无线激光打靶应用中的2.4G蓝牙和Sub-G无线通信

wiminet

01  激光电子靶

       无线电子打靶的主要部分是激光枪和安装有几百甚至上千个激光传感器的电子靶。无线电子靶通常由激光电子靶上面的激光传感器、中央处理器、无线通讯单元、电池组四个部分组成。电子靶的激光面板通常会按照显示器的原理，将激光传感器均匀分布在由若干行和列组成不规则矩阵的节点上，然后将这些传感器的电端口连接到具有硬实时采集能力的FPGA芯片上，由FPGA芯片实时监测成百上千个激光探头的输出信号。

       当射击人员进行射击的时候，激光枪会发射出激光束，一旦“击中”靶子，靶子上会有相应的某个激光传感器会检测到激光信号，此时传感器的电气端口会将送出2.4Kbps的低速脉冲信号，该信号会被硬件编码的FPGA芯片进行解码，最后汇总给中央处理器，中央处理器再通过射频通讯单元将环数信息传递给打靶的枪手，实现实时的报靶通讯。枪手在完成一次电子射击之后，枪支控制器会启动计时，等待靶子处理器报告打中的环数，如果超出一定时间仍然没有收到汇报，则判定为脱靶。如果收到了则语音报靶说打中几环。电子打靶弥补了传统打靶中成绩无法实时传递、记录、汇总的尴尬，其技术根本是基于无线传输的快速、精准、可靠。电子打靶免去了打靶中的弹药和靶位损耗，并且电子打靶中没有实体的枪械和弹药，整个过程是无线通讯激光打靶，对场地人员不存在人身危险。也正因为电子打靶技术在该应用中的优势，让无线通信技术在特种行业打靶中得到广泛的应用。

02  激光发射器

       通常激光发射器里面都有一个内置的2.4G蓝牙无线通信模块。那么仅仅使用2.4G蓝牙通信能否完成枪与电子靶之间的无线通信呢？大家知道传统的2.4G蓝牙有三种技术规格，分别是Class A，Class B 和Class C，对应的开阔环境通讯距离是 1米，10米和 100米，最远的距离也就是100米。而实际在打靶训练中，要求的激光枪与激光电子靶之间的无线通信距离大于100米，某些单位的技术要求则是把无线通信的距离提高一倍到了 200米，这样一来，蓝牙技术的通讯距离无法满足应用需求。另外蓝牙技术在实际应用中还存在连接缓慢，通讯过程中容易丢包，而且容易无缘无故的断开连接，用户也体验不好。特别是在室外环境中，树木，雨水，大雾天气等都对于无线通讯的性能有一定的影响，如下图所示，在相同的功率下433MHz的通信距离比2.4G要远200%，与433M对比，外部环境中的树木、水泥墙对2.4G的衰减要大很多，2.4G的绕射能力也很差。所以在户外打靶训练中，2.4G无法满足无线通信距离远、稳定、可靠的应用需求。

       因此在环境适应性方面，433MHz的频段特性更有优势。是一个理想的户外打靶训练解决方案。既然433MHz无线通信的优势那么明显，那么大家是否可以充分发挥它的优势呢？如果大家采用一种通讯距离更远，抗干扰能力强、不发生丢包，快速连接的外置的433MHz无线通信模块，这款433M无线通信模块通过串口有线的方式与激光枪内置的蓝牙模块连接，通过433M无线通信的方式与远程的激光电子靶中内置的433M无线通信，这样就可以完成整个打靶训练的数据收集汇总工作。如下图所示采用外置的433MHz无线模块，通过VCC、GND、RX、TX这四个信号线连接，就可以弥补蓝牙通信的不足，激光枪和激光靶的无线通信距离可以轻松突破300米。

03   打靶训练中的无线通信

       通常一个靶场会有10-20个靶位，为了防止不同的靶位的无线通讯相互串扰，需要给每一对枪和靶子的无线通讯单元设置独立的工作信道。靶子在被击中之后，会向枪支控制器发送一个小的数据包，告知其环数，子弹编号和弹药数量等信息。如果枪支被切换到连发模式，那么每隔75ms或者100ms会发射出一个激光弹，靶子则需要在该时间间隔内将检测结果及时的报告给枪支控制器。因此要求通讯过程具有很强的确定性。在此过程中，如果选择TCP或者类似的带有反馈机制的通讯机制，则无法承受连发模式下的高速定时冲击。而UDP通讯，特别是一种增强型的，高可靠性的UDP通讯技术则可以很好的满足枪支射击过程中的单发和连发模式下对于可靠性，实时性与确定性的要求。

       在打靶现场，除了语音报靶之外，往往还需要将所有靶位的射击结果汇总到一个监控用的电脑或者显示屏幕上去。注意到每一个靶位的无线通讯单元都是有独立的工作信道的，而信息汇总的通讯单元则是一个全新的独立信道。因此枪支控制器在需要发送集中环数或者脱靶信息之前，需要提前变换到汇总通讯单元的工作信道，通讯完毕之后，再快速的切换至其正常工作信道，如果切换不及时或者延迟过大，有可能会漏掉连发模式下的通讯数据。在无线模块内置的通讯协议栈的调度下，无线报文的编码，收发和信道切换都远远快于外置普通的透传模块，很好的解决了连发射击模式下的电子报靶和集中汇总困难，显著的提升了用户的使用体验。

       无线打靶通讯技术解决了蓝牙技术在传输距离、传输效率上的缺点，创新性的加入了433MHz用来弥补。并且考虑到无线打靶的诸多现实因素，从整体框架考虑增加了汇总播报变频行为、基于UDP的冗余传输技术、变信道技术，从而实现无线打靶的功能，并解决了无线打靶在实际操作中的诸多问题。无线打靶技术是无线通信技术在特种行业训练应用中的一个缩影，主要是运用无线通信技术，搭建一个模拟真实环境的射击演练场所，从而达成行业训练和实操的目的。