靶場工業遙控器通訊系統方案
瀏覽：2488 發布日期：2020/09/04 14:02:46
1. 需求說明
根據需求，現代化的訓練用靶場需要信息化通訊系統支撐，靈活控制，靈活組網，實時性高，抗干擾能力強，可快速替換，快速部署等要求構建一個可擴展的靶場通訊系統。
1.1. 靶場部署描述
固定靶分布：
A. 間隔50米一行靶機，每行12個靶機，一共6行；
B. 一行靶機，40個；
移動靶機分布：每個靶場設置至少2個移動靶車，靶車上裝備靶機；
單兵終端設備：被訓人員的單兵終端設備也要連入網絡。
1.2. 通訊系統要求
需要將每個靶機連入無線網絡；
中控室能統一指揮靶機的起靶和落靶；
每個靶的中靶（命中靶心的坐標值）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備；
中靶信息實時性要求高，延遲300mS以內（即0.3秒）。
2. 方案比較
2.1. WIFI 2.4G組網方案
俗稱的WI-FI即IEEE 802.11協議族無線通訊協議規范。
WI-FI具有高速通訊，多節點接入，每個節點擁有對等的網絡關系。
通訊速率高：但前提是網絡信號穩定，且信號質量高的情況下，會協商高的傳輸速率，否則會自動降速，直到掉線。
多節點接入：接入節點數量和流量分配是成反比例的。接入點越多各節點分配的有效流量也就越少。對于本系統而言，每次通訊數據量小，實時性高的要求，WI-FI不能高效的運行。
對于本系統而言的缺點：
1.為了保證數據可靠送達，通常使用TCP/IP（面向連接的）協議進行數據交換，要傳輸的數據會被多次封包，每次封包都需要增加實際通訊字節數量，使得封包耗費的帶寬高于有效數據，造成帶寬的浪費。
2.接入點太多、通訊的效率低，使得WI-FI在實際使用中，每個節點定時快速的發送數據包，過高的并發通訊請求導致競爭沖突的加劇，為了避免競爭，網絡協議的開銷進一步增大，最終導致通訊實時性急劇下降，甚至發生某些節點隨機斷線。
3.快速替換程序復雜。如果遇到需要隨機組網，或更換損壞的靶機時，新加入的靶機在通訊鏈路上的設置比較復雜，要設置SSID，密碼，IP/MAC重新綁定等等專業的設置，不利于現場突發事件的處理。
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更適合每次通訊數據量大，通訊有效載荷高的大數據量傳輸場景，用在本項目中，不太理想。
2.2. 433MHz射頻組網方案
433MHz射頻通訊，由于其無線工作頻點較低，相比2.4G或更高頻段的無線通訊系統，穿透障礙物能力強。
433MHz的射頻數字傳輸電臺也廣泛應用于工業和軍用領域，其成熟度好，價格便宜，設計研發成本低。
通訊參數設置簡單，能快速替換損壞的靶機，或快速添加靶機。
對本系統而言的缺點：
433MHz射頻無線由于其載波頻率不高，導致先天性傳輸速率不高。要實現協議化并發競爭沖突避讓，會耗費本來就有限的帶寬。如果要多節點組網，只有在不要求實時性的應用場景下能比較好的工作。如果點對點通訊，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點來通訊也是不太合適的。
2.3. ZigBee 2.4G組網方案
ZigBee協議為近年來新興的一種無線網絡協議，經歷十幾年的發展現在已經相當成熟。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。根據國際標準規定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱（又稱紫蜂協議）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成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。
無線自組網：ZigBee協議能實現多個節點自動組網，自動路由。自動尋找信號質量好及最短路徑進行數據傳輸。
無線頻段高穿透能力差的彌補：雖然ZigBee也是基于2.4G頻段的無線通訊協議，也有著穿透障礙物能力差的缺點，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行數據傳輸，有效的彌補了穿透能力差的缺點。如果當前無線傳輸路徑上出現障礙物阻斷通訊，協議會在自身無線覆蓋范圍內自動尋找另一個節點作為轉發節點，進行數據傳輸。
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議，在傳輸小數據量的時候有著更穩定的傳輸速率。對于本系統而言傳輸數據量不大，并發多，并發密集、現場環境復雜的特點，綜合效果是超越WI-FI的。
短時延：ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms。相比較，藍牙需要3～10s、WiFi 需要3 s。
高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000 個節點的大網。
高安全：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用訪問控制清單(Access Control List, ACL) 防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES 128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
數據傳輸保障：由于ZigBee協議本身具有高效的數據傳輸應答（成功或失?。恍枰囝~外的帶寬開銷。
對本系統而言的缺點：
雖然ZigBee網絡的節點數量可以很龐大，但是高并發也會使網絡效率降低。
3. 方案制定
根據上述分析，可知相比較而言，ZigBee是更適合本應用場景的，但大并發量問題需要解決。
我們的方案為：ZigBee +有線通訊
將場景中的固定靶機按行為單位進行有線連接，然后連接到ZigBee通訊控制節點上，這樣可以省下很多節點資源。
移動靶機使用單獨的ZigBee通訊控制節點，由于移動靶機并不多，所以網絡節點數是可以滿足需求的。
另外可以用剩余的節點資源配置一些臨時性的靶機，方便額外靈活的添加或替換。還可以利用此網絡連接場地中需要采集數據的傳感器，進一步豐富系統的功能，提高系統的可用性和檔次。
在需要實時性高并發的時候可以做到采集100個靶機時間在300mS以內，也就是每秒至少3次全部靶機的數據采集。
根據需求，現代化的訓練用靶場需要信息化通訊系統支撐，靈活控制，靈活組網，實時性高，抗干擾能力強，可快速替換，快速部署等要求構建一個可擴展的靶場通訊系統。
1.1. 靶場部署描述
固定靶分布：
A. 間隔50米一行靶機，每行12個靶機，一共6行；
B. 一行靶機，40個；
移動靶機分布：每個靶場設置至少2個移動靶車，靶車上裝備靶機；
單兵終端設備：被訓人員的單兵終端設備也要連入網絡。
1.2. 通訊系統要求
需要將每個靶機連入無線網絡；
中控室能統一指揮靶機的起靶和落靶；
每個靶的中靶（命中靶心的坐標值）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備；
中靶信息實時性要求高，延遲300mS以內（即0.3秒）。
2. 方案比較
2.1. WIFI 2.4G組網方案
俗稱的WI-FI即IEEE 802.11協議族無線通訊協議規范。
WI-FI具有高速通訊，多節點接入，每個節點擁有對等的網絡關系。
通訊速率高：但前提是網絡信號穩定，且信號質量高的情況下，會協商高的傳輸速率，否則會自動降速，直到掉線。
多節點接入：接入節點數量和流量分配是成反比例的。接入點越多各節點分配的有效流量也就越少。對于本系統而言，每次通訊數據量小，實時性高的要求，WI-FI不能高效的運行。
對于本系統而言的缺點：
1.為了保證數據可靠送達，通常使用TCP/IP（面向連接的）協議進行數據交換，要傳輸的數據會被多次封包，每次封包都需要增加實際通訊字節數量，使得封包耗費的帶寬高于有效數據，造成帶寬的浪費。
2.接入點太多、通訊的效率低，使得WI-FI在實際使用中，每個節點定時快速的發送數據包，過高的并發通訊請求導致競爭沖突的加劇，為了避免競爭，網絡協議的開銷進一步增大，最終導致通訊實時性急劇下降，甚至發生某些節點隨機斷線。
3.快速替換程序復雜。如果遇到需要隨機組網，或更換損壞的靶機時，新加入的靶機在通訊鏈路上的設置比較復雜，要設置SSID，密碼，IP/MAC重新綁定等等專業的設置，不利于現場突發事件的處理。
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更適合每次通訊數據量大，通訊有效載荷高的大數據量傳輸場景，用在本項目中，不太理想。
2.2. 433MHz射頻組網方案
433MHz射頻通訊，由于其無線工作頻點較低，相比2.4G或更高頻段的無線通訊系統，穿透障礙物能力強。
433MHz的射頻數字傳輸電臺也廣泛應用于工業和軍用領域，其成熟度好，價格便宜，設計研發成本低。
通訊參數設置簡單，能快速替換損壞的靶機，或快速添加靶機。
對本系統而言的缺點：
433MHz射頻無線由于其載波頻率不高，導致先天性傳輸速率不高。要實現協議化并發競爭沖突避讓，會耗費本來就有限的帶寬。如果要多節點組網，只有在不要求實時性的應用場景下能比較好的工作。如果點對點通訊，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點來通訊也是不太合適的。
2.3. ZigBee 2.4G組網方案
ZigBee協議為近年來新興的一種無線網絡協議，經歷十幾年的發展現在已經相當成熟。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。根據國際標準規定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱（又稱紫蜂協議）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成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。
無線自組網：ZigBee協議能實現多個節點自動組網，自動路由。自動尋找信號質量好及最短路徑進行數據傳輸。
無線頻段高穿透能力差的彌補：雖然ZigBee也是基于2.4G頻段的無線通訊協議，也有著穿透障礙物能力差的缺點，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行數據傳輸，有效的彌補了穿透能力差的缺點。如果當前無線傳輸路徑上出現障礙物阻斷通訊，協議會在自身無線覆蓋范圍內自動尋找另一個節點作為轉發節點，進行數據傳輸。
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議，在傳輸小數據量的時候有著更穩定的傳輸速率。對于本系統而言傳輸數據量不大，并發多，并發密集、現場環境復雜的特點，綜合效果是超越WI-FI的。
短時延：ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms。相比較，藍牙需要3～10s、WiFi 需要3 s。
高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000 個節點的大網。
高安全：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用訪問控制清單(Access Control List, ACL) 防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES 128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
數據傳輸保障：由于ZigBee協議本身具有高效的數據傳輸應答（成功或失?。恍枰囝~外的帶寬開銷。
對本系統而言的缺點：
雖然ZigBee網絡的節點數量可以很龐大，但是高并發也會使網絡效率降低。
3. 方案制定
根據上述分析，可知相比較而言，ZigBee是更適合本應用場景的，但大并發量問題需要解決。
我們的方案為：ZigBee +有線通訊
將場景中的固定靶機按行為單位進行有線連接，然后連接到ZigBee通訊控制節點上，這樣可以省下很多節點資源。
移動靶機使用單獨的ZigBee通訊控制節點，由于移動靶機并不多，所以網絡節點數是可以滿足需求的。
另外可以用剩余的節點資源配置一些臨時性的靶機，方便額外靈活的添加或替換。還可以利用此網絡連接場地中需要采集數據的傳感器，進一步豐富系統的功能，提高系統的可用性和檔次。
在需要實時性高并發的時候可以做到采集100個靶機時間在300mS以內，也就是每秒至少3次全部靶機的數據采集。
