基于ZigBee技術的變電站分離式智能驅鳥系統(tǒng)研究*

陳 隆，楊曉東，林天佑

(1.國網浙江省電力公司檢修分公司，浙江杭州311232;2.浙江工業(yè)大學信息工程學院，浙江杭州310023)

0 引言

由于變電站通常處于空曠的地理環(huán)境中且其中電氣設備長期靜止運行，往往會吸引鳥類將鳥巢筑在變電站設備上，容易引起電力系統(tǒng)事故，鳥類活動已經嚴重威脅到電力系統(tǒng)(變電站，輸電線路等)的穩(wěn)定、安全運行［1-2］。目前，國內外針對電力系統(tǒng)的驅鳥手段主要為:人工驅鳥、利用風車、鳥刺、防鳥板等驅鳥以及使用簡單電子驅鳥器驅鳥。人工驅鳥雖然效果明顯，但要耗費大量的人力、物力;風車、鳥刺及防鳥板只能在理想情況下起到一定的作用，當遇到大風等情況，不但不能起到作用，如有異物落到上面反而有可能起到相反作用;而簡單的電子驅鳥器則存在過多的無用損耗和維護困難等缺陷［3-9］。上述驅鳥手段普遍存在效率低、經濟性不高以及可管理性差等弊端。

目前，對于復雜電子驅鳥裝置的研究，主要從檢測、驅趕鳥類方式等方面入手，大多局限于對一體化驅鳥裝置的研究。該類驅鳥裝置若單獨使用，則驅鳥范圍局限;若多裝置多點使用，則在檢測、驅趕作用范圍不一致的情況下，必定會造成浪費或驅鳥范圍不足。

針對上述分析，本研究基于ZigBee 無線通信技術、多普勒效應、超聲波技術設計一種經濟、實用的新型變電站分離式智能驅鳥系統(tǒng)。

1 分離式智能驅鳥系統(tǒng)構成

1.1 問題描述

前期工作中，本研究基于多普勒效應和超聲波技術成功研制了適用于變電站的驅鳥觸發(fā)裝置。驅鳥裝置檢測方位及距離如圖1所示。實際測試結果顯示，檢測設備的有效探測距離為10 m～15 m，范圍局限在圓心角為60°～120°的扇形區(qū)域內。如果不對全站進行整體防護，鳥類在被驅趕出某一設備后，又會在另一設備上重新做窩。因此很有必要對變電站進行整體防護。但如果將現(xiàn)有的驅鳥裝置應用于保護變電站所有設備，將需要安裝大量的驅鳥裝置，存在項目經費過高、維護工作量龐大、技術經濟性較差等弊端。

圖1 驅鳥裝置檢測方位及距離

1.2 系統(tǒng)簡述

本研究將上述驅鳥裝置分割為檢測與超聲波驅趕兩個分離的部分，根據(jù)實際需求分別布置檢測設備與超聲波驅趕設備，并在各設備間建立通信網絡，使檢測設備和超聲波驅趕設備協(xié)同、配合完成驅鳥工作，構成變電站級的驅鳥防護網。

檢測設備基于多普勒效應原理探測鳥的存在與否，超聲波驅趕設備的動作器件為超聲波發(fā)生器。限于現(xiàn)有技術以及經濟性要求，檢測設備的有效探測范圍如圖1所示。驅趕設備的有效作用范圍在半徑為15 m～30 m 的球體內。

本研究根據(jù)檢測設備和超聲波驅趕設備的作用范圍將變電站劃分N 個邊長為45 m 的網格，并根據(jù)網格中設備的實際情況具體設計檢測設備的布置數(shù)量、方向及位置，網格中的布置方案示意圖如圖2所示。

圖2 探測與超聲波驅趕設備布置方案示意圖

分離式智能驅鳥系統(tǒng)基于ZigBee 通信組網技術以及具體設備布置方案構建而成，系統(tǒng)構成如圖3所示。

圖3 智能驅鳥系統(tǒng)構成示意

系統(tǒng)由通信網絡、若干檢測與超聲波驅趕設備以及系統(tǒng)服務器構成。由于檢測設備的作用范圍較驅趕設備的作用范圍大，本研究基于ZigBee 通信技術將若干個檢測設備對應于1 個超聲波驅趕設備映射在同一個網格中，實現(xiàn)變電站的所有設備處于驅鳥防護網中。對于任一網格，如果其中的某個檢測設備被觸發(fā)，將啟動該網格中的超聲波驅趕模塊，將鳥驅趕走。

1.3 系統(tǒng)通信

各設備間的數(shù)據(jù)交互由ZigBee 技術承擔。ZigBee是一種短距離、低功耗的無線傳感器網絡通信技術［10-13］，其主要技術特點有:

(1)快速自組網能力。對整個變電站構建驅鳥網絡，需要布置大量的檢測設備和驅趕設備，ZigBee 技術的快速自組織能力可以方便地組網，快速地在各設備間建立無線連接;

(2)低功耗。驅鳥設備往往采用光伏或蓄電池供電，ZigBee 技術低功耗的特點可以延長驅鳥設備的工作時長。

(3)高可靠性。ZigBee 協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿?物理層使用OQPSK(偏移四相相移鍵控)和DSSS(直接序列展頻)調制技術;采用CSMA-CA 解決數(shù)據(jù)沖突問題;16-bits CRC 校驗等。對手機、發(fā)配電設備等的電磁干擾有良好的防護。

(4)主要適用于短距、無線控制系統(tǒng)，傳輸少量控制信息，速率最高可達250 Kbps。

ZigBee 技術的物理設備按功能分為協(xié)調器、路由器和終端設備，根據(jù)在系統(tǒng)中的具體應用，分別對應于圖3 中的協(xié)調器、超聲波驅趕設備和檢測設備，并共同組建形成網狀拓撲網絡。各部分的功能分別為:

(1)協(xié)調器。掃描空閑信道，創(chuàng)建網絡等待設備加入、并維護現(xiàn)有網絡，將驅鳥記錄及下屬設備狀態(tài)傳至系統(tǒng)服務器;

(2)超聲波驅趕設備。系統(tǒng)的執(zhí)行單元擁有路由功能，與協(xié)調器一起構成ZigBee 網絡的骨干，覆蓋整個變電站;等待接收其所在網格內檢測設備的觸發(fā)信號，觸發(fā)信號到來時啟用變頻超聲波驅趕鳥類，并向服務器傳送驅鳥記錄;

(3)檢測設備。利用多普勒效應原理探測是否有鳥類在該設備作用范圍內，設備被觸發(fā)時即促使所在網格內的驅趕設備工作;定時向服務器匯報設備狀況(故障與否、電池荷電狀態(tài)等)。

2 系統(tǒng)硬件設計與功能分析

2.1 協(xié)調器

本研究選用TI/Chipcon 公司的CC2530 硬件解決方案和Z-Stack 協(xié)議棧來實現(xiàn)所述無線傳感器網絡。ZigBee 網絡協(xié)調器的電路設計如圖4所示。

協(xié)調器是ZigBee 網絡的中樞，負責網絡的維護，工作量大，為防止數(shù)據(jù)溢出，本研究對存儲器進行了擴展。LED 指示燈用于指示設備工作狀態(tài)。串口組件用于與系統(tǒng)服務器交換數(shù)據(jù)，如此，可在服務器的可視窗口中查看各設備的拓撲情況、設備狀況及歷史記錄等，方便人機交互。

圖4 ZigBee 網絡協(xié)調器

2.2 超聲波驅趕設備

超聲波驅趕設備結構如圖5所示。驅趕設備被觸發(fā)啟動后，會發(fā)射變頻超聲波驅趕鳥類，防止鳥類神經系統(tǒng)適應同一頻率超聲波的情況發(fā)生，保證驅鳥效果的持久性。超聲波的產生機理如圖6所示。

圖5 超聲波驅趕設備

圖6 變頻超聲波發(fā)生機理

超聲波產生電路主要由反相器和超聲波發(fā)射換能器構成。該研究在輸入端加入一定頻率的方波，經過反相器作用，將兩路方波信號加到超聲波換能器的兩端產生超聲波。這種推換形式可以大大提高超聲波的發(fā)射強度。本研究通過改變輸入端方波的頻率實現(xiàn)超聲波變頻。

2.3 檢測設備

檢測設備應用多普勒原理，采用微波位移傳感器HB100 作為檢測模塊核心。檢測設備結構如圖7所示。

傳感器HB100 可以檢測鳥飛來的速度，并將速度信號轉換成電信號，放大后傳送給微控制器，微控制器對信號處理后進行判斷，若判斷有飛鳥進入到檢測區(qū)域，則發(fā)送控制信號驅動超聲波驅趕模塊進行驅鳥行為。實驗表明傳感器HB100 可以精確檢測到10 m～15 m 范圍內的物體移動，并產生相應的信號。

圖7 檢測設備

2.4 設備供電方式

本研究對檢測設備定時喚醒來檢測飛鳥蹤跡，其余時間處于休眠狀態(tài)，故采用蓄電池對其進行供電。圖7 中CC2530 與HB100 都具有低功耗的特點，蓄電池供電可以保證檢測設備的長時間運行。

考慮到超聲波驅趕設備的功率需求，筆者采用獨立光伏充、放電系統(tǒng)作為對驅趕設備的供電電源，實現(xiàn)對驅趕設備的長期穩(wěn)定供電。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 ZigBee 網絡協(xié)調器軟件

ZigBee 網絡中，協(xié)調器主要負責網絡的組建、維護、控制終端節(jié)點的加入等。智能驅鳥系統(tǒng)中ZigBee協(xié)調器的軟件流程如圖8所示。網絡號PAN ID 是一個ZigBee 網絡的標志，在同一區(qū)域中是獨一無二的，路由設備和終端設備均根據(jù)網絡號加入到相應網絡。

圖8 協(xié)調器軟件流程

網絡組織者協(xié)調器與系統(tǒng)服務器直接相連，將網絡中各設備的相關信息送往服務器，實現(xiàn)友好地人機界面，方便驅鳥設備與變電站工作人員實時交互。

3.2 超聲波驅趕設備軟件設計

超聲波驅趕設備軟件流程如圖9所示。初始化后，軟件會掃描所有的可用信道來試圖找到一個Zig-Bee 協(xié)調器節(jié)點，并請求加入網絡，得到協(xié)調器肯定的答復后，即可加入一個擁有特定PAN ID 的ZigBee 網絡。加入網絡后，軟件為設備狀態(tài)報告事件設置定時器中斷，定時器溢出即向網絡根節(jié)點報告設備狀態(tài)，同時等待消息的到來，如果接收到檢測設備的觸發(fā)信號，則產生不同頻率方波誘導發(fā)射變頻超聲波進行驅鳥，如果是需要轉發(fā)的信息，則開啟路由功能。

圖9 超聲波驅趕設備軟件流程

3.3 檢測終端軟件設計

檢測設備加入網絡的過程與驅趕設備相同，加入網絡后，一方面會為設備狀態(tài)報告事件設置定時器中斷，另一方面通過另一路定時器來定時喚醒設備檢測飛鳥蹤跡。具體軟件流程如圖10所示。

圖10 檢測設備軟件流程

檢測設備在系統(tǒng)中大量存在，構成驅鳥系統(tǒng)的視覺系統(tǒng)，在防護網絡內，按圖1 布置檢測設備，任何一只鳥都不能躲開系統(tǒng)的“視覺系統(tǒng)”，配合ZigBee 網絡的信息傳輸以及超聲波驅趕設備執(zhí)行驅鳥，本研究設計的分離式智能驅鳥系統(tǒng)可以實現(xiàn)變電站的全面驅鳥。

4 實驗與分析

本研究在某變電站實地環(huán)境下對該系統(tǒng)進行了相關性能的實驗測試，分別采用模擬鳥類飛行和實際觀察鳥類飛入兩種方法對該系統(tǒng)驅鳥的有效性進行驗證。

模擬鳥類飛行情況實驗中，本研究選擇3 種大小不同的遙控飛機區(qū)別不同大小的鳥類，考慮到飛機表面光滑和鳥類身體布滿羽毛對微波反射率的不同，在飛機表面覆蓋絨布模擬鳥類身體，分別以不同的速度和方向模擬鳥類飛入，并用示波器檢測位移傳感器信號放大電路的輸出。實驗結果顯示遙控飛機飛入時，檢測設備指示燈反應，對應范圍內的位移傳感器輸出發(fā)生頻率變化，驅趕設備指示燈反應，人機交互界面顯示驅趕設備運行，系統(tǒng)正常工作。

本研究實際觀察鳥類飛入情況，分別對晴天和雨天進行觀察，時間選擇鳥類活動頻繁的早晨。觀察結果顯示鳥類飛入時，檢測設備、驅趕設備指示燈反應，鳥類被成功驅趕，整個變電站內無鳥類持續(xù)活動。

5 結束語

本研究創(chuàng)新性地將傳統(tǒng)意義上的驅鳥裝置分割成分離的檢測和驅趕設備，并基于ZigBee 技術將布置在防護區(qū)域中的多個檢測、超聲波驅趕設備有機地連接起來，使檢測和驅趕設備協(xié)同完成變電站的驅鳥工作。相對于傳統(tǒng)一體式的驅鳥裝置，本研究提出的分離式智能驅鳥系統(tǒng)具有范圍廣、效率高、管理方便和信息化程度高等優(yōu)點，為變電站驅鳥提供了一種新的解決方案。

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