，也同樣需要一個主機和多個從機。從機將靶環(huán)數(shù)據(jù)反饋給主機，主機對數(shù)據(jù)進行處理，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數(shù)據(jù)點匯聚到一起，形成物理對象的網(wǎng)絡，同時與目前興起的物聯(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)遠程實時性傳遞數(shù)據(jù)信息的能力，以及云服務器強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以高效地管理物理資源，充分實現(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。主動方發(fā)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(shù)據(jù)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(xiàn)多對一的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺框架

圖2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體框圖

1.2機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺框架

機智云是由廣州機智云物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)平臺，提供多種數(shù)據(jù)接入方式，支持底層設備和云端通信，方便節(jié)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(shù)據(jù)的隱私安全性。平臺還支持升級維護，提供可靠的數(shù)據(jù)存儲和設備訪問，實現(xiàn)了功能強大的交互式通信，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(lián)網(wǎng)需求。機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺框架如圖1所示

2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體設計

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以STM32F103C8T6作為系統(tǒng)主控芯片，通過ESP-01模塊實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)平臺，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)，激光靶標設備通過串口將報靶信息傳輸?shù)娇蛻舳耍蛻舳诉M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(jié)點的數(shù)據(jù)整合處理。

第二部分為機智云云平臺上報數(shù)據(jù)，通過配置項目，將機智云特定協(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模塊上傳到機智云云平臺，從而可以通過APP端查看數(shù)據(jù)。根據(jù)以上設計思路完成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體設計框圖，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)硬件設計

3.1單片機最小系統(tǒng)

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

圖3 單片機最小系統(tǒng)電路圖

圖4系統(tǒng)主機整體電路圖

圖5 系統(tǒng)從機整體電路圖

3.2ESP-01物聯(lián)網(wǎng)模塊設計

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

3.3系統(tǒng)硬件電路設計

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

4 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件設計

4.1基于機智云云平臺的數(shù)據(jù)傳輸

機智云具有特定的協(xié)議，設備通過特定協(xié)議接入機智云服務器。因此，只需要實現(xiàn)與Wi Fi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(chuàng)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(shù)，gizwits＿protocol.c為協(xié)議實現(xiàn)文件，存放SDK API接口函數(shù)。因此，只需要將數(shù)據(jù)放入特定結構體中，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。該設計使用ESP-01模塊采用TCP通信協(xié)議，一機一密接入認證方式，連接至機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)對靶環(huán)的實時監(jiān)控，ESP-01s發(fā)送特定的數(shù)據(jù)至機智云，機智云接收到數(shù)據(jù)后進行整理并顯示在設備中，可通過APP查看數(shù)據(jù)。

4.2 WiFi多節(jié)點通信協(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)點通信是采用TCP協(xié)議，實現(xiàn)多個客戶端與一個服務器建立通信，該系統(tǒng)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(xié)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(xiàn)多節(jié)點通信。Wi-Fi多節(jié)點通信流程圖如圖7所示。

圖6 機智云流程框圖

4.3系統(tǒng)整體控制工作流程

整個系統(tǒng)分為三個具有獨立處理能力的控制節(jié)點，其中一個為主機，也就是相當于多節(jié)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(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)進行處理得出環(huán)數(shù)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳到機智云，即可通過手機APP查看數(shù)據(jù)，主機工作流程圖如圖8所示。

其余兩個為從機，也就是相當于多節(jié)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(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)綇臋C，從機進而將數(shù)據(jù)進行處理分析，將分析結果傳輸?shù)街鳈C，從機工作流程圖如圖9所示。

圖8 主機工作流程圖

圖9 從機工作流程圖

5 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)試

5.1上位機系統(tǒng)調(diào)試

首先，在機智云官網(wǎng)創(chuàng)建APP項目，并將APP項目與打靶系統(tǒng)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。

5.2無線組網(wǎng)調(diào)試

該設計采用的網(wǎng)絡系統(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(tǒng)的穩(wěn)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。

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

5.3云平臺調(diào)試

連接機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺傳輸無線組網(wǎng)匯總后的數(shù)據(jù)，如果單片機上報數(shù)據(jù)過快，會造成數(shù)據(jù)損壞和丟包等問題，因此上報數(shù)據(jù)的周期和準確率就要有一定的取舍，所以要選出最優(yōu)解，才能讓整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行，對云平臺部分傳輸數(shù)據(jù)的準確性與發(fā)送周期進行測試。測試結果如表2所示。

對測試結果分析，將機智云系統(tǒng)定時時間設置為01ms，系統(tǒng)響應時間與傳輸數(shù)據(jù)的準確性的關系最為適合該系統(tǒng)應用。根據(jù)表1和表2的分析結果不難得出，該系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸準確度不低于95%，響應時間在1s之內(nèi)。

6 結論

針對激光打靶系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸問題，基于無線組網(wǎng)以及云服務器理論，設計并實現(xiàn)了激光打靶系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)技術的應用研究，物聯(lián)網(wǎng)技術在激光打靶系統(tǒng)中的應用大大降低了激光打靶系統(tǒng)的使用復雜度，能夠?qū)⒍帱c數(shù)據(jù)匯總到一個終端顯示處理。

使用TCP協(xié)議進行多節(jié)點通信，使之數(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APP與下位機之間的通信，該方法穩(wěn)定性較高，可實現(xiàn)遠程通信，使之數(shù)據(jù)處理查看更加方便。通過對于整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的不斷調(diào)試，能夠達到傳輸延遲優(yōu)于1s，并且傳輸數(shù)據(jù)出差錯率大大降低，通過調(diào)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。