基于物聯(lián)網(wǎng)的智能驅(qū)鳥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴毓虎

（武漢工程科技學(xué)院，湖北 武漢 430200）

隨著綠色發(fā)展的理念融入中國(guó)社會(huì)的方方面面，中國(guó)整體環(huán)境變好，電力系統(tǒng)內(nèi)的變電站、開關(guān)站等區(qū)域的環(huán)境也吸引了鳥類等生物的休養(yǎng)生息。人與自然的和諧相處對(duì)維護(hù)生態(tài)平衡與生物多樣性肯定是大好事，但對(duì)于電力安全來說，鳥類的回歸也造成了電力鳥害的增多。上策是在不傷害鳥的同時(shí)把它們驅(qū)趕出電力桿塔等電力設(shè)施的安全空間，力保電力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)、運(yùn)輸和分配。

在電力領(lǐng)域，電力桿塔的橫搭是鳥類喜歡選擇的棲息地，隨著國(guó)內(nèi)外特別是發(fā)展中國(guó)家電力事業(yè)的發(fā)展，電力鳥害給電力安全造成的財(cái)力和人身安全損失令人觸目驚心。各國(guó)電力領(lǐng)域的研究人員都在積極探索一套有效的解決方案避免電力系統(tǒng)鳥害的發(fā)生[1]。

1 驅(qū)鳥系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛應(yīng)用，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到驅(qū)鳥領(lǐng)域已經(jīng)是一種趨勢(shì)。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)完成了一套全新的電力驅(qū)鳥解決方案，實(shí)現(xiàn)多種方式驅(qū)鳥的智能有效結(jié)合，既能保障電力驅(qū)鳥的可靠性，時(shí)效性、準(zhǔn)確性及智能性方面也有保證。以下是系統(tǒng)解決的3 個(gè)重要問題。

探測(cè)鳥的到來。利用微波感應(yīng)位移模塊來探測(cè)鳥的到來，當(dāng)其來臨時(shí)，微波感應(yīng)位移模塊產(chǎn)生的電壓值不同，接著經(jīng)過放大和AD 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)給ARM核心處理器，從而很快判定是否有鳥的到來。掌握鳥到來的判定值范圍，能達(dá)到高效檢測(cè)目的，取代以前傳統(tǒng)的紅外探測(cè)技術(shù)[2]。

高效驅(qū)鳥。采用多種不同聲音、強(qiáng)光、寬頻段的低頻波交替刺激鳥，讓鳥難以適應(yīng)，自動(dòng)離開，改變了以前那種單調(diào)、簡(jiǎn)單的聲、光、波驅(qū)鳥方式，能有效驅(qū)鳥。

監(jiān)控中心對(duì)驅(qū)鳥器工作狀態(tài)的監(jiān)控。桿塔上各個(gè)驅(qū)鳥器能通過高靈敏度的溫濕度傳感器、ZigBee 與GPRS 網(wǎng)絡(luò)把各自的工作狀態(tài)參數(shù)傳送到監(jiān)控中心，使監(jiān)控中心能夠及時(shí)、方便地掌握驅(qū)鳥器的工作狀況。從而改變了以前那種管理中心對(duì)各個(gè)桿塔驅(qū)鳥情況完全不知情的盲目狀態(tài)。

本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)鳥系統(tǒng)不僅能及時(shí)、準(zhǔn)確地探測(cè)出當(dāng)前是否有鳥侵入，而且在探測(cè)出有鳥侵入時(shí)能以多種方式高效驅(qū)鳥。而在沒有鳥時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將處于低功耗的休眠狀態(tài)，能夠節(jié)能降耗，延長(zhǎng)太陽能電池板的使用時(shí)間；同時(shí)，將每個(gè)ARM 驅(qū)鳥器的工作狀態(tài)通過ZigBee 與GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可以監(jiān)控驅(qū)鳥器的工作狀態(tài)，讓工作人員熟知每個(gè)桿塔每天、每月乃至每年鳥侵入的次數(shù)，同時(shí)也能知道各個(gè)驅(qū)鳥裝置是否還在正常工作。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 驅(qū)鳥器的設(shè)計(jì)

驅(qū)鳥器由ARM 核心控制器、探鳥單元、驅(qū)鳥單元、供電單元、外圍電路、檢測(cè)電路和ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)組成。驅(qū)鳥器的探鳥單元完成桿塔附近是否有鳥侵入的檢測(cè)，由微波移動(dòng)物體探測(cè)器實(shí)現(xiàn)。驅(qū)鳥器的驅(qū)鳥單元完成對(duì)桿塔附近鳥的驅(qū)趕，由語音驅(qū)鳥、LED 驅(qū)鳥、超聲波驅(qū)鳥3 個(gè)驅(qū)鳥功能組成。

本文采用了簇-鏈型樹狀ZigBee 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)[3]。簇-鏈型樹狀ZigBee 網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)完成驅(qū)鳥起到的作用有：①允許驅(qū)鳥通信網(wǎng)絡(luò)的多跳，保證驅(qū)鳥終端與ZigBee路由節(jié)點(diǎn)雙向通信的高可靠性；②使網(wǎng)絡(luò)好組織、好管理，避免了一般常用模式下網(wǎng)絡(luò)中斷、數(shù)據(jù)丟失與延時(shí)情況，依據(jù)掃描情況，選擇適合驅(qū)鳥系統(tǒng)的參數(shù)建立必要的網(wǎng)絡(luò)。

整個(gè)系統(tǒng)由驅(qū)鳥終端上的ZigBee 收發(fā)模塊、負(fù)責(zé)信號(hào)中繼的ZigBee 路由節(jié)點(diǎn)、ZigBee 協(xié)調(diào)器和GPRS模塊實(shí)現(xiàn)近距離與遠(yuǎn)距離無線傳輸，構(gòu)建起全網(wǎng)通信。

通過ZigBee 與GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成雙向無線網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控中心能實(shí)時(shí)接收到以下信息：①驅(qū)鳥終端所處環(huán)境的溫濕度、光照等環(huán)境參數(shù)；②驅(qū)鳥終端工作時(shí)各驅(qū)鳥動(dòng)作模塊的電壓電流等狀態(tài)參數(shù)；③驅(qū)鳥終端采集到的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫里沒有的鳥情（例如鳥的圖像、數(shù)量）。

根據(jù)環(huán)境參數(shù)和對(duì)應(yīng)驅(qū)鳥終端設(shè)備狀態(tài)參數(shù)來實(shí)施相應(yīng)的控制，比如驅(qū)鳥終端設(shè)備的開關(guān)，光強(qiáng)度頻率控制、聲音等。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括驅(qū)鳥器終端硬件設(shè)計(jì)、ZigBee 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)、GPRS 硬件設(shè)計(jì)。在驅(qū)鳥終端硬件設(shè)計(jì)中用到了S3C2440，ZigBee 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)包括驅(qū)鳥終端上的ZigBee 收發(fā)模塊、路由器ZigBee 節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器ZigBee 節(jié)點(diǎn)。

3 驅(qū)鳥器的硬件實(shí)現(xiàn)

電力系統(tǒng)的驅(qū)鳥器均安裝在桿塔的橫擔(dān)上，由于輸電線路均為高壓，沒有低壓的工頻交流電可供轉(zhuǎn)換使用，本文采用12 V 太陽能電池板加9 V 蓄電池組成的供電單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)鳥器的供電。

本文驅(qū)鳥系統(tǒng)涉及到多種傳感器數(shù)據(jù)，要想得到比較高的數(shù)據(jù)精確度，就可以利用多傳感器信息融合，這樣綜合處理得到的傳感模塊信息比每個(gè)單一傳感器得到的信息更多。一般可以理解為對(duì)來自多個(gè)傳感器的原始信息加以智能化綜合，從而導(dǎo)出新的有意義的信息，這種信息的價(jià)值比單一傳感器所獲得的信息要高得多，它有利于判決和決策。驅(qū)鳥終端的探鳥電路設(shè)計(jì)要完成的任務(wù)是探測(cè)桿塔驅(qū)鳥器周圍是否有鳥侵入，探鳥單元由微波移動(dòng)物體探測(cè)器與設(shè)計(jì)的放大電路組成。

在鳥入桿塔驅(qū)鳥器時(shí)，在接近探測(cè)器中，通常有一個(gè)高頻率的LC 震蕩電路，震蕩電路的LC 回路通過導(dǎo)線連通到外部的金屬部件上。當(dāng)人體靠近時(shí)，通過空間的電磁耦合，會(huì)改變LC 回路的諧振頻率，引起震蕩頻率改變，探測(cè)器的檢測(cè)電路能夠識(shí)別這種頻率的改變而發(fā)出警示信號(hào)。

驅(qū)鳥終端在常規(guī)驅(qū)鳥動(dòng)作驅(qū)趕不走鳥時(shí)就會(huì)進(jìn)入根據(jù)特殊鳥情驅(qū)鳥模式，此模式的實(shí)現(xiàn)有賴于SD 卡存儲(chǔ)的各種鳥類天敵的聲音。

驅(qū)鳥終端進(jìn)入特殊驅(qū)鳥模式時(shí)，通過以下3 種方式驅(qū)鳥：錄放鳥類天敵的聲音進(jìn)行驅(qū)鳥、發(fā)出一定強(qiáng)度的閃爍的白光刺激鳥類、超聲波驅(qū)鳥。3 種方式相互結(jié)合能有效地解決鳥類對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性問題從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)鳥。

考慮到相關(guān)鳥類對(duì)光有一定的適應(yīng)性，本文所設(shè)計(jì)的LED 頻閃模塊可以打破鳥類的這種光適應(yīng)性，利用頻閃的光驅(qū)趕它們。LED 發(fā)光二極管與二極管的特性幾乎相同，LED 的伏安特性曲線類似指數(shù)函數(shù)曲線，在其導(dǎo)通后，正向?qū)妷旱奈⑿∽儎?dòng)就能引起電流的很大波動(dòng)。如果LED 的電流失控增加，長(zhǎng)期在此狀態(tài)下工作，會(huì)使LED 的可靠性降低、壽命大大的縮短，最終會(huì)造成LED 的損壞。因此，為了保證LED 工作在最合適的狀態(tài)下，需要對(duì)LED 進(jìn)行恒流的驅(qū)動(dòng)，并在不同的電壓和壞境干擾下控制輸出電流恒定[4]。

驅(qū)鳥終端的溫濕度模塊負(fù)責(zé)完成驅(qū)鳥終端對(duì)桿塔環(huán)境中溫度和濕度的檢測(cè)。溫濕傳感模塊的組成部分為核心CMOS 芯片、測(cè)濕元件、測(cè)溫元件，與14 位的A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。

4 驅(qū)鳥系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)

驅(qū)鳥系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)由ZigBee 與GPRS 網(wǎng)絡(luò)組成，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)完成驅(qū)鳥器與ZigBee 協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸，GPRS 網(wǎng)絡(luò)完成ZigBee 協(xié)調(diào)器與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸。組成驅(qū)鳥系統(tǒng)的主要通信有2 種：驅(qū)鳥終端與路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)三者間的ZigBee 專網(wǎng)數(shù)傳方式，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心的GPRS 通信方式。ZigBee 技術(shù)是短距離、適用性強(qiáng)的一種近距離通信技術(shù)，GPRS技術(shù)非常適用于間斷的、頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)短距離的無線通信，GPRS 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線通信。無線數(shù)傳技術(shù)的合理使用能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立通信方式的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，而且也能實(shí)現(xiàn)短處相互規(guī)避，最終實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)的靈活性與擴(kuò)展性增強(qiáng)、安全機(jī)制更加可靠與穩(wěn)定。

整個(gè)驅(qū)鳥系統(tǒng)主要由驅(qū)鳥器的ZigBee 路由器節(jié)點(diǎn)、ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控中心和GPRS 通信節(jié)點(diǎn)完成相互通信。4 個(gè)部分的通信構(gòu)建分析如下。

驅(qū)鳥器的ZigBee 路由器節(jié)點(diǎn)：主要作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械闹修D(zhuǎn)部分，是終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信的紐帶。

ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)：主要負(fù)責(zé)整理各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并在協(xié)調(diào)器模塊上將信號(hào)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心通信，同時(shí)監(jiān)控中心也可以通過GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。

監(jiān)控中心：根據(jù)ZigBee 節(jié)點(diǎn)采集發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件上可以實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示出相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行分析，并保存下來為后續(xù)定期的統(tǒng)計(jì)規(guī)律積累數(shù)據(jù)。驅(qū)鳥終端要完成數(shù)據(jù)采集鳥情和環(huán)境參數(shù)，實(shí)時(shí)發(fā)送至監(jiān)控中心。驅(qū)鳥終端對(duì)可以驅(qū)趕的鳥情自動(dòng)采取相應(yīng)驅(qū)鳥動(dòng)作。遇到無法驅(qū)趕的鳥情，驅(qū)鳥終端經(jīng)過ZigBee節(jié)點(diǎn)把所采集到的數(shù)據(jù)傳送到路由節(jié)點(diǎn)。

GPRS 通信節(jié)點(diǎn)：整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee 近距離傳輸網(wǎng)絡(luò)和GPRS 遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)2 層網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)結(jié)構(gòu)由驅(qū)鳥終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控中心以及GPRS 網(wǎng)關(guān)等部分組成。遠(yuǎn)端由GPRS 遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，近端由簇-鏈型樹狀ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的路由、轉(zhuǎn)發(fā)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信與交換又協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)兩者的連接。監(jiān)控中心的控制命令通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)再通過路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)來完成監(jiān)控中心對(duì)去驅(qū)鳥終端節(jié)點(diǎn)的控制。同時(shí)路由節(jié)點(diǎn)也會(huì)把終端節(jié)點(diǎn)采集到的驅(qū)鳥終端設(shè)備的工作狀態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與GPRS 網(wǎng)關(guān)的通信發(fā)送至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)鳥終端設(shè)備的遠(yuǎn)距離控制和狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

5 通信的硬件實(shí)現(xiàn)

通信網(wǎng)絡(luò)中ZigBee 節(jié)點(diǎn)指ZigBee 路由器節(jié)點(diǎn)和ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際工作環(huán)境、成本、數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，在無線射頻通信模塊中選擇了CC2530芯片作為ZigBee 片上系統(tǒng)解決方案。CC2530 的內(nèi)核為單周期8051 兼容內(nèi)核，還集成了RF 收發(fā)器、32/64/128KB SRAM 等高性能模塊，它支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee 協(xié)議，并內(nèi)置了ZigBee 協(xié)議棧，加上引人稱贊的超低功耗，使得它可以用很低的費(fèi)用構(gòu)成ZigBee 節(jié)點(diǎn)[5]。

CC2530 芯片的幾個(gè)電源引腳都需要供電，驅(qū)鳥器供電單元提供的3.3 V 的電源需經(jīng)過LC 濾波電路消除直流電路中的交流干擾信號(hào)。LC 濾波電路中，電感將大多數(shù)交流部分轉(zhuǎn)換成磁能和熱能，電容則將剩余的交流部分旁路到地，兩者共同抑制交流干擾，得到較純凈的直流電源。直流電源會(huì)經(jīng)過各級(jí)電容濾波，同時(shí)也按照不同的上電順序給CC2530 供電，減少因上電順序問題而導(dǎo)致的器件損壞。由于作為協(xié)調(diào)器和路由器長(zhǎng)期都處在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，需要電源設(shè)備進(jìn)行供電。電源方案采用的是DC/DC 芯片TPS79533 方案，是主流市場(chǎng)上常用的電源穩(wěn)壓芯片，系統(tǒng)輸入電壓為5 V，通過TPS79533 可以輸出3.3 V，用于CC2530 正常工作時(shí)的電壓供應(yīng)。

6 結(jié)束語

“互聯(lián)網(wǎng)+”的理念已經(jīng)被很多人所接受，物聯(lián)網(wǎng)在中國(guó)有了廣泛應(yīng)用。在百年未有之大變局下，能源安全至關(guān)重要，電力事業(yè)的發(fā)展顯得更加重要。物聯(lián)網(wǎng)在電力驅(qū)鳥方面的應(yīng)用，能更好地保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能驅(qū)鳥系統(tǒng)在電力領(lǐng)域的意義重大，未來會(huì)有很大的發(fā)展空間，本文提出的一套比較完整可行的驅(qū)鳥系統(tǒng)解決方案，能夠有效實(shí)現(xiàn)驅(qū)鳥系統(tǒng)的無線控制功能。