基于ARM、ZigBee技術(shù)的機(jī)場智能化驅(qū)鳥系統(tǒng)設(shè)計

趙超，陳壽元，邵增珍

（山東師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014）

基于ARM、ZigBee技術(shù)的機(jī)場智能化驅(qū)鳥系統(tǒng)設(shè)計

趙超，陳壽元，邵增珍

（山東師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014）

介紹了一種基于ARM、ZigBee技術(shù)的機(jī)場智能化防鳥撞驅(qū)鳥系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)合上位機(jī)監(jiān)控管理中心框架，采用低功耗控制芯片STM32F103RBT、Maxstream公司的XBee模塊、短波數(shù)傳電臺TDX-868A，融合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、GPS技術(shù)、電子羅盤和ARM等工控領(lǐng)域的技術(shù)，采用星型網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對機(jī)場區(qū)域的鳥情監(jiān)測，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對鳥情信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，預(yù)報鳥情，從根本上防止鳥撞事故的發(fā)生。

ARM；ZigBee網(wǎng)絡(luò)；GPS；數(shù)據(jù)挖掘

鳥撞指鳥與飛機(jī)在空中相撞造成的飛行事故，具有多發(fā)性和突發(fā)性，一旦發(fā)生會使飛機(jī)受損，重者可使發(fā)動機(jī)失去動力，甚至飛機(jī)墜毀，造成重大人員傷亡[1]。隨著我國環(huán)境的改善，鳥類的遷徙和反季水果的增長，我國鳥類的種類和數(shù)量在急劇增加。另一方面隨著航空事業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)數(shù)量大量增加、航線不斷發(fā)展，而隨著人們保護(hù)環(huán)境和愛鳥、護(hù)鳥意識的增強(qiáng)，鳥類數(shù)量逐年增多[2]。在避免鳥撞事故和保護(hù)鳥類上如何做到一個平衡，成為了當(dāng)代鳥類學(xué)家和生態(tài)學(xué)家的一個新型研究熱點。

目前國內(nèi)外采用的是一系列簡單直接的驅(qū)鳥方法，目前比較流行的驅(qū)鳥方法有煤氣炮、錄音驅(qū)鳥、驅(qū)鳥車、超聲波驅(qū)鳥器、獵殺等[3]。煤氣炮使用起來不方便且不環(huán)保如Claws驅(qū)鳥器主要由煤氣炮和兩個擴(kuò)音喇叭組成，煤氣炮通過點燃煤氣瞬間發(fā)出爆鳴聲[4]?，F(xiàn)在該類產(chǎn)品逐漸被市場所淘汰。超聲波驅(qū)鳥器由于覆蓋范圍的限制，起效慢，一般用在電力系統(tǒng)中，使用在機(jī)場效果不好。錄音驅(qū)鳥，采用的方法是播放鳥類天敵的鳴叫聲以及鳥類遇到傷害后的悲鳴聲的錄音，時間久了鳥類也會產(chǎn)生習(xí)慣化，對此置若罔聞[5]。國內(nèi)機(jī)場現(xiàn)有的裝備中的軌道式無人駕駛遙控驅(qū)鳥車裝備有驅(qū)鳥炮和大功率喇叭等驅(qū)鳥設(shè)備，通過無線遙控使驅(qū)鳥車在軌道上來回巡邏[6]，但是無線遙控驅(qū)鳥車對鳥情的處理受到軌道的限制，鳥類很容易適應(yīng)。獵殺的方式雖然有效但是破壞了生態(tài)平衡，國內(nèi)現(xiàn)有的驅(qū)鳥手段存在一定弊端，國外的聲音驅(qū)鳥器成本過高，易損耗，而且往往存在著水土不服的缺點[7]。

本系統(tǒng)基于ZigBee和短波的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了對機(jī)場區(qū)域鳥情信息的實時采集，解決了鳥情報警不及時和機(jī)場鳥情信息管理不規(guī)范的問題，同時通過無線網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)監(jiān)管平臺結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對鳥情報警信息進(jìn)行管理分析，根據(jù)實時鳥情信息設(shè)定驅(qū)鳥方式從而聯(lián)動驅(qū)鳥設(shè)備。驅(qū)鳥設(shè)備采用智能機(jī)器人和智能驅(qū)鳥炮，解決了鳥類對驅(qū)鳥設(shè)備的耐受性問題。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的優(yōu)勢，初步解決了傳統(tǒng)驅(qū)鳥的時效性差，管理不便、成本高、人員需求多等問題。有效驅(qū)趕鳥類，保護(hù)了生態(tài)平衡的同時有效降低了鳥撞事故的發(fā)生。

1 機(jī)場智能化驅(qū)鳥系統(tǒng)設(shè)計方案

機(jī)場智能化驅(qū)鳥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹：基于對機(jī)場現(xiàn)場的驅(qū)鳥情況的考察，提出了以Cortex-M3內(nèi)核的Stm32為核心的機(jī)場鳥情信息采集系統(tǒng)，利用電子羅盤和GPS技術(shù)采集現(xiàn)場鳥情，借助無線網(wǎng)絡(luò)傳輸鳥情信息、控制信息。組合控制聲音驅(qū)鳥、機(jī)器人驅(qū)鳥、煤氣炮驅(qū)鳥等多種驅(qū)鳥方式達(dá)到良好的驅(qū)鳥效果。與傳統(tǒng)驅(qū)鳥設(shè)備相比，鳥情的信息采集智能化，電子羅盤和GPS技術(shù)可以采集鳥情報警的方向、速度、地理位置，將鳥情信息數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對鳥情信息進(jìn)行分析，對鳥情進(jìn)行預(yù)報，在未出現(xiàn)鳥情的情況下提前做好準(zhǔn)備工作，杜絕鳥撞事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的鳥情采集都是通過操作人員手寫記錄，這種方法既不規(guī)范又沒有時效性。

機(jī)場智能化驅(qū)鳥系統(tǒng)框圖如圖1所示，機(jī)場驅(qū)鳥人員當(dāng)發(fā)現(xiàn)危險情況時，通過鳥情信息采集儀操作面板上的鍵盤采集鳥情信息，借助ZigBee和短波無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)管理平臺。上位機(jī)軟件對鳥情信息進(jìn)行分析處理后，可以針對不同的鳥類和不同的鳥情，選擇不同的驅(qū)鳥方式，如機(jī)器人驅(qū)鳥、音頻驅(qū)鳥、煤氣炮驅(qū)鳥等，也可以選擇組合方式，將多種驅(qū)鳥方式組合起來使用，達(dá)到最佳的驅(qū)鳥效果。該系統(tǒng)的驅(qū)鳥設(shè)備在傳統(tǒng)驅(qū)鳥設(shè)備的基礎(chǔ)上做了一定的改進(jìn)。傳統(tǒng)的驅(qū)鳥設(shè)備單一化，每個飛行日的聯(lián)動驅(qū)鳥設(shè)備相同，該系統(tǒng)中引用了多種驅(qū)鳥設(shè)備，確保了驅(qū)鳥設(shè)備的多樣化，同時傳統(tǒng)的驅(qū)鳥設(shè)備的動作模式都是事先固定好的嵌入到驅(qū)鳥設(shè)備中，音頻驅(qū)鳥器中的聲音都是固定的。該系統(tǒng)中的聯(lián)動驅(qū)鳥設(shè)備可以根據(jù)不同的鳥情信息實時改變驅(qū)鳥方式，根據(jù)需要組合驅(qū)鳥設(shè)備，根據(jù)機(jī)場位置、季節(jié)、鳥類的不同設(shè)定驅(qū)鳥的聲音。

圖1 機(jī)場智能化驅(qū)鳥系統(tǒng)框圖Fig.1 Airport intelligent bird system block diagram

2 機(jī)場防鳥撞系統(tǒng)的模塊功能設(shè)計分析

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[8]的新興短距離、低功耗無線通信技術(shù)。它已經(jīng)成為無線通信網(wǎng)絡(luò)的一個研究熱點，ZigBee技術(shù)主要特點包括低數(shù)據(jù)速率、低功耗、短時延、高容量、低成本等。

在WSN網(wǎng)絡(luò)中所有ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備[10]分為以下3種類型：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點（Coordinator）、路由節(jié)點（Router）和終端節(jié)點（End Device）。這3種節(jié)點類型都是網(wǎng)絡(luò)層概念．他們的部署決定了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?。不論ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用何種拓?fù)浞绞剑W(wǎng)絡(luò)中都需要有一個并且只能有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點。它是整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則制定者，管理整個網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。它可以選擇信道的頻段，允許加入節(jié)點和刪除節(jié)點。路由節(jié)點可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，延伸ZigBee網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。主要用于樹型和網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。路由節(jié)點不能夠休眠。終端節(jié)點主要任務(wù)是發(fā)送和接收信息。節(jié)點類型的定義和節(jié)點在應(yīng)用中所起到的作用并不相關(guān)。

2.2 鳥情信息傳感器采集終端

STM32F103RBT6是鳥情信息采集終端的MPU和軟件運行的平臺，STM32F103是32位標(biāo)準(zhǔn)RISC嵌入式微處理器，該類處理器工作頻率為72 MHz，內(nèi)置128 KB的FLASH存儲器和20KB的SRAM，存儲器支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存儲器，內(nèi)嵌串行單線 JTAG調(diào)試接口，內(nèi)嵌跟蹤模塊（ETM），可以提供芯片運行時清晰的指令運行與數(shù)據(jù)流動的信息，擁有睡眠，停機(jī)，待機(jī)模式 3種低功耗模式。該信息采集終端配置了ZigBee模塊、u-Blox公司的NEO-5Q高性能GPS芯片、電子羅盤部分、液晶顯示部分和SD卡等。

該鳥情信息采集終端能夠通過GPS芯片和電子羅盤采集鳥情預(yù)警信息的地理位置和方位，SD卡中根據(jù)不同地理位置和氣候的不同存儲了相應(yīng)機(jī)場的鳥情和鳥類資料。操作人員通過按鍵和液晶屏幕中的人機(jī)界面進(jìn)行鳥情信息的采集和預(yù)警。該信息采集終端同時能夠點對點控制聯(lián)動驅(qū)鳥設(shè)備，在緊急情況下組合聯(lián)動驅(qū)鳥設(shè)備驅(qū)趕緊急情況下的飛鳥，同時將出現(xiàn)的鳥情上報到上位機(jī)軟件平臺。鳥情信息采集終端的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 信息采集終端結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Information collection terminal structure comosed

2.3 中繼節(jié)點站

中繼節(jié)點站的結(jié)構(gòu)如圖3所示，中繼節(jié)點站上的ZigBee通信模塊負(fù)責(zé)和聯(lián)動驅(qū)鳥設(shè)備、鳥情信息采集終端通信，接收鳥情信息采集終端采集到的鳥情信息，下發(fā)控制聯(lián)動驅(qū)鳥設(shè)備的命令信息。MCU負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和短波無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的解析、處理和轉(zhuǎn)發(fā)。短波電臺通信模塊負(fù)責(zé)和主站平臺進(jìn)行通信。該種組網(wǎng)方式大大降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，提高了通信質(zhì)量和效率。

中繼節(jié)點站負(fù)責(zé)將采集終端采集到的鳥情信息分析處理后傳輸給主站上位機(jī)軟件平臺，中繼節(jié)點站起到了信息上傳下達(dá)的作用，這就要求具有良好的數(shù)據(jù)處理能力，中繼節(jié)點站選用的微控制器是STC系列的STC12LE5A60S2微控制器。STC12C5A60S2單片機(jī)中包含中央處理器（CPU）、程序存儲器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）、定時/計數(shù)器、UART 串口、串口2、I/O接口、高速 A/D轉(zhuǎn)換、SPI接口、PCA、看門狗及片內(nèi)R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊[9]。STC12C5A60S2系列單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊。

圖3 中繼站結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of the relay station

每個中繼節(jié)點和信息采集終端的ZigBee網(wǎng)絡(luò)以星形網(wǎng)絡(luò)的方式組網(wǎng)。短波數(shù)傳電臺模塊選用的是TDX-868A數(shù)傳電臺，該型號電臺的抗干擾性強(qiáng)，發(fā)射和接收靈敏度高，支持點對點、點對多點的無線數(shù)據(jù)通信，工作頻段是433 MHz ISM頻段，不需要額外申請頻段，該電臺的額定工作電壓是+12 V，裝載戶外天線后通信距離可以達(dá)到3 km，該電臺模塊與外部的通信采用的接口是UART和RS485，最大的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到38 400 bps。

2.4 智能聯(lián)動驅(qū)鳥設(shè)備

智能聯(lián)動設(shè)備包括聲驅(qū)炮、煤氣炮、激光驅(qū)鳥器、機(jī)器人等，在此詳細(xì)介紹其中一種新型的智能機(jī)器人，智能機(jī)器人能夠接收上位機(jī)平臺的命令信息和鳥情信息采集終端的報警信息做出響應(yīng)。調(diào)整方向轉(zhuǎn)向鳥情報警的方向進(jìn)行組合驅(qū)鳥方式智能有效驅(qū)鳥。聯(lián)動設(shè)備既要接收信息采集終端的命令信息，又要接收上位機(jī)監(jiān)管平臺的動作命令，所以選用的處理器是STC系列的STC12LE5A60S2微控制器，確保了工作穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

該智能設(shè)備配置了ZigBee模塊通信、數(shù)據(jù)存儲、電動機(jī)、電磁炮、錄放音模塊。電動機(jī)用于轉(zhuǎn)動調(diào)整機(jī)器人的動作方向和機(jī)器人手臂的擺動。電磁炮采用的是電容充電快速放電原理激發(fā)炸頭動作，瞬間發(fā)出高達(dá)180分貝的爆鳴聲。錄放音模塊選用的是工業(yè)型模塊，能夠?qū)崟r更新聲音，應(yīng)對鳥類的耐受性，根據(jù)不同的機(jī)場和季節(jié)調(diào)整聲音進(jìn)行驅(qū)鳥。所有的模塊可以同時啟動，也可以根據(jù)上位機(jī)對鳥情分析后做出的命令信息組合不同的模式做出驅(qū)鳥動作。

3 軟件設(shè)計

3.1 ZigBee設(shè)備的程序設(shè)計

終端節(jié)點和中繼節(jié)點都是由MCU、XBee組成的。首先是對XBee的設(shè)置和調(diào)試試驗，X—CTU是Digi西無線通訊產(chǎn)品測試軟件和設(shè)置工具。它的功能包括：工作頻段、網(wǎng)絡(luò)ID號、某設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中唯一的標(biāo)識等參數(shù)的設(shè)定，以及信道通路的基本測試。

其次，在ZigBee設(shè)備中的主控芯片是軟件編程的重點，同時也是對ZigBee協(xié)議棧的實現(xiàn)。針對STM32和STC12系列單片機(jī)的開發(fā)工作。應(yīng)用最廣泛的開發(fā)環(huán)境是KEIL集成開發(fā)平臺。系統(tǒng)將ZigBee協(xié)議棧采用模塊化程序設(shè)計方式。軟件模塊分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收模塊、XBee連接UART等模塊。收發(fā)模塊是其核心。

系統(tǒng)軟件組成

3.2 信息采集終端軟件

信息采集終端開機(jī)后進(jìn)行初始化，初始化包含液晶初始化、Zigbee初始化、按鍵初始化3個部分，初始化正常后進(jìn)入While循環(huán)等待報警中斷的出現(xiàn)，當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)環(huán)境現(xiàn)場異常，出現(xiàn)鳥情信息時，需要啟動聯(lián)動設(shè)備或者將鳥情信息數(shù)據(jù)上傳時，根據(jù)鳥情信息的類別按下信息采集終端相應(yīng)按鍵，當(dāng)相應(yīng)按鍵按下觸發(fā)中斷后，根據(jù)不同的中斷執(zhí)行不同的程序，啟用相應(yīng)傳感器采集現(xiàn)場鳥情信息，上傳給上位機(jī)監(jiān)管平臺。信息采集終端的主程序流程圖如圖4所示。

圖4 鳥情信息采集終端程序流程圖Fig.4 Bird information acquisition terminal program folwchart

3.3 中繼節(jié)點站軟件

中繼站節(jié)點開機(jī)上電后，進(jìn)行電臺初始化、ZigBee初始化、數(shù)碼管初始化，初始化完成后將基站的基本信息和通訊信息在數(shù)碼管上循環(huán)顯示，如果設(shè)備出現(xiàn)異常在數(shù)碼管上顯示異常報警信息，初始化正常后等待中斷信號即，檢測是否有串口中斷，當(dāng)信息采集終端鳥情信息傳輸?shù)街欣^站節(jié)點觸發(fā)串口中斷，中繼站MCU通過解析收到的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)類型從短波數(shù)傳電臺發(fā)出。當(dāng)主站平臺的命令信息傳輸?shù)街欣^節(jié)點站觸發(fā)串口中斷后，中繼站MCU解析接收的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)數(shù)據(jù)類型從ZigBee模塊發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)。中繼節(jié)點站核心原理圖如圖5所示。

3.4 智能聯(lián)動驅(qū)鳥設(shè)備軟件

聯(lián)動智能設(shè)備開機(jī)上電初始化后，檢測驅(qū)鳥設(shè)備的各個驅(qū)鳥模塊是否正常工作，如果不正常工作發(fā)送故障信號給主站平臺進(jìn)行匯報，如果驅(qū)鳥設(shè)備檢測正常則進(jìn)入While循環(huán)，檢測是否有串口中斷，當(dāng)監(jiān)測到串口中斷后，對串口中斷接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型和命令類型組合驅(qū)鳥模塊做出相應(yīng)的驅(qū)鳥動作。

圖5 中繼節(jié)點站核心原理圖Fig.5 Relay station core schematic

4 結(jié)束語

本文針對當(dāng)前機(jī)場的驅(qū)鳥手段效果差、方式落后，不方便管理等問題，研究了基于ZigBee技術(shù)的星形無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ARM等工控領(lǐng)域的技術(shù)在機(jī)場區(qū)域鳥情預(yù)警和防鳥撞中的應(yīng)用，該系統(tǒng)已經(jīng)在多個機(jī)場正常穩(wěn)定運行，并取得良好的效果。在接下來的研究中將與高新技術(shù)如雷達(dá)的結(jié)合，使機(jī)場及周邊地區(qū)的鳥情觀測更科學(xué)精確，隨著Internet技術(shù)的發(fā)展，機(jī)場鳥撞信息系統(tǒng)，必然會由各個相對孤立的機(jī)場轉(zhuǎn)向相互緊密的聯(lián)系，可做到數(shù)據(jù)、信息、經(jīng)驗的共享，將實現(xiàn)自動化采集鳥情和驅(qū)鳥，實現(xiàn)驅(qū)鳥的智能化，從根本上解決鳥撞事故的發(fā)生，同時保持生態(tài)的平衡不被破壞。

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Bird system based on ARM and ZigBee technology airport intelligent

ZHAO Chao， CHEN Shou-yuan， SHAO Zeng-zhen
（Information Science and Engineering College， Shandong Normal University，Jinan 250014， China）

A ARM ZigBee technology airport intelligent anti-bird strike bird is introduced.The system uses a wireless monitoring network combined with the the PC monitoring center framework，the use of low-power control chip STM32F103RBT，the Maxstream company XBee module，shortwave data transmission radio TDX-868A，the integration of wireless sensor networks， GPS technology， electronic compass and ARM IPC the field of technology， using a star network topology， bird Surveillance in the airport area， using data mining techniques of bird intelligence information， data analysis，forecasting birds love，fundamentally prevent bird strike accidents.

ARM；ZigBee network；GPS；data mining

TN92

A

1674－6236（2013）08-0184-04

2012-11-14稿件編號201211106

趙 超（1988—），男，山東棗莊人，碩士研究生。研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。