基于Zigbee的新型激光模擬對(duì)抗訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳蓬勃,楊 斐,李 莉,李學(xué)海

(石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,電信工程系,河北 石家莊 050031)

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·激光應(yīng)用技術(shù)·

基于Zigbee的新型激光模擬對(duì)抗訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳蓬勃,楊 斐,李 莉,李學(xué)海

(石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,電信工程系,河北 石家莊 050031)

設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee的新型激光模擬對(duì)抗訓(xùn)練系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹了總體設(shè)計(jì)思想以及軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)硬件以STM32為核心,通過(guò)激光器將經(jīng)過(guò)編碼的信號(hào)發(fā)送到接收端,利用Zigbee無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)了總站控制臺(tái)、射擊單元和靶位單元的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。總站可實(shí)時(shí)監(jiān)控訓(xùn)練態(tài)勢(shì)、自動(dòng)識(shí)別與評(píng)估雙方毀傷情況、實(shí)時(shí)顯示戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),為檢驗(yàn)訓(xùn)練效果提供了重要科學(xué)手段。

Zigbee；激光；STM32；模擬對(duì)抗

1 引 言

傳統(tǒng)的對(duì)抗射擊訓(xùn)練系統(tǒng)不能真槍實(shí)彈地對(duì)抗,很難真實(shí)反映火力交戰(zhàn)過(guò)程和雙方戰(zhàn)損情況,勝負(fù)往往取決于導(dǎo)調(diào)人員的主觀評(píng)判,以致于實(shí)戰(zhàn)效果、導(dǎo)調(diào)控制、裁決評(píng)估這3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題無(wú)法有效解決,對(duì)抗結(jié)果難以令人信服。

本文結(jié)合傳統(tǒng)激光模擬對(duì)抗訓(xùn)練系統(tǒng)和激光打靶系統(tǒng)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種新型激光模擬對(duì)抗訓(xùn)練系統(tǒng),既可用于多兵對(duì)抗訓(xùn)練,也可用于單兵打靶訓(xùn)練。該系統(tǒng)利用激光發(fā)射與接收來(lái)模擬槍支射擊機(jī)理和被命中的戰(zhàn)損狀況,使訓(xùn)練貼近實(shí)戰(zhàn)；激光束命中目標(biāo),接收器可自動(dòng)禁止士兵射擊,并使之倒下,強(qiáng)制被擊中方退出戰(zhàn)斗；士兵可控制自身的接收器躲藏、擺動(dòng),模擬真實(shí)士兵的動(dòng)作；總控制臺(tái)能通過(guò)Zigbee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)接收每個(gè)激光發(fā)射機(jī)和接收器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)、彈藥存量、戰(zhàn)斗狀態(tài)等信息,使總控制臺(tái)可以自動(dòng)監(jiān)控訓(xùn)練態(tài)勢(shì)、自動(dòng)識(shí)別與評(píng)估雙方毀傷情況、實(shí)時(shí)顯示戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),為檢驗(yàn)訓(xùn)練效果提供了重要科學(xué)手段[1-2]。

2 系統(tǒng)總體規(guī)劃

本系統(tǒng)主要包括三個(gè)組成部分：兵人射擊單元、兵人靶位單元、總控制臺(tái),如圖1所示。兵人射擊單元和兵人靶位單元分別編號(hào),每個(gè)兵人射擊單元對(duì)應(yīng)一個(gè)兵人靶位單元。其中,兵人靶位單元包括：3個(gè)靶位、1個(gè)隨機(jī)分配器；總控制臺(tái)包括：工控機(jī)、LED顯示屏。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

兵人射擊單元和兵人靶位單元之間、總控制臺(tái)與兵人射擊單元或兵人靶位單元之間、總控制臺(tái)與LED顯示屏之間均通過(guò)Zigbee無(wú)線連接,從而構(gòu)建了一個(gè)Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)?？偪刂婆_(tái)通過(guò)串口連接Zigbee協(xié)調(diào)器,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建、兵人射擊單元與兵人靶位單元狀態(tài)采集和指令的發(fā)送(包括廣播方式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式)。兵人射擊單元和兵人靶位單元均作為Zigbee路由器,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)射、接收、轉(zhuǎn)發(fā)。

本系統(tǒng)最多可供6個(gè)士兵對(duì)抗訓(xùn)練,也可供單兵打靶訓(xùn)練,還可根據(jù)需要擴(kuò)展對(duì)抗單元。

3 硬件單元設(shè)計(jì)

3.1 兵人射擊單元

兵人射擊單元主要包括：STM32單元、聲光模塊、Zigbee無(wú)線模塊、開關(guān)量檢測(cè)單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元等,如圖2所示。

圖2 兵人射擊單元

(1)聲光模塊包括：激光驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路、語(yǔ)音驅(qū)動(dòng)電路、LED指示燈驅(qū)動(dòng)電路。(2)Zigbee無(wú)線模塊通過(guò)串口與STM32通信,實(shí)現(xiàn)與兵人靶位單元和總控制臺(tái)的無(wú)線通信。(3)開關(guān)量檢測(cè)單元實(shí)現(xiàn)開關(guān)信號(hào)的檢測(cè)。開關(guān)信號(hào)包括：扳機(jī)開關(guān)、槍栓開關(guān)、靶位回轉(zhuǎn)控制開關(guān)(槍支在左右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),靶位也做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng),以仿真真實(shí)士兵的動(dòng)作)、靶位躲藏開關(guān)(可控制對(duì)應(yīng)靶位的躲藏,防止被射擊)、保險(xiǎn)桿電機(jī)限位開關(guān)、腳踏調(diào)節(jié)開關(guān)。(4)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。電機(jī)包括：槍鎖死電機(jī)、槍回震電機(jī)、升起和趴下電機(jī)、保險(xiǎn)桿電機(jī)(保險(xiǎn)桿主要用于防止人在趴床升起和降落過(guò)程中損傷)和腳蹬調(diào)節(jié)電機(jī)(每個(gè)人的身高不同,所以趴床的腳踏板可以根據(jù)需要調(diào)節(jié))。

3.1.1 激光驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)采用650 nm紅光半導(dǎo)體激光器(后面簡(jiǎn)稱LD),工作電流100 mA,工作電壓2.8 V。由于LD是電流注入驅(qū)動(dòng),電流穩(wěn)定性直接影響輸出功率的穩(wěn)定性,因此驅(qū)動(dòng)LD的電流源,要求穩(wěn)定性優(yōu)于10-3。另外,還要求電流源有抗擊浪涌擊穿、斷電保護(hù)等功能,以保證LD安全、可靠的工作。

LD驅(qū)動(dòng)電路包含四部分：延時(shí)開關(guān)電路、電流驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和調(diào)制信號(hào)電路,如圖3所示。延時(shí)開關(guān)電路用于延長(zhǎng)電源打開或關(guān)閉的時(shí)間,防止浪涌擊穿LD。電流驅(qū)動(dòng)電路結(jié)合來(lái)自LD的負(fù)反饋,構(gòu)成高穩(wěn)定恒流源電路。保護(hù)電路用于防止高頻干擾、浪涌,提高LD壽命。調(diào)制信號(hào)電路用于產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)。

圖3 激光器驅(qū)動(dòng)電路框圖[3-6]

圖4為具體的LD驅(qū)動(dòng)電路圖。上半部分為延時(shí)開關(guān)電路,三極管Q4兩側(cè)的L1、C4、C9和L2、C10、C11為兩個(gè)π型濾波網(wǎng)絡(luò)。Q4基極的R12和C15構(gòu)成延時(shí)網(wǎng)絡(luò),電源VCC打開時(shí),電容C15充電,經(jīng)過(guò)延時(shí)后,C15電壓達(dá)到一定值可以使得Q4導(dǎo)通；VCC通過(guò)Q4變?yōu)閂CC_LD,開始給LD供電；VCC斷開時(shí),C15放電,經(jīng)過(guò)延時(shí)后,C15電壓降到一定值使得三極管Q4斷開。設(shè)Q4集電極電壓為Vi,電容C15電壓為Vo,則由電容充電公式Vo=Vi×(1-e-t/RC),可計(jì)算出充放電時(shí)間。

圖4 激光器驅(qū)動(dòng)電路圖

在圖4下半部分中,由齊納二極管D7和可變電阻R18構(gòu)成恒流源電路,C19防止可變電阻滑動(dòng)端在滑動(dòng)過(guò)程中接觸不良從而引發(fā)浪涌。通過(guò)采樣電阻R20獲取LD的工作電流,反饋到LM358的反相端與同相端的恒流源比較,當(dāng)兩者不同時(shí),LM358輸出信號(hào)控制Q6的導(dǎo)通或截止,從而保證了LD電流的恒定。在半導(dǎo)體激光管LD的右側(cè)管并聯(lián)了一個(gè)電容C16,可以濾掉流過(guò)LD 電流中的高頻干擾,避免LD由于高頻干擾而受到損壞。同時(shí)并聯(lián)一個(gè)反向二極管D6,以此來(lái)防止激光管兩端受過(guò)大的反向電壓而損壞。圖4右下角為調(diào)制電路,STM32產(chǎn)生38 kHz調(diào)制信號(hào),通過(guò)MCU_Laser控制三極管Q5的開關(guān),從而控制激光管LD的開關(guān)。

3.1.2 Zigbee無(wú)線模塊

本系統(tǒng)的Zigbee無(wú)線通信部分,采用了TI公司的Zigbee/IEEE 802.15.4無(wú)線射頻收發(fā)器CC2530。該芯片結(jié)合了RF收發(fā)器、增強(qiáng)型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8 kB的RAM和許多其他模塊,功能強(qiáng)大。它能滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。同時(shí)CC2530在各運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換的時(shí)間很短,使其進(jìn)一步降低能源消耗。CC2530無(wú)線Zigbee單元的電路,如圖5所示。天線將Zigbee無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào),CC2530將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后,轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的邏輯動(dòng)作,驅(qū)動(dòng)所連接的執(zhí)行部件動(dòng)作。

圖5 CC2530無(wú)線Zigbee單元電路圖[7]

3.2 兵人靶位單元

一個(gè)兵人靶位單元包括一個(gè)隨機(jī)分配器以及3個(gè)靶位。隨機(jī)分配器通過(guò)Zigbee模塊接收總控制臺(tái)指令,進(jìn)行數(shù)據(jù)解析后,通過(guò)485總線隨機(jī)激活一個(gè)靶位；同時(shí)也可接收兵人射擊單元指令,控制靶位動(dòng)作。靶位被擊中后,會(huì)將擊中信息通過(guò)隨機(jī)分配器的Zigbee模塊反饋到總控制臺(tái)。

靶位功能框圖如圖6所示。靶位上帶有兵人模型,兵人模型可升起、可躲藏、可回轉(zhuǎn)、帶有受傷指示燈,同時(shí)帶有硅光電池,可接受激光信號(hào)。下面著重對(duì)激光接收部分的信號(hào)調(diào)理電路做具體介紹。

圖6 靶位功能框圖

硅光電池轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定[8],適用于接收紅光和紅外光,使用的波長(zhǎng)范圍為400～1200 nm,峰值波長(zhǎng)在800 nm附近。本系統(tǒng)采用的是650 nm的紅光激光器,既適合硅光電池接收,又便于激光槍校準(zhǔn)。

本系統(tǒng)采用的硅光電池,開路電壓為0.5 V,短路電流25 mA。然而硅光電池在日光燈光照射下電壓為0.2 V,如果通過(guò)電壓的變化來(lái)檢測(cè)接收到的信號(hào),則接收靈敏度不高,而且很容易受到外界光線的干擾。所以本系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)硅光電池的電流變化來(lái)接收激光信號(hào),信號(hào)調(diào)理電路圖如圖7所示,檢測(cè)電流范圍為4～20 mA,對(duì)于4 mA以下的電流判斷為背景噪聲。如圖7所示,4～20 mA電流流過(guò)采樣100 Ω電阻R1,在R1上會(huì)產(chǎn)生0.4～2 V的電壓差。

圖7 信號(hào)調(diào)理電路

經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路的處理后,通過(guò)Vout輸出0.88～4.4 V電壓,送至STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖8為經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后的激光脈沖信號(hào),當(dāng)沒有激光照射硅光電池時(shí),信號(hào)調(diào)理電路輸出為0 V,當(dāng)有激光照射時(shí),信號(hào)電壓峰峰值最小為2.6 V,最大為3 V,滿足TTL高電平的要求,所以可以直接被STM32識(shí)別并解調(diào)。在圖8中可看出,信號(hào)從0～2.6 V,經(jīng)過(guò)了40 ms的時(shí)間,這是因?yàn)?為了模擬真實(shí)子彈射出的過(guò)程,非射擊狀態(tài)下,激光處于關(guān)閉狀態(tài),僅在開槍射擊時(shí),才打開激光。而激光管在從不亮到點(diǎn)亮?xí)r,需要一定的時(shí)延,以保護(hù)激光管,同時(shí)也是為了保證信號(hào)的可靠傳輸。所以在開槍射擊時(shí),需先將激光管點(diǎn)亮一段時(shí)間后,再發(fā)送調(diào)制信號(hào),經(jīng)測(cè)試這個(gè)時(shí)間延時(shí),不會(huì)影響到射擊的效果。

圖8 信號(hào)調(diào)理后的激光信號(hào)

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 軟件工作流程

軟件工作流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)工作流程

圖9中，左半部為預(yù)備階段,首先,總控制臺(tái)啟動(dòng)；如果是初次使用需要先將各個(gè)單元進(jìn)行注冊(cè)(具體注冊(cè)流程見4.2部分)；然后設(shè)置作戰(zhàn)模式；啟動(dòng)射擊單元；總控制臺(tái)隨機(jī)分配射擊單元編號(hào)到靶位單元,并啟動(dòng)靶位單元。圖9右半部分為戰(zhàn)斗階段,首先使能各個(gè)射擊單元的槍支,開始進(jìn)入戰(zhàn)斗階段,各個(gè)射擊單元可發(fā)射帶有自身編號(hào)的激光信號(hào)；如果有靶位單元被擊中,則判斷接收到的單元編號(hào)與自身被分配的單元編號(hào)是否一致,如果編號(hào)一致,則判定為“自殺”,對(duì)應(yīng)的射擊單元禁止射擊,同時(shí)趴床趴下；如果編號(hào)不一致,則判定為“命中”；各個(gè)射擊單元實(shí)時(shí)顯示自身射擊成績(jī),同時(shí)總控制臺(tái)記錄所有射擊單元的成績(jī)；如果靶位有一半以上被擊中,則總站重新分配所有靶位編號(hào)并激活所有單元。如果射擊時(shí)間到,則戰(zhàn)斗結(jié)束,所有單元禁止射擊,LED屏顯示戰(zhàn)斗結(jié)果。

4.2 Zigbee無(wú)線模塊軟件設(shè)計(jì)

Zigbee無(wú)線模塊的主要功能是,自動(dòng)組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò),將串口數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線收發(fā)。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)功能,需要先配置1個(gè)協(xié)調(diào)器(通過(guò)串口連接總站控制臺(tái)的工控機(jī)),并設(shè)置PANID號(hào)；其他無(wú)線Zigbee模塊配置為路由器,加入到協(xié)調(diào)器所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中,協(xié)調(diào)器會(huì)為每個(gè)路由器設(shè)備分配一個(gè)16位的短地址(Short Address)。只要網(wǎng)絡(luò)中不再加入新的路由器或節(jié)點(diǎn)設(shè)備,短地址不會(huì)發(fā)生改變。

Zigbee路由器的16位短地址(Short Address)可以作為網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備通信地址使用。但是具體哪個(gè)短地址對(duì)應(yīng)哪個(gè)單元,協(xié)調(diào)器如何區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)是來(lái)自哪個(gè)單元的,本系統(tǒng)將Zigbee模塊的短地址和實(shí)際物理地址進(jìn)行了綁定,并存儲(chǔ)到STM32的內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器中。

Zigbee路由器的Zigbee的短地址與物理地址的綁定過(guò)程為：首先進(jìn)行硬件初始化,等待協(xié)調(diào)器工作穩(wěn)定后,讀取Zigbee節(jié)點(diǎn)的PANID和短地址,然后判斷當(dāng)前單元的編號(hào)DeviceID是否已配置,如果已配置,則將存儲(chǔ)在STM32 的Flash中的PANID和短地址與當(dāng)前讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,如果數(shù)據(jù)一致,則進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。如果信息不一致,則進(jìn)入DeviceID設(shè)置狀態(tài)。如果DeviceID未配置,則也進(jìn)入DeviceID配置狀態(tài)。通過(guò)按鍵輸入設(shè)備的DeviceID,并將PANID、短地址和DeviceID寫入Flash,然后將這些信息發(fā)送到Zigbee協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器存儲(chǔ)每個(gè)DeviceID對(duì)應(yīng)的短地址,并將接收的數(shù)據(jù)再次反饋到對(duì)應(yīng)的Zigbee路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)核實(shí)。如果數(shù)據(jù)核實(shí)正確,則進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。通過(guò)這種方式,實(shí)現(xiàn)了短地址與物理地址DeviceID的綁定。協(xié)調(diào)器收到各個(gè)路由器反饋的數(shù)據(jù)就可以根據(jù)短地址查找出對(duì)應(yīng)的物理地址。

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于Zigbee的無(wú)線激光模擬對(duì)抗訓(xùn)練系統(tǒng),既可以用于多兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練,也可用于單兵打靶訓(xùn)練。該系統(tǒng)通過(guò)Zigbee實(shí)現(xiàn)了兵人射擊單元、兵人靶位單元和總站控制臺(tái)互聯(lián)互通,兵人射擊單元與對(duì)應(yīng)靶位單元的聯(lián)動(dòng),總站控制臺(tái)可以實(shí)時(shí)的感知各個(gè)單元的戰(zhàn)斗狀態(tài)、獲取戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),為部隊(duì)訓(xùn)練、企業(yè)拓展訓(xùn)練、室內(nèi)運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域提供了良好的訓(xùn)練平臺(tái)。

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Design of laser simulation tactical training system based on Zigbee

WU Peng-bo,YANG Fei,LI Li,LI Xue-hai

(Shijiazhuang Post & Communication Technology Institutes,Department of Telecommunication Engineering,Shijiazhuang 050031,China)

A new type of laser simulation tactical training system is designed based on Zigbee.The design idea and implementation scheme of software and hardware are mainly introduced.The hardware of the system is based on STM32;the coded signals are transmitted to the receiving terminal by the laser.The interconnection and interworking among the control terminal of master station,the shooting unit and the target unit are achieved based on Zigbee wireless module.The master station can monitor the training situation,automatic identification and assessment of the damage situation,real-time display of the battlefield situation,which provides an important scientific means for the training effect.

Zigbee;laser;STM32;simulation tactical

1001-5078(2015)06-0616-05

河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.13214710)資助。

吳蓬勃(1980-)，男，講師，碩士，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)，光電技術(shù)。E-mail:18931368610@189.cn

2014-09-03;

2014-09-16

TP277

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.06.004