基于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的智能驅(qū)鳥器設(shè)計(jì)

丁宇浩, 李 棟, 溫權(quán)龍, 管子虞, 高 強(qiáng), 谷海清

(天津理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300384)

0 引 言

根據(jù)南方某地區(qū)近20年來電網(wǎng)輸電線路跳閘故障情況統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：該地區(qū)電網(wǎng)年均鳥害故障發(fā)生率達(dá)10%左右,鳥害已成為僅次于雷擊災(zāi)害的輸電線路跳閘第二大原因。研究發(fā)現(xiàn)：鳥巢故障成為鳥害故障的首要故障類型[1-2]。鳥類筑巢所用材料會(huì)破壞輸電線路的保護(hù)措施，加大導(dǎo)電和引雷等意外地發(fā)生極易引起線路短路，鳥類在變壓器之間穿梭等行為容易撞擊電線造成輸電受阻的現(xiàn)象，啄食復(fù)合絕緣體引起線路故障和排泄的糞便造成的閃絡(luò)效應(yīng)，嚴(yán)重危及電網(wǎng)安全運(yùn)行，給能源部門和人類生產(chǎn)、生活造成重大經(jīng)濟(jì)損失[3]。研究能夠高效驅(qū)趕鳥類的設(shè)備十分有必要。

目前市場上已有的驅(qū)鳥設(shè)備，如超聲波驅(qū)鳥器、激光驅(qū)鳥器、防鳥刺、反光風(fēng)鏡驅(qū)鳥器等[4-5]，這些設(shè)備都存在不足，可以歸納為以下幾點(diǎn)：

(1) 電子驅(qū)鳥器生產(chǎn)成本高，工作耗能大，且工作模式單一；

(2) 普通驅(qū)鳥刺和反光風(fēng)鏡不能有效克服鳥類的適應(yīng)性；

(3) 容易受自然環(huán)境的影響而損害，同時(shí)傳統(tǒng)驅(qū)鳥器無法及時(shí)回饋故障信息，需要工作人員進(jìn)行巡邏和檢查[6]；

(4) 缺乏針對(duì)性，針對(duì)不同工作環(huán)境，同一種驅(qū)鳥手段不一定能發(fā)揮相同的驅(qū)鳥效果。

經(jīng)資料查證：鳥類和人類的聽力范圍存在差異，人類很難感應(yīng)到超過20 kHz的聲波，但鳥類可以察覺到20 kHz以上的聲波，20～35 kHz的聲波會(huì)使鳥類產(chǎn)生不適[7]，在空曠且人跡稀少的鄉(xiāng)間和山林，采用鳥類天敵的聲音可以更好地驅(qū)鳥；在晚上，采用高亮LED閃爍的方式驚嚇靠近的鳥類[8-9]，也可以達(dá)到很好的驅(qū)鳥效果。為針對(duì)不同環(huán)境如何高效驅(qū)鳥，同時(shí)又能保護(hù)驅(qū)鳥器免遭損壞，綜合現(xiàn)存驅(qū)鳥產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)并了解了鳥類的生活習(xí)性，研究開發(fā)了一個(gè)以太陽能為主要供能方式，多普勒雷達(dá)探測[10-11]，多種環(huán)境模式切換以及可人為遙控的嵌入式智能驅(qū)鳥器。智能驅(qū)鳥器依靠嵌入主控芯片控制，設(shè)備經(jīng)過插接不同的傳感器模塊可具有多種工作模式：城市環(huán)境、鄉(xiāng)間環(huán)境和山林環(huán)境等工作模式，所有驅(qū)鳥器都由統(tǒng)一的上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和遙控來實(shí)現(xiàn)區(qū)域化高效率驅(qū)鳥的目的。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)鳥器設(shè)計(jì)采用STM32F407ZGT6作為嵌入式核心，微波雷達(dá)作為鳥類檢測模塊，使用太陽能板供電，以蓄電池儲(chǔ)電的方式為設(shè)備供電，采用雨水傳感器和光敏傳感器作為環(huán)境檢測模塊，以天敵的聲音、變化的頻率聲波和閃爍高亮的LED作為主要驅(qū)鳥手段，保證驅(qū)鳥器的智能性與實(shí)用性；結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀況和記錄驅(qū)鳥情況?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物連接如圖2所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)組成

圖2 智能驅(qū)鳥器實(shí)物

1.1 嵌入式最小系統(tǒng)

控制核心采用以Cortex-M4核心的STM32F407ZGT6芯片，控制核心模塊通過對(duì)各功能模塊進(jìn)行綜合控制來實(shí)現(xiàn)驅(qū)鳥、采集驅(qū)鳥器工作狀態(tài)信息、傳輸驅(qū)鳥結(jié)果、顯示驅(qū)鳥次數(shù)等功能。同時(shí)也可滿足本系統(tǒng)要求的體積小、功耗低、工作穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[12]。

1.2 雷達(dá)模塊

雷達(dá)運(yùn)動(dòng)傳感器是利用多普勒雷達(dá)原理設(shè)計(jì)的微波移動(dòng)物體探測器，額定工作電壓是(5±0.25) V，探測距離為2～16 m連續(xù)可調(diào)，發(fā)射頻率為10.525 GHz。電路原理如圖3所示。

圖3 雷達(dá)模塊電路原理

相對(duì)于紅外傳感技術(shù)，微波雷達(dá)傳感技術(shù)具有非接觸、抗雨霧粉塵等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為近程范圍檢測的一種重要傳感手段[13]。微波傳感器是檢測周圍物體反射的微波，然后將微小信號(hào)經(jīng)過放大，再通過內(nèi)部的比較電路將信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出，便于單片機(jī)處理。其多普勒頻率

式中：v為目標(biāo)速；Ft為發(fā)射頻；c為光速；θ為目標(biāo)移動(dòng)方向與模塊軸之間的夾角。

雷達(dá)模塊具有抗干擾性能強(qiáng)，工作范圍大，檢測靈敏，穿透性強(qiáng)且不易損壞等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地檢測一片區(qū)域內(nèi)是否有鳥類靠近電線桿或電塔等輸電設(shè)施的功能。雷達(dá)探測的性能與傳統(tǒng)紅外探測對(duì)比見表1。

表1 微波雷達(dá)與紅外熱釋電傳感器性能比較

1.3 電源模塊

供能模塊主要由9 V 5 W單晶太陽能電池板，DC12V 4 A蓄電池通過穩(wěn)壓電路與嵌入式主體進(jìn)行連接，穩(wěn)定輸出5 V電壓，電路原理如圖4所示

圖4 穩(wěn)壓電路原理

通過太陽能板供電優(yōu)點(diǎn)在于零污染，穩(wěn)定性能強(qiáng)。蓄電池和太陽能板中間連接一個(gè)防反接保護(hù)二極管，可實(shí)現(xiàn)白天充電板向鋰電池內(nèi)充電，夜晚蓄電池不會(huì)回流供給太陽能板的功能。穩(wěn)壓變換器不僅可以調(diào)試出各種電壓測試系統(tǒng)的工作電壓，而且能保持電源穩(wěn)定地向單片機(jī)和輸出模塊供電。

1.4 光敏模塊

光敏模塊的工作電壓為3.3～5 V，LM393基準(zhǔn)器件具有信號(hào)清晰，波形好，轉(zhuǎn)向能力強(qiáng)的特點(diǎn)。輸出數(shù)字信號(hào)，如果環(huán)境光強(qiáng)度未達(dá)到指定閾值，則輸出電平為高；反之，則輸出電平為低。

1.5 擴(kuò)音器模塊

擴(kuò)音器模塊由特制的喇叭和功放模塊組成，可以發(fā)出20～25 kHz的聲波，也可以播放內(nèi)存中的天敵叫聲。功放模塊板搭載有TDA2030A音頻功放芯片、喇叭接線座及可調(diào)電阻，可直接通過引腳輸入音頻信號(hào)，工作電源為6～12 V，電路原理如圖5所示。

圖5 功率放大電路原理

1.6 雨水模塊

雨滴傳感器采用雙面材料，用鍍鎳處理表面，具有對(duì)抗氧化、導(dǎo)電性及壽命方面更好的性能；使用寬電壓LM393比較器輸出，工作電壓為3.3～5 V。將天氣狀況轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)輸出，配電位器調(diào)節(jié)靈敏度。DO數(shù)字輸出連接單片機(jī)的AD口檢測是否有雨。

1.7 4G無線通信模塊

在物聯(lián)網(wǎng)通信模塊由ME906E 4G、MCU顯示屏和阿里云平臺(tái)服務(wù)器3部分組成。主控制板搭載了liteos[14]操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)功能強(qiáng)大，任務(wù)執(zhí)行效率高。驅(qū)鳥器上的ME906E模塊負(fù)責(zé)與阿里云平臺(tái)之間的通信，操作界面與工作數(shù)據(jù)可通過MCU顯示屏顯示。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境中，驅(qū)鳥器既可減少對(duì)人的影響，又可在其所處地環(huán)境中最大程度地實(shí)現(xiàn)驅(qū)鳥效果，本設(shè)計(jì)根據(jù)同一區(qū)域不同環(huán)境中各種驅(qū)鳥效果的差異性，篩選針對(duì)不同環(huán)境的最佳驅(qū)鳥方式，并采用物聯(lián)網(wǎng)將這一區(qū)域的所有驅(qū)鳥器統(tǒng)一遙控，驅(qū)鳥器分類如下。

(1) 在城市。白天,驅(qū)鳥器通過雷達(dá)模塊檢測周邊是否有鳥類經(jīng)過，如果檢測到鳥類，驅(qū)鳥器發(fā)出持續(xù)變頻率的超聲波來驅(qū)逐鳥類；晚上，驅(qū)鳥器自動(dòng)轉(zhuǎn)換成夜間模式使用爆閃燈驅(qū)鳥，避免在城市中超聲波干擾人類休息和達(dá)到更好的驅(qū)鳥效果。同時(shí)，當(dāng)遇到惡劣環(huán)境時(shí)，會(huì)切換至低功耗模式。

(2) 在鄉(xiāng)間。白天驅(qū)鳥器通過雷達(dá)檢測周邊是否有鳥類經(jīng)過，如果檢測到鳥類，驅(qū)鳥器發(fā)出天敵的叫聲來驅(qū)逐鳥類；晚上，驅(qū)鳥器會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成夜間模式使用爆閃燈驅(qū)鳥。當(dāng)遇到惡劣環(huán)境時(shí)，會(huì)切換至低功耗模式。

(3) 在山林。驅(qū)鳥器在正常工作環(huán)境中僅采用聲波和超聲波兩種手段進(jìn)行驅(qū)鳥，當(dāng)遇到惡劣環(huán)境時(shí)，會(huì)切換至低功耗模式。

其區(qū)域化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 區(qū)域化智能驅(qū)鳥網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖7 驅(qū)鳥器系統(tǒng)功能

(1) 當(dāng)驅(qū)鳥器開啟并處于城市工作環(huán)境模式。核心控制芯片會(huì)下達(dá)指令通過雷達(dá)模塊實(shí)時(shí)探測周圍是否有鳥類靠近。如果沒有鳥類靠近，在白天模式時(shí)擴(kuò)音器會(huì)每隔15 s發(fā)出2 s的變頻超聲波來預(yù)防鳥類靠近；在夜晚,驅(qū)鳥器會(huì)切換成每隔15 s LED閃光燈會(huì)閃爍一次來達(dá)到相同的目的。如果雷達(dá)檢測到有鳥類靠近驅(qū)鳥器，白天驅(qū)鳥器會(huì)周期性輸出變頻超聲波進(jìn)行驅(qū)鳥，直到鳥類離開雷達(dá)傳感器的檢測范圍；晚上，驅(qū)鳥器的LED閃光燈會(huì)周期性地閃爍直到鳥類離開檢測范圍，當(dāng)驅(qū)鳥器處于惡劣天氣時(shí)，例如下雨天時(shí)，通過雨水模塊，主控芯片將驅(qū)鳥器從正常的工作模式轉(zhuǎn)為雨天的低功率模式，當(dāng)周圍環(huán)境轉(zhuǎn)變成為可以正常工作的環(huán)境時(shí)，驅(qū)鳥器恢復(fù)到正常的工作模式，工作流程如圖8所示。

圖8 城市驅(qū)鳥器工作流程

(2) 當(dāng)驅(qū)鳥器開啟并處于鄉(xiāng)間工作環(huán)境模式。與城市工作模式大致相同，鄉(xiāng)間工作模式驅(qū)鳥器將超聲波驅(qū)鳥方式改換成播放天敵叫聲的聲音驅(qū)鳥。白天沒有檢測到鳥類時(shí)，驅(qū)鳥器每15 s播放一次天敵的叫聲，當(dāng)檢測到鳥類靠近時(shí)，驅(qū)鳥器會(huì)隨即切換天敵叫聲驅(qū)鳥，晚上的驅(qū)鳥模式與城市工作模式相同。

(3) 當(dāng)智能驅(qū)鳥器開啟并處于山林工作環(huán)境模式。控制芯片會(huì)下達(dá)指令通過雷達(dá)模塊實(shí)時(shí)探測周圍是否有鳥類靠近。如果沒有，擴(kuò)音器會(huì)每隔15 s發(fā)出一次的鷹的聲音來預(yù)防鳥類靠近，如果檢測到有鳥類靠近驅(qū)鳥器，驅(qū)鳥器會(huì)周期性輸出鷹的聲音和變頻超聲波進(jìn)行驅(qū)鳥，直到鳥類離開傳感器的檢測范圍。當(dāng)驅(qū)鳥器處于惡劣天氣時(shí)，例如下雨天時(shí)，通過雨水模塊，主控芯片將驅(qū)鳥器從正常的工作模式轉(zhuǎn)為雨天的低功率模式，當(dāng)周圍環(huán)境轉(zhuǎn)變成為可以正常工作的環(huán)境時(shí)，驅(qū)鳥器恢復(fù)到正常的工作模式，工作流程如圖9所示。

圖9 山林驅(qū)鳥器工作流程

每進(jìn)行1次上述3種驅(qū)鳥工作后，4G模塊便會(huì)向云端服務(wù)器發(fā)送一次驅(qū)鳥的結(jié)果信息，此信息會(huì)儲(chǔ)存在云端數(shù)據(jù)中用于記錄和參考。

3 遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問，系統(tǒng)采用django、uwsgi和nginx在阿里云平臺(tái)[15]搭建一個(gè)可用公網(wǎng)訪問的網(wǎng)頁，負(fù)責(zé)管理人員通過上位機(jī)訪問網(wǎng)頁端對(duì)驅(qū)鳥器工作狀態(tài)進(jìn)行控制,并采用圖表的方式查看驅(qū)鳥的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。同時(shí)在阿里云平臺(tái)運(yùn)行一個(gè)python腳本，該腳本程序負(fù)責(zé)接收驅(qū)鳥器發(fā)來的tcp鏈接與信息，將驅(qū)鳥器被觸發(fā)的次數(shù)，環(huán)境信息寫入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，還可向驅(qū)鳥器發(fā)送消息，pyhon腳本還會(huì)與前端界面通信以此來獲取用戶與網(wǎng)頁端的交互信息并且直接將交互信息發(fā)送給驅(qū)鳥器，以此達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制驅(qū)鳥器工作狀態(tài)，聯(lián)網(wǎng)工作流程如圖10所示。

圖10 通信功能

云端服務(wù)器不僅負(fù)責(zé)接收各地區(qū)不同功能的驅(qū)鳥器工作數(shù)據(jù)還可遠(yuǎn)程操控驅(qū)鳥器：當(dāng)驅(qū)鳥器遇到解決不了的問題或者出現(xiàn)驅(qū)鳥器錯(cuò)誤工作情況，通信模塊會(huì)及時(shí)向上位機(jī)報(bào)警，上位機(jī)會(huì)遠(yuǎn)程遙控驅(qū)鳥器重啟或者模式轉(zhuǎn)換；當(dāng)某個(gè)單一的驅(qū)鳥器出現(xiàn)故障時(shí)，維護(hù)人員可通過上位機(jī)快速查找故障驅(qū)鳥器的位置進(jìn)行維修，以減輕維修組需要定期巡邏的負(fù)擔(dān)。維修示意如圖11所示。

圖11 驅(qū)鳥器故障反饋

4 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種持久性、低功耗、高性價(jià)比、耐用、適用范圍廣的智能化自動(dòng)化驅(qū)鳥設(shè)備，通過服務(wù)器進(jìn)行后臺(tái)綜合管理。可以滿足山林地區(qū)的輸電線路和城鎮(zhèn)地區(qū)的輸電線路的不同環(huán)境，針對(duì)不同區(qū)域鳥類特點(diǎn)，模塊化構(gòu)成不同驅(qū)鳥方式的設(shè)備單元，加強(qiáng)了驅(qū)鳥的針對(duì)性，提高驅(qū)鳥效果，保護(hù)輸電線路安全，為電力部門節(jié)約運(yùn)維成本。經(jīng)實(shí)際測試,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可滿足實(shí)際需要。

在未來還可將統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)做成大數(shù)據(jù)來統(tǒng)計(jì)鳥類的生活習(xí)性，觀測鳥類的生態(tài)并以此來提高驅(qū)鳥器的工作效率和為以后的驅(qū)鳥設(shè)備提供更好的參考資料。