靶场工业遥控器通讯系统方案
1. 需求说明
根据需求，现代化的训练用靶场需要信息化通讯系统支撑，灵活控制，灵活组网，实时性高，抗干扰能力强，可快速替换，快速部署等要求构建一个可扩展的靶场通讯系统。
1.1. 靶场部署描述
固定靶分布：
A. 间隔50米一行靶机，每行12个靶机，一共6行；
B. 一行靶机，40个；
移动靶机分布：每个靶场设置至少2个移动靶车，靶车上装备靶机；
单兵终端设备：被训人员的单兵终端设备也要连入网络。
1.2. 通讯系统要求
需要将每个靶机连入无线网络；
中控室能统一指挥靶机的起靶和落靶；
每个靶的中靶（命中靶心的坐标值）信息回传到中控室；
中控室可以将中靶信息传送给单兵终端设备；
中靶信息实时性要求高，延迟300mS以内（即0.3秒）。
2. 方案比较
2.1. WIFI 2.4G组网方案
俗称的WI-FI即IEEE 802.11协议族无线通讯协议规范。
WI-FI具有高速通讯，多节点接入，每个节点拥有对等的网络关系。
通讯速率高：但前提是网络信号稳定，且信号质量高的情况下，会协商高的传输速率，否则会自动降速，直到掉线。
多节点接入：接入节点数量和流量分配是成反比例的。接入点越多各节点分配的有效流量也就越少。对于本系统而言，每次通讯数据量小，实时性高的要求，WI-FI不能高效的运行。
对于本系统而言的缺点：
1.为了保证数据可靠送达，通常使用TCP/IP（面向连接的）协议进行数据交换，要传输的数据会被多次封包，每次封包都需要增加实际通讯字节数量，使得封包耗费的带宽高于有效数据，造成带宽的浪费。
2.接入点太多、通讯的效率低，使得WI-FI在实际使用中，每个节点定时快速的发送数据包，过高的并发通讯请求导致竞争冲突的加剧，为了避免竞争，网络协议的开销进一步增大，最终导致通讯实时性急剧下降，甚至发生某些节点随机断线。
3.快速替换程序复杂。如果遇到需要随机组网，或更换损坏的靶机时，新加入的靶机在通讯链路上的设置比较复杂，要设置SSID，密码，IP/MAC重新绑定等等专业的设置，不利于现场突发事件的处理。
4. WI-FI是基于2.4G或5G频段通讯的，高的空中载波频率不利于穿透障碍物传输，如果在无线传输路径上有障碍物，会大大降低其通讯速度，甚至掉线。
综上所述，WI-FI更适合每次通讯数据量大，通讯有效载荷高的大数据量传输场景，用在本项目中，不太理想。
2.2. 433MHz射频组网方案
433MHz射频通讯，由于其无线工作频点较低，相比2.4G或更高频段的无线通讯系统，穿透障碍物能力强。
433MHz的射频数字传输电台也广泛应用于工业和军用领域，其成熟度好，价格便宜，设计研发成本低。
通讯参数设置简单，能快速替换损坏的靶机，或快速添加靶机。
对本系统而言的缺点：
433MHz射频无线由于其载波频率不高，导致先天性传输速率不高。要实现协议化并发竞争冲突避让，会耗费本来就有限的带宽。如果要多节点组网，只有在不要求实时性的应用场景下能比较好的工作。如果点对点通讯，实时性还是很好的。
所以如果想用433MHz射频无线直接连接这么大量的节点来通讯也是不太合适的。
2.3. ZigBee 2.4G组网方案
ZigBee协议为近年来新兴的一种无线网络协议，经历十几年的发展现在已经相当成熟。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。
无线自组网：ZigBee协议能实现多个节点自动组网，自动路由。自动寻找信号质量好及最短路径进行数据传输。
无线频段高穿透能力差的弥补：虽然ZigBee也是基于2.4G频段的无线通讯协议，也有着穿透障碍物能力差的缺点，但是其自动路由能力可以自动寻找一个没有障碍物的路径进行数据传输，有效的弥补了穿透能力差的缺点。如果当前无线传输路径上出现障碍物阻断通讯，协议会在自身无线覆盖范围内自动寻找另一个节点作为转发节点，进行数据传输。
理论传输速率不高：ZigBee的理论传输速率不如WI-FI高，但是精简高效的传输协议，在传输小数据量的时候有着更稳定的传输速率。对于本系统而言传输数据量不大，并发多，并发密集、现场环境复杂的特点，综合效果是超越WI-FI的。
短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms。相比较，蓝牙需要3～10s、WiFi 需要3 s。
高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。
高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单(Access Control List, ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
数据传输保障：由于ZigBee协议本身具有高效的数据传输应答（成功或失败），不需要太多额外的带宽开销。
对本系统而言的缺点：
虽然ZigBee网络的节点数量可以很庞大，但是高并发也会使网络效率降低。
3. 方案制定
根据上述分析，可知相比较而言，ZigBee是更适合本应用场景的，但大并发量问题需要解决。
我们的方案为：ZigBee +有线通讯
将场景中的固定靶机按行为单位进行有线连接，然后连接到ZigBee通讯控制节点上，这样可以省下很多节点资源。
移动靶机使用单独的ZigBee通讯控制节点，由于移动靶机并不多，所以网络节点数是可以满足需求的。
另外可以用剩余的节点资源配置一些临时性的靶机，方便额外灵活的添加或替换。还可以利用此网络连接场地中需要采集数据的传感器，进一步丰富系统的功能，提高系统的可用性和档次。
在需要实时性高并发的时候可以做到采集100个靶机时间在300mS以内，也就是每秒至少3次全部靶机的数据采集。
根据需求，现代化的训练用靶场需要信息化通讯系统支撑，灵活控制，灵活组网，实时性高，抗干扰能力强，可快速替换，快速部署等要求构建一个可扩展的靶场通讯系统。
1.1. 靶场部署描述
固定靶分布：
A. 间隔50米一行靶机，每行12个靶机，一共6行；
B. 一行靶机，40个；
移动靶机分布：每个靶场设置至少2个移动靶车，靶车上装备靶机；
单兵终端设备：被训人员的单兵终端设备也要连入网络。
1.2. 通讯系统要求
需要将每个靶机连入无线网络；
中控室能统一指挥靶机的起靶和落靶；
每个靶的中靶（命中靶心的坐标值）信息回传到中控室；
中控室可以将中靶信息传送给单兵终端设备；
中靶信息实时性要求高，延迟300mS以内（即0.3秒）。
2. 方案比较
2.1. WIFI 2.4G组网方案
俗称的WI-FI即IEEE 802.11协议族无线通讯协议规范。
WI-FI具有高速通讯，多节点接入，每个节点拥有对等的网络关系。
通讯速率高：但前提是网络信号稳定，且信号质量高的情况下，会协商高的传输速率，否则会自动降速，直到掉线。
多节点接入：接入节点数量和流量分配是成反比例的。接入点越多各节点分配的有效流量也就越少。对于本系统而言，每次通讯数据量小，实时性高的要求，WI-FI不能高效的运行。
对于本系统而言的缺点：
1.为了保证数据可靠送达，通常使用TCP/IP（面向连接的）协议进行数据交换，要传输的数据会被多次封包，每次封包都需要增加实际通讯字节数量，使得封包耗费的带宽高于有效数据，造成带宽的浪费。
2.接入点太多、通讯的效率低，使得WI-FI在实际使用中，每个节点定时快速的发送数据包，过高的并发通讯请求导致竞争冲突的加剧，为了避免竞争，网络协议的开销进一步增大，最终导致通讯实时性急剧下降，甚至发生某些节点随机断线。
3.快速替换程序复杂。如果遇到需要随机组网，或更换损坏的靶机时，新加入的靶机在通讯链路上的设置比较复杂，要设置SSID，密码，IP/MAC重新绑定等等专业的设置，不利于现场突发事件的处理。
4. WI-FI是基于2.4G或5G频段通讯的，高的空中载波频率不利于穿透障碍物传输，如果在无线传输路径上有障碍物，会大大降低其通讯速度，甚至掉线。
综上所述，WI-FI更适合每次通讯数据量大，通讯有效载荷高的大数据量传输场景，用在本项目中，不太理想。
2.2. 433MHz射频组网方案
433MHz射频通讯，由于其无线工作频点较低，相比2.4G或更高频段的无线通讯系统，穿透障碍物能力强。
433MHz的射频数字传输电台也广泛应用于工业和军用领域，其成熟度好，价格便宜，设计研发成本低。
通讯参数设置简单，能快速替换损坏的靶机，或快速添加靶机。
对本系统而言的缺点：
433MHz射频无线由于其载波频率不高，导致先天性传输速率不高。要实现协议化并发竞争冲突避让，会耗费本来就有限的带宽。如果要多节点组网，只有在不要求实时性的应用场景下能比较好的工作。如果点对点通讯，实时性还是很好的。
所以如果想用433MHz射频无线直接连接这么大量的节点来通讯也是不太合适的。
2.3. ZigBee 2.4G组网方案
ZigBee协议为近年来新兴的一种无线网络协议，经历十几年的发展现在已经相当成熟。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。
无线自组网：ZigBee协议能实现多个节点自动组网，自动路由。自动寻找信号质量好及最短路径进行数据传输。
无线频段高穿透能力差的弥补：虽然ZigBee也是基于2.4G频段的无线通讯协议，也有着穿透障碍物能力差的缺点，但是其自动路由能力可以自动寻找一个没有障碍物的路径进行数据传输，有效的弥补了穿透能力差的缺点。如果当前无线传输路径上出现障碍物阻断通讯，协议会在自身无线覆盖范围内自动寻找另一个节点作为转发节点，进行数据传输。
理论传输速率不高：ZigBee的理论传输速率不如WI-FI高，但是精简高效的传输协议，在传输小数据量的时候有着更稳定的传输速率。对于本系统而言传输数据量不大，并发多，并发密集、现场环境复杂的特点，综合效果是超越WI-FI的。
短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms。相比较，蓝牙需要3～10s、WiFi 需要3 s。
高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。
高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单(Access Control List, ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
数据传输保障：由于ZigBee协议本身具有高效的数据传输应答（成功或失败），不需要太多额外的带宽开销。
对本系统而言的缺点：
虽然ZigBee网络的节点数量可以很庞大，但是高并发也会使网络效率降低。
3. 方案制定
根据上述分析，可知相比较而言，ZigBee是更适合本应用场景的，但大并发量问题需要解决。
我们的方案为：ZigBee +有线通讯
将场景中的固定靶机按行为单位进行有线连接，然后连接到ZigBee通讯控制节点上，这样可以省下很多节点资源。
移动靶机使用单独的ZigBee通讯控制节点，由于移动靶机并不多，所以网络节点数是可以满足需求的。
另外可以用剩余的节点资源配置一些临时性的靶机，方便额外灵活的添加或替换。还可以利用此网络连接场地中需要采集数据的传感器，进一步丰富系统的功能，提高系统的可用性和档次。
在需要实时性高并发的时候可以做到采集100个靶机时间在300mS以内，也就是每秒至少3次全部靶机的数据采集。
