基于ARM、ZigBee技術的機場智能化驅鳥系統設計

趙超，陳壽元，邵增珍

（山東師范大學 信息科學與工程學院，山東 濟南 250014）

基于ARM、ZigBee技術的機場智能化驅鳥系統設計

趙超，陳壽元，邵增珍

（山東師范大學 信息科學與工程學院，山東 濟南 250014）

介紹了一種基于ARM、ZigBee技術的機場智能化防鳥撞驅鳥系統。該系統采用無線監測網絡結合上位機監控管理中心框架，采用低功耗控制芯片STM32F103RBT、Maxstream公司的XBee模塊、短波數傳電臺TDX-868A，融合無線傳感器網絡、GPS技術、電子羅盤和ARM等工控領域的技術，采用星型網絡的拓撲結構，實現了對機場區域的鳥情監測，利用數據挖掘技術，對鳥情信息進行數據分析，預報鳥情，從根本上防止鳥撞事故的發生。

ARM；ZigBee網絡；GPS；數據挖掘

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

目前國內外采用的是一系列簡單直接的驅鳥方法，目前比較流行的驅鳥方法有煤氣炮、錄音驅鳥、驅鳥車、超聲波驅鳥器、獵殺等[3]。煤氣炮使用起來不方便且不環保如Claws驅鳥器主要由煤氣炮和兩個擴音喇叭組成，煤氣炮通過點燃煤氣瞬間發出爆鳴聲[4]?，F在該類產品逐漸被市場所淘汰。超聲波驅鳥器由于覆蓋范圍的限制，起效慢，一般用在電力系統中，使用在機場效果不好。錄音驅鳥，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生習慣化，對此置若罔聞[5]。國內機場現有的裝備中的軌道式無人駕駛遙控驅鳥車裝備有驅鳥炮和大功率喇叭等驅鳥設備，通過無線遙控使驅鳥車在軌道上來回巡邏[6]，但是無線遙控驅鳥車對鳥情的處理受到軌道的限制，鳥類很容易適應。獵殺的方式雖然有效但是破壞了生態平衡，國內現有的驅鳥手段存在一定弊端，國外的聲音驅鳥器成本過高，易損耗，而且往往存在著水土不服的缺點[7]。

本系統基于ZigBee和短波的無線傳感器網絡，實現了對機場區域鳥情信息的實時采集，解決了鳥情報警不及時和機場鳥情信息管理不規范的問題，同時通過無線網絡和上位機監管平臺結合數據挖掘技術，對鳥情報警信息進行管理分析，根據實時鳥情信息設定驅鳥方式從而聯動驅鳥設備。驅鳥設備采用智能機器人和智能驅鳥炮，解決了鳥類對驅鳥設備的耐受性問題。利用無線傳感器網絡（WSN）的優勢，初步解決了傳統驅鳥的時效性差，管理不便、成本高、人員需求多等問題。有效驅趕鳥類，保護了生態平衡的同時有效降低了鳥撞事故的發生。

1 機場智能化驅鳥系統設計方案

機場智能化驅鳥系統結構介紹：基于對機場現場的驅鳥情況的考察，提出了以Cortex-M3內核的Stm32為核心的機場鳥情信息采集系統，利用電子羅盤和GPS技術采集現場鳥情，借助無線網絡傳輸鳥情信息、控制信息。組合控制聲音驅鳥、機器人驅鳥、煤氣炮驅鳥等多種驅鳥方式達到良好的驅鳥效果。與傳統驅鳥設備相比，鳥情的信息采集智能化，電子羅盤和GPS技術可以采集鳥情報警的方向、速度、地理位置，將鳥情信息數據存入數據庫，利用數據挖掘技術對鳥情信息進行分析，對鳥情進行預報，在未出現鳥情的情況下提前做好準備工作，杜絕鳥撞事故的發生。傳統的鳥情采集都是通過操作人員手寫記錄，這種方法既不規范又沒有時效性。

機場智能化驅鳥系統框圖如圖1所示，機場驅鳥人員當發現危險情況時，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和短波無線網絡傳輸到上位機管理平臺。上位機軟件對鳥情信息進行分析處理后，可以針對不同的鳥類和不同的鳥情，選擇不同的驅鳥方式，如機器人驅鳥、音頻驅鳥、煤氣炮驅鳥等，也可以選擇組合方式，將多種驅鳥方式組合起來使用，達到最佳的驅鳥效果。該系統的驅鳥設備在傳統驅鳥設備的基礎上做了一定的改進。傳統的驅鳥設備單一化，每個飛行日的聯動驅鳥設備相同，該系統中引用了多種驅鳥設備，確保了驅鳥設備的多樣化，同時傳統的驅鳥設備的動作模式都是事先固定好的嵌入到驅鳥設備中，音頻驅鳥器中的聲音都是固定的。該系統中的聯動驅鳥設備可以根據不同的鳥情信息實時改變驅鳥方式，根據需要組合驅鳥設備，根據機場位置、季節、鳥類的不同設定驅鳥的聲音。

圖1 機場智能化驅鳥系統框圖Fig.1 Airport intelligent bird system block diagram

2 機場防鳥撞系統的模塊功能設計分析

2.1 ZigBee網絡

ZigBee技術是一種基于IEEE802.15.4協議標準[8]的新興短距離、低功耗無線通信技術。它已經成為無線通信網絡的一個研究熱點，ZigBee技術主要特點包括低數據速率、低功耗、短時延、高容量、低成本等。

在WSN網絡中所有ZigBee網絡節點設備[10]分為以下3種類型：網絡協調器節點（Coordinator）、路由節點（Router）和終端節點（End Device）。這3種節點類型都是網絡層概念．他們的部署決定了網絡拓撲形式。不論ZigBee網絡采用何種拓撲方式．網絡中都需要有一個并且只能有一個網絡協調器節點。它是整個網絡的規則制定者，管理整個網絡的設備。它可以選擇信道的頻段，允許加入節點和刪除節點。路由節點可以轉發數據，延伸ZigBee網絡規模。主要用于樹型和網型拓撲結構中。路由節點不能夠休眠。終端節點主要任務是發送和接收信息。節點類型的定義和節點在應用中所起到的作用并不相關。

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位標準RISC嵌入式微處理器，該類處理器工作頻率為72 MHz，內置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，內嵌串行單線 JTAG調試接口，內嵌跟蹤模塊（ETM），可以提供芯片運行時清晰的指令運行與數據流動的信息，擁有睡眠，停機，待機模式 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警信息的地理位置和方位，SD卡中根據不同地理位置和氣候的不同存儲了相應機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界面進行鳥情信息的采集和預警。該信息采集終端同時能夠點對點控制聯動驅鳥設備，在緊急情況下組合聯動驅鳥設備驅趕緊急情況下的飛鳥，同時將出現的鳥情上報到上位機軟件平臺。鳥情信息采集終端的結構組成如圖2所示。

圖2 信息采集終端結構組成Fig.2 Information collection terminal structure comosed

2.3 中繼節點站

中繼節點站的結構如圖3所示，中繼節點站上的ZigBee通信模塊負責和聯動驅鳥設備、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，下發控制聯動驅鳥設備的命令信息。MCU負責ZigBee網絡和短波無線網絡數據的解析、處理和轉發。短波電臺通信模塊負責和主站平臺進行通信。該種組網方式大大降低了數據傳輸的誤碼率，提高了通信質量和效率。

中繼節點站負責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軟件平臺，中繼節點站起到了信息上傳下達的作用，這就要求具有良好的數據處理能力，中繼節點站選用的微控制器是STC系列的STC12LE5A60S2微控制器。STC12C5A60S2單片機中包含中央處理器（CPU）、程序存儲器（Flash）、數據存儲器（SRAM）、定時/計數器、UART 串口、串口2、I/O接口、高速 A/D轉換、SPI接口、PCA、看門狗及片內R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊[9]。STC12C5A60S2系列單片機幾乎包含了數據采集和控制中所需的所有單元模塊。

圖3 中繼站結構圖Fig.3 Diagram of the relay station

每個中繼節點和信息采集終端的ZigBee網絡以星形網絡的方式組網。短波數傳電臺模塊選用的是TDX-868A數傳電臺，該型號電臺的抗干擾性強，發射和接收靈敏度高，支持點對點、點對多點的無線數據通信，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，最大的數據傳輸速率可以達到38 400 bps。

2.4 智能聯動驅鳥設備

智能聯動設備包括聲驅炮、煤氣炮、激光驅鳥器、機器人等，在此詳細介紹其中一種新型的智能機器人，智能機器人能夠接收上位機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。調整方向轉向鳥情報警的方向進行組合驅鳥方式智能有效驅鳥。聯動設備既要接收信息采集終端的命令信息，又要接收上位機監管平臺的動作命令，所以選用的處理器是STC系列的STC12LE5A60S2微控制器，確保了工作穩定性和準確性。

該智能設備配置了ZigBee模塊通信、數據存儲、電動機、電磁炮、錄放音模塊。電動機用于轉動調整機器人的動作方向和機器人手臂的擺動。電磁炮采用的是電容充電快速放電原理激發炸頭動作，瞬間發出高達180分貝的爆鳴聲。錄放音模塊選用的是工業型模塊，能夠實時更新聲音，應對鳥類的耐受性，根據不同的機場和季節調整聲音進行驅鳥。所有的模塊可以同時啟動，也可以根據上位機對鳥情分析后做出的命令信息組合不同的模式做出驅鳥動作。

3 軟件設計

3.1 ZigBee設備的程序設計

終端節點和中繼節點都是由MCU、XBee組成的。首先是對XBee的設置和調試試驗，X—CTU是Digi西無線通訊產品測試軟件和設置工具。它的功能包括：工作頻段、網絡ID號、某設備在網絡中唯一的標識等參數的設定，以及信道通路的基本測試。

其次，在ZigBee設備中的主控芯片是軟件編程的重點，同時也是對ZigBee協議棧的實現。針對STM32和STC12系列單片機的開發工作。應用最廣泛的開發環境是KEIL集成開發平臺。系統將ZigBee協議棧采用模塊化程序設計方式。軟件模塊分為數據采集、數據發送和數據接收模塊、XBee連接UART等模塊。收發模塊是其核心。

系統軟件組成

3.2 信息采集終端軟件

信息采集終端開機后進行初始化，初始化包含液晶初始化、Zigbee初始化、按鍵初始化3個部分，初始化正常后進入While循環等待報警中斷的出現，當操作人員發現環境現場異常，出現鳥情信息時，需要啟動聯動設備或者將鳥情信息數據上傳時，根據鳥情信息的類別按下信息采集終端相應按鍵，當相應按鍵按下觸發中斷后，根據不同的中斷執行不同的程序，啟用相應傳感器采集現場鳥情信息，上傳給上位機監管平臺。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 中繼節點站軟件

中繼站節點開機上電后，進行電臺初始化、ZigBee初始化、數碼管初始化，初始化完成后將基站的基本信息和通訊信息在數碼管上循環顯示，如果設備出現異常在數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，當信息采集終端鳥情信息傳輸到中繼站節點觸發串口中斷，中繼站MCU通過解析收到的數據，根據數據類型從短波數傳電臺發出。當主站平臺的命令信息傳輸到中繼節點站觸發串口中斷后，中繼站MCU解析接收的數據信息，根據數據類型從ZigBee模塊發送到ZigBee網絡。中繼節點站核心原理圖如圖5所示。

3.4 智能聯動驅鳥設備軟件

聯動智能設備開機上電初始化后，檢測驅鳥設備的各個驅鳥模塊是否正常工作，如果不正常工作發送故障信號給主站平臺進行匯報，如果驅鳥設備檢測正常則進入While循環，檢測是否有串口中斷，當監測到串口中斷后，對串口中斷接收的數據進行解析，根據不同的數據類型和命令類型組合驅鳥模塊做出相應的驅鳥動作。

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

4 結束語

本文針對當前機場的驅鳥手段效果差、方式落后，不方便管理等問題，研究了基于ZigBee技術的星形無線傳感器網絡和ARM等工控領域的技術在機場區域鳥情預警和防鳥撞中的應用，該系統已經在多個機場正常穩定運行，并取得良好的效果。在接下來的研究中將與高新技術如雷達的結合，使機場及周邊地區的鳥情觀測更科學精確，隨著Internet技術的發展，機場鳥撞信息系統，必然會由各個相對孤立的機場轉向相互緊密的聯系，可做到數據、信息、經驗的共享，將實現自動化采集鳥情和驅鳥，實現驅鳥的智能化，從根本上解決鳥撞事故的發生，同時保持生態的平衡不被破壞。

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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：無線傳感器網絡。