靶場工業(yè)遙控器通訊系統(tǒng)方案
瀏覽：2609 發(fā)布日期：2020/09/04 14:02:46
1. 需求說明
根據(jù)需求，現(xiàn)代化的訓(xùn)練用靶場需要信息化通訊系統(tǒng)支撐，靈活控制，靈活組網(wǎng)，實時性高，抗干擾能力強(qiáng)，可快速替換，快速部署等要求構(gòu)建一個可擴(kuò)展的靶場通訊系統(tǒng)。
1.1. 靶場部署描述
固定靶分布：
A. 間隔50米一行靶機(jī)，每行12個靶機(jī)，一共6行；
B. 一行靶機(jī)，40個；
移動靶機(jī)分布：每個靶場設(shè)置至少2個移動靶車，靶車上裝備靶機(jī)；
單兵終端設(shè)備：被訓(xùn)人員的單兵終端設(shè)備也要連入網(wǎng)絡(luò)。
1.2. 通訊系統(tǒng)要求
需要將每個靶機(jī)連入無線網(wǎng)絡(luò)；
中控室能統(tǒng)一指揮靶機(jī)的起靶和落靶；
每個靶的中靶（命中靶心的坐標(biāo)值）信息回傳到中控室；
中控室可以將中靶信息傳送給單兵終端設(shè)備；
中靶信息實時性要求高，延遲300mS以內(nèi)（即0.3秒）。
2. 方案比較
2.1. WIFI 2.4G組網(wǎng)方案
俗稱的WI-FI即IEEE 802.11協(xié)議族無線通訊協(xié)議規(guī)范。
WI-FI具有高速通訊，多節(jié)點(diǎn)接入，每個節(jié)點(diǎn)擁有對等的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。
通訊速率高：但前提是網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定，且信號質(zhì)量高的情況下，會協(xié)商高的傳輸速率，否則會自動降速，直到掉線。
多節(jié)點(diǎn)接入：接入節(jié)點(diǎn)數(shù)量和流量分配是成反比例的。接入點(diǎn)越多各節(jié)點(diǎn)分配的有效流量也就越少。對于本系統(tǒng)而言，每次通訊數(shù)據(jù)量小，實時性高的要求，WI-FI不能高效的運(yùn)行。
對于本系統(tǒng)而言的缺點(diǎn)：
1.為了保證數(shù)據(jù)可靠送達(dá)，通常使用TCP/IP（面向連接的）協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會被多次封包，每次封包都需要增加實際通訊字節(jié)數(shù)量，使得封包耗費(fèi)的帶寬高于有效數(shù)據(jù)，造成帶寬的浪費(fèi)。
2.接入點(diǎn)太多、通訊的效率低，使得WI-FI在實際使用中，每個節(jié)點(diǎn)定時快速的發(fā)送數(shù)據(jù)包，過高的并發(fā)通訊請求導(dǎo)致競爭沖突的加劇，為了避免競爭，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開銷進(jìn)一步增大，最終導(dǎo)致通訊實時性急劇下降，甚至發(fā)生某些節(jié)點(diǎn)隨機(jī)斷線。
3.快速替換程序復(fù)雜。如果遇到需要隨機(jī)組網(wǎng)，或更換損壞的靶機(jī)時，新加入的靶機(jī)在通訊鏈路上的設(shè)置比較復(fù)雜，要設(shè)置SSID，密碼，IP/MAC重新綁定等等專業(yè)的設(shè)置，不利于現(xiàn)場突發(fā)事件的處理。
4. WI-FI是基于2.4G或5G頻段通訊的，高的空中載波頻率不利于穿透障礙物傳輸，如果在無線傳輸路徑上有障礙物，會大大降低其通訊速度，甚至掉線。
綜上所述，WI-FI更適合每次通訊數(shù)據(jù)量大，通訊有效載荷高的大數(shù)據(jù)量傳輸場景，用在本項目中，不太理想。
2.2. 433MHz射頻組網(wǎng)方案
433MHz射頻通訊，由于其無線工作頻點(diǎn)較低，相比2.4G或更高頻段的無線通訊系統(tǒng)，穿透障礙物能力強(qiáng)。
433MHz的射頻數(shù)字傳輸電臺也廣泛應(yīng)用于工業(yè)和軍用領(lǐng)域，其成熟度好，價格便宜，設(shè)計研發(fā)成本低。
通訊參數(shù)設(shè)置簡單，能快速替換損壞的靶機(jī)，或快速添加靶機(jī)。
對本系統(tǒng)而言的缺點(diǎn)：
433MHz射頻無線由于其載波頻率不高，導(dǎo)致先天性傳輸速率不高。要實現(xiàn)協(xié)議化并發(fā)競爭沖突避讓，會耗費(fèi)本來就有限的帶寬。如果要多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，只有在不要求實時性的應(yīng)用場景下能比較好的工作。如果點(diǎn)對點(diǎn)通訊，實時性還是很好的。
所以如果想用433MHz射頻無線直接連接這么大量的節(jié)點(diǎn)來通訊也是不太合適的。
2.3. ZigBee 2.4G組網(wǎng)方案
ZigBee協(xié)議為近年來新興的一種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，經(jīng)歷十幾年的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)成熟。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱（又稱紫蜂協(xié)議）來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。
無線自組網(wǎng)：ZigBee協(xié)議能實現(xiàn)多個節(jié)點(diǎn)自動組網(wǎng)，自動路由。自動尋找信號質(zhì)量好及最短路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
無線頻段高穿透能力差的彌補(bǔ)：雖然ZigBee也是基于2.4G頻段的無線通訊協(xié)議，也有著穿透障礙物能力差的缺點(diǎn)，但是其自動路由能力可以自動尋找一個沒有障礙物的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有效的彌補(bǔ)了穿透能力差的缺點(diǎn)。如果當(dāng)前無線傳輸路徑上出現(xiàn)障礙物阻斷通訊，協(xié)議會在自身無線覆蓋范圍內(nèi)自動尋找另一個節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
理論傳輸速率不高：ZigBee的理論傳輸速率不如WI-FI高，但是精簡高效的傳輸協(xié)議，在傳輸小數(shù)據(jù)量的時候有著更穩(wěn)定的傳輸速率。對于本系統(tǒng)而言傳輸數(shù)據(jù)量不大，并發(fā)多，并發(fā)密集、現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，綜合效果是超越WI-FI的。
短時延：ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms。相比較，藍(lán)牙需要3～10s、WiFi 需要3 s。
高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個主節(jié)點(diǎn)可管理254個子節(jié)點(diǎn)；同時主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000 個節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。
高安全：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用訪問控制清單(Access Control List, ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
數(shù)據(jù)傳輸保障：由于ZigBee協(xié)議本身具有高效的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)答（成功或失敗），不需要太多額外的帶寬開銷。
對本系統(tǒng)而言的缺點(diǎn)：
雖然ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以很龐大，但是高并發(fā)也會使網(wǎng)絡(luò)效率降低。
3. 方案制定
根據(jù)上述分析，可知相比較而言，ZigBee是更適合本應(yīng)用場景的，但大并發(fā)量問題需要解決。
我們的方案為：ZigBee +有線通訊
將場景中的固定靶機(jī)按行為單位進(jìn)行有線連接，然后連接到ZigBee通訊控制節(jié)點(diǎn)上，這樣可以省下很多節(jié)點(diǎn)資源。
移動靶機(jī)使用單獨(dú)的ZigBee通訊控制節(jié)點(diǎn)，由于移動靶機(jī)并不多，所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)是可以滿足需求的。
另外可以用剩余的節(jié)點(diǎn)資源配置一些臨時性的靶機(jī)，方便額外靈活的添加或替換。還可以利用此網(wǎng)絡(luò)連接場地中需要采集數(shù)據(jù)的傳感器，進(jìn)一步豐富系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)的可用性和檔次。
在需要實時性高并發(fā)的時候可以做到采集100個靶機(jī)時間在300mS以內(nèi)，也就是每秒至少3次全部靶機(jī)的數(shù)據(jù)采集。
根據(jù)需求，現(xiàn)代化的訓(xùn)練用靶場需要信息化通訊系統(tǒng)支撐，靈活控制，靈活組網(wǎng)，實時性高，抗干擾能力強(qiáng)，可快速替換，快速部署等要求構(gòu)建一個可擴(kuò)展的靶場通訊系統(tǒng)。
1.1. 靶場部署描述
固定靶分布：
A. 間隔50米一行靶機(jī)，每行12個靶機(jī)，一共6行；
B. 一行靶機(jī)，40個；
移動靶機(jī)分布：每個靶場設(shè)置至少2個移動靶車，靶車上裝備靶機(jī)；
單兵終端設(shè)備：被訓(xùn)人員的單兵終端設(shè)備也要連入網(wǎng)絡(luò)。
1.2. 通訊系統(tǒng)要求
需要將每個靶機(jī)連入無線網(wǎng)絡(luò)；
中控室能統(tǒng)一指揮靶機(jī)的起靶和落靶；
每個靶的中靶（命中靶心的坐標(biāo)值）信息回傳到中控室；
中控室可以將中靶信息傳送給單兵終端設(shè)備；
中靶信息實時性要求高，延遲300mS以內(nèi)（即0.3秒）。
2. 方案比較
2.1. WIFI 2.4G組網(wǎng)方案
俗稱的WI-FI即IEEE 802.11協(xié)議族無線通訊協(xié)議規(guī)范。
WI-FI具有高速通訊，多節(jié)點(diǎn)接入，每個節(jié)點(diǎn)擁有對等的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。
通訊速率高：但前提是網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定，且信號質(zhì)量高的情況下，會協(xié)商高的傳輸速率，否則會自動降速，直到掉線。
多節(jié)點(diǎn)接入：接入節(jié)點(diǎn)數(shù)量和流量分配是成反比例的。接入點(diǎn)越多各節(jié)點(diǎn)分配的有效流量也就越少。對于本系統(tǒng)而言，每次通訊數(shù)據(jù)量小，實時性高的要求，WI-FI不能高效的運(yùn)行。
對于本系統(tǒng)而言的缺點(diǎn)：
1.為了保證數(shù)據(jù)可靠送達(dá)，通常使用TCP/IP（面向連接的）協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會被多次封包，每次封包都需要增加實際通訊字節(jié)數(shù)量，使得封包耗費(fèi)的帶寬高于有效數(shù)據(jù)，造成帶寬的浪費(fèi)。
2.接入點(diǎn)太多、通訊的效率低，使得WI-FI在實際使用中，每個節(jié)點(diǎn)定時快速的發(fā)送數(shù)據(jù)包，過高的并發(fā)通訊請求導(dǎo)致競爭沖突的加劇，為了避免競爭，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開銷進(jìn)一步增大，最終導(dǎo)致通訊實時性急劇下降，甚至發(fā)生某些節(jié)點(diǎn)隨機(jī)斷線。
3.快速替換程序復(fù)雜。如果遇到需要隨機(jī)組網(wǎng)，或更換損壞的靶機(jī)時，新加入的靶機(jī)在通訊鏈路上的設(shè)置比較復(fù)雜，要設(shè)置SSID，密碼，IP/MAC重新綁定等等專業(yè)的設(shè)置，不利于現(xiàn)場突發(fā)事件的處理。
4. WI-FI是基于2.4G或5G頻段通訊的，高的空中載波頻率不利于穿透障礙物傳輸，如果在無線傳輸路徑上有障礙物，會大大降低其通訊速度，甚至掉線。
綜上所述，WI-FI更適合每次通訊數(shù)據(jù)量大，通訊有效載荷高的大數(shù)據(jù)量傳輸場景，用在本項目中，不太理想。
2.2. 433MHz射頻組網(wǎng)方案
433MHz射頻通訊，由于其無線工作頻點(diǎn)較低，相比2.4G或更高頻段的無線通訊系統(tǒng)，穿透障礙物能力強(qiáng)。
433MHz的射頻數(shù)字傳輸電臺也廣泛應(yīng)用于工業(yè)和軍用領(lǐng)域，其成熟度好，價格便宜，設(shè)計研發(fā)成本低。
通訊參數(shù)設(shè)置簡單，能快速替換損壞的靶機(jī)，或快速添加靶機(jī)。
對本系統(tǒng)而言的缺點(diǎn)：
433MHz射頻無線由于其載波頻率不高，導(dǎo)致先天性傳輸速率不高。要實現(xiàn)協(xié)議化并發(fā)競爭沖突避讓，會耗費(fèi)本來就有限的帶寬。如果要多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，只有在不要求實時性的應(yīng)用場景下能比較好的工作。如果點(diǎn)對點(diǎn)通訊，實時性還是很好的。
所以如果想用433MHz射頻無線直接連接這么大量的節(jié)點(diǎn)來通訊也是不太合適的。
2.3. ZigBee 2.4G組網(wǎng)方案
ZigBee協(xié)議為近年來新興的一種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，經(jīng)歷十幾年的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)成熟。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱（又稱紫蜂協(xié)議）來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。
無線自組網(wǎng)：ZigBee協(xié)議能實現(xiàn)多個節(jié)點(diǎn)自動組網(wǎng)，自動路由。自動尋找信號質(zhì)量好及最短路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
無線頻段高穿透能力差的彌補(bǔ)：雖然ZigBee也是基于2.4G頻段的無線通訊協(xié)議，也有著穿透障礙物能力差的缺點(diǎn)，但是其自動路由能力可以自動尋找一個沒有障礙物的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有效的彌補(bǔ)了穿透能力差的缺點(diǎn)。如果當(dāng)前無線傳輸路徑上出現(xiàn)障礙物阻斷通訊，協(xié)議會在自身無線覆蓋范圍內(nèi)自動尋找另一個節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
理論傳輸速率不高：ZigBee的理論傳輸速率不如WI-FI高，但是精簡高效的傳輸協(xié)議，在傳輸小數(shù)據(jù)量的時候有著更穩(wěn)定的傳輸速率。對于本系統(tǒng)而言傳輸數(shù)據(jù)量不大，并發(fā)多，并發(fā)密集、現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，綜合效果是超越WI-FI的。
短時延：ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms。相比較，藍(lán)牙需要3～10s、WiFi 需要3 s。
高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個主節(jié)點(diǎn)可管理254個子節(jié)點(diǎn)；同時主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000 個節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。
高安全：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用訪問控制清單(Access Control List, ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
數(shù)據(jù)傳輸保障：由于ZigBee協(xié)議本身具有高效的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)答（成功或失敗），不需要太多額外的帶寬開銷。
對本系統(tǒng)而言的缺點(diǎn)：
雖然ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以很龐大，但是高并發(fā)也會使網(wǎng)絡(luò)效率降低。
3. 方案制定
根據(jù)上述分析，可知相比較而言，ZigBee是更適合本應(yīng)用場景的，但大并發(fā)量問題需要解決。
我們的方案為：ZigBee +有線通訊
將場景中的固定靶機(jī)按行為單位進(jìn)行有線連接，然后連接到ZigBee通訊控制節(jié)點(diǎn)上，這樣可以省下很多節(jié)點(diǎn)資源。
移動靶機(jī)使用單獨(dú)的ZigBee通訊控制節(jié)點(diǎn)，由于移動靶機(jī)并不多，所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)是可以滿足需求的。
另外可以用剩余的節(jié)點(diǎn)資源配置一些臨時性的靶機(jī)，方便額外靈活的添加或替換。還可以利用此網(wǎng)絡(luò)連接場地中需要采集數(shù)據(jù)的傳感器，進(jìn)一步豐富系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)的可用性和檔次。
在需要實時性高并發(fā)的時候可以做到采集100個靶機(jī)時間在300mS以內(nèi)，也就是每秒至少3次全部靶機(jī)的數(shù)據(jù)采集。
