基于STC系列单片机的CQB无线通信系统设计

杨悟宇 言勐 刘庭君 葛运龙

摘要：为解决传统模拟射击系统有线通信方式布线复杂、通信联络易受阻的缺陷，本文设计了一款由STC15系列单片机控制的基于nRF24L01无线通信模块的CQB单兵无线通信系统。本设计应用单片机技术和无线通信技术^[1]，有效地改进了传统模拟射击系统的通信系统，使之更好的满足实战化训练要求，对提高军警实战化训练水平有较大作用。

关键词：CQB;单片机;nRF24L01无线模块

传统模拟射击系统通过模拟实战环境使参训人员有亲临实战的体验，可较好的培养参训人员的战场意识，提高军警实战化训练水平^[2]。但在模拟对抗训练过程中，单兵模拟作战装具若采用有线通信方式，其布线复杂的缺陷会严重影响参训人员的战术动作;通信线路的磨损容易导致通信联络不畅。这些问题都极大的影响着参训人员的实战体验，降低了实战化训练效果。

本文基于STC15系列单片机和nRF24L01无线通信模块，设计了一款无线通信系统。该系统节省了布置电线的所需的空间，且具有电路简单、功耗小、体积小、成本低等优点^[3]，能较好的克服有线通信方式的弊端。

一、系统总体方案设计

本系统由总控模块和信息通信模块两部分构成，应用STC系列单片机作为主控模块，nRF24L01无线收发模块作为通信模块，ESP8266无线收发模块作为爆炸物感应模块，引入按键开关、蜂鸣器、4位拨号开关和发光二极管等元件组成集体控制、声光报警、信号显示、身份设定功能模块，选择LM1117-3.3V电压转换模块组成电源转换模块。

1、总控部分方案设计

总控部分由STC15W204S单片机主控模块、nRF24L01无线通信模块、集体控制按键模块、信号显示模块和电源转换模块组成。各模块功能介绍如下：

①STC15W204S单片机主控模块负责根据程序设计，完成对各模块的协同控制。②nRF24L01无线通信模块负责发送集体控制（“集体死亡”或“集体复活”）指令。③集体控制模块用于控制通信模块发送集体控制指令。④信号显示模块用于实时显示集体控制指令的发送情況。⑤电源转换模块将5V直流电源转换为5V和3.3V电源，为各硬件模块提供电源。

2、信息通信模块方案设计

信息通信模块由STC15W408AS单片机主控模块、nRF24L01无线通信模块、ESP8266爆炸物感应模块、声光报警模块、身份设定模块和电源转换模块组成。各模块功能介绍如下：①STC15W408AS单片机主控模块主要负责将接收的无线信号进行分析与综合处理。②nRF24L01无线通信主要负责接收集体控制指令和实时发送参训人员伤害信号及碰撞保护状态。③ESP8266爆炸物感应模块通过配对ESP8266模块发送的无线信号，模拟接收爆炸装置发出的固定信号，以达到对模拟爆炸物爆炸范围内进行伤害判定的目的。④声光报警模块通过蜂鸣器和发光二极管发出声和光信号，以达到伤害报警的目的。⑤身份设定模块用于设定装备编号。⑥电源转换模块将5V直流电源转换为5V和3.3V电源，为各硬件模块提供电源。

二、软硬件设计

1、硬件设计

系统硬件总体电路设计时，总控模块和信息通信模块分别以STC15W204S和STC15W408AS单片机主控模块电路为核心，将各自功能电路和单片机的接口连接在一起。nRF24L01无线通信模块电路和ESP8266爆炸物感应模块电路的电源接在3.3V电源上，其它电路的电源接在5V上。整体电路图如图（1）所示：

2、软件设计

主程序主要是提供整个系统功能的逻辑执行流程，完成初始化操作并将各个模块子程序有效的衔接起来。本节区分总控模块和信息通信模块分别介绍其主程序流程。

（1）总控模块主程序设计。总控模块以STC15W204S单片机为控制核心，具体的初始化过程如下：①使按键开关处于断开状态。②禁止接收指示灯和发射指示灯工作。③配置无线模块的0通道用于发送数据，设置射频频率为2.4G。④开启定时器0并将其工作方式选择方式1，设置定时时间为10ms。初始化完成后，主程序在whie（1）的循环体中，循序检测集体控制按键的状态。当集体死亡或者集体复活按键按下时，无线通信模块发送对应集体控制信号，信号显示灯亮0.5秒。

（2）信息通信模块主程序设计。信息通信模块以STC15W408AS单片机为控制核心，初始化过程如下：①开定时器0并将其工作方式设置为方式1，设置定时时间为10ms。②定义串行通信工作方式为方式1;启动定时器2并选择定时器2为波特率发生器，设置其时钟为晶振频率。③开启碰撞保护，向模拟人体靶输出无伤害信号。④读取4位拨号开关状态，获取本装备身份编号。⑤配置无线模块的0通道同时用于接收和发送数据，设置射频频率为2.4G。初始化完成后，主程序在whie（1）的循环体中，在接收到集体复活指令后执行以下程序：读取无线通信模块接收数据，首先进行身份验证，将接收数据的身份编码与本装备身份编号进行对比，当身份验证通过时，下步判断碰撞保护标志位状态，若碰撞保护为解除状态，判定输出伤害有效，根据伤害编码输出对应伤害;当身份验证不通过或者碰撞保护为开启状态时，判定输出伤害无效，输出无伤信号。本模块中信号显示通过定时器0中断实现，当输出伤害有效时，控制发光二极管亮0.5秒;爆炸物感应功能通过串口中断方式实现，当信息通信模块上集成的ESP8266模块检测到该固定信号，且该信号持续500ms，则认为手雷在人体靶周边爆炸，此时模块发送致命伤信号。

三、结论

通过实物试验，本文设计的无线通信系统较好的完成了CQB单兵装备无线通信功能，达到了预期的设计目的。

参考文献

[1]陈旦花.单片机最小系统的设计与应用[J].无线互联科技，2012（10）：103-104.

[2]马聪.基于CPLD的红外激光模拟射击训练系统的设计与开发[D].天津理工大学，2016.

[3]陆慧伟，喻聪，杨伟杰，等.基于NRF24L01无线传输的公交车加热控制系统设计[J].轻工科技，2017（10）：81-82.

（作者单位：武警警官学院）