【案例分析】在无线激光打靶应用中，2.4G蓝牙和Sub-G无线通信哪个方案更优？

01 行业背景

特种行业的人员为了熟悉枪械的使用并提高其技术水准，需要大量的打靶训练。打靶实操中，需要有指挥人员、辅助人员、射击场地、射击器材等。打靶器材分为枪支、靶子、子弹。场地人员分为实操作训人员、人工报靶人员和现场指挥人员。

打靶之前，指挥人员会吹口哨示警并摇动小红旗发出指令，进入实际打靶准备阶段，报靶人员将躲进靶子后面的壕沟，待准备完毕，即可进行打靶实训射击。作训结束，打完若干发子弹之后，指挥人员会再次吹口哨并摇动红旗，提示打靶暂停，此时报靶人员从壕沟后面跳跃出来，快速检查靶子上的环数并做记录，记录完毕之后，重新更换全新的靶子面板，向射击点指挥人员反馈新靶位准备完成指令，然后潜伏到靶子后面的壕沟中，射击点指挥人员收到反馈，并布置下一轮射击事项，准备新一轮打靶的过程。

在此过程中，除了打靶人员之外，还需要指挥协调人员和辅助报靶人员，人力开销较多；同时靶子面板被射击过后会留下弹孔，不可再次使用，因此需要在一轮射击后更换全新的靶位面板。

 相比靶位面板的成本，子弹的消耗更大，单发子弹若按照最便宜的 3元计算，一次打靶30-50发，一天的费用就接近100元，一个月下来就是数千元的开支，长期下来这个成本也是很高的。以普通步枪弹药为例，一颗子弹约为3元，普通步枪装满子弹大概是30发。假设打完30发为一个训练批次，以一天实训10个批次为例，一天中，一个实训人员就需要30x10=300的子弹使用量，则一个实训人员一天中子弹的使用成本就在3x300=900元。特种行业在一年当中，至少有3个季度处在训练状态，9个月的用子弹消耗成本是900x9=8100元，这只是一个实训人员的子弹消耗成本，并且实际训练中，实训人员每天弹药使用量是远大于30发的，作为一项需要长期使用的耗材，这个消耗成本确实是很大的。射击实操中，由于成绩记录和传递均需要人为操作，再加上实训人员的数量多，实际打靶场地距离宽阔，射击点和靶位距离大等因素，数据的传达是具有延后性的。

人工记录和传递数据，有时还会出现人为性的数据丢失，记录错误，比如新手训练人员因为紧张在射击时目标靶位脱靶，但击中别人的靶位，从而影响多人成绩，这种失误在传统的射击训练中是无法捕捉的。另外，射击实操中各个步骤需要人工指挥和协调，因特种射击器械本身的特殊性和危险性，也必须考虑训练过程中发生的人员安全问题。随着无线通信技术的迅速发展，无线电子打靶因其精度高，信息的收集和传送速度快，安全性高等诸多优点，很快在行业中普及开来。目前在无线电子打靶领域，市面主流的技术有蓝牙技术（2.4GHz）和Sub-G通信技术（433MHz）。

02 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。

03 激光枪

通常激光枪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？我们知道传统的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，那么我们是否可以充分发挥它的优势呢？如果我们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。通过客户案例可以肯定这个方案是可行的。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。

04 打靶训练中的无线通信

如何实现不丢包、支持连发模式、高速运行时数据可靠稳定等这就是无线通信协议需要解决的问题啦，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。

       这一方案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。无线打靶通信技术，融合蓝牙通信技术的优点，同时充分发挥了Sub-G传输距离远、抗干扰强等优势，结合自主研发的内置TCP和组网算法的无线自组网通信协议，从而使得用户在实际应用中能够感受到功能和结构方面更加健壮，无线通信更加可靠和稳定。