無線遠程控制智能驅鳥系統研究

王曉坤，魏思東，王宏峰，劉曉峰

（空軍航空大學，長春　130022）

無線遠程控制智能驅鳥系統研究

王曉坤，魏思東，王宏峰，劉曉峰

（空軍航空大學，長春130022）

分析了當前軍用機場鳥害防治的現狀，設計了基于STM32F407A和nRF2401的驅鳥車和驅鳥器“一對多”無線遠程控制智能系統，闡述了系統的整體設計和硬件設計方案。該系統可靠性好、易于擴展和更新、升級，能實現機場空域三維空間內有效驅鳥。

nRF24L01；STM32F407A；無線通信

目前，國際航空聯合會已把鳥害升級為“A”類航空災難。“鳥害”是飛機必須面對并始終與其相伴隨的國際性難題，給人類航空釀成了巨大的人員傷亡和經濟損失。空軍與民航在飛機速度、航跡等方面有很大區別，軍用飛機飛行速度大、飛行航跡復雜多變，因此，撞鳥概率比民航飛機高。再加上軍用機場的地域位置特殊，軍用機場周邊鳥類活動頻繁，鳥撞軍用飛機的事故發生頻率較高。據不完全統計，近10年來，我軍有近百臺飛機發動機因鳥撞受損。尤其是近年來新研制的高性能戰機陸續裝備空軍，新型飛機發動機推力大，飛行速度快，一旦撞鳥就有可能造成生命和財產的巨大損失［1］。

1　軍用機場鳥害及其當前防治現狀

鳥類在長期的進化過程中產生對環境條件的高度適應性。由于鳥腦高度發達，鳥類擁有較高的智商，鳥類對單一刺激或恐嚇會很快適應，現在大部分機場采用聲波“嚇唬”類驅鳥方式。如車載煤氣炮、強聲驅鳥車、太陽能聲驅系統、驅鳥鈦鐳彈、恐怖風箏等，對鳥類的一種聲音刺激或視覺恐嚇最初應用時都很有效，但由于對鳥類沒有實質性的危害，長期使用，鳥類對驅鳥裝置的聲音或形態很快適應，從而使驅鳥效果大大降低。單一的驅趕方式很難達到理想、持久的驅鳥效果，鳥類會很快習慣。因此，當前還沒有一種驅鳥方式能夠長期有效的驅鳥。

部分發達國家機場已經裝備雷達用于實時監控鳥情，使機場鳥害防治步入了高效預警的信息化防治階段。20世紀60年代到70年代，歐洲利用鳥類雷達探測技術開發了BIRDTAM系統，該系統能夠提供近似實時的鳥情觀測，發布鳥撞預警。1998年秋，Geo-Marine公司鳥類研究實驗室在美國空戰指揮總部的資助下，開發了鳥類危險咨詢系統，該系統采用改進型氣象雷達提供的數據，運用神經網絡和數字圖像處理等模式識別的算法，將生物學目標同其他目標從雷達數據中準確地區別開來，并能將雷達數據轉變為實時的鳥情信息，該系統用于預報和監控美國48個州的鳥類活動。2004年前后，Clemson大學雷達鳥類實驗室開發了移動式雷達鳥類探測系統。這些系統和技術的應用體現了鳥撞防治的信息化發展趨勢［2］。

相比之下，我軍驅鳥裝備基于信息的自動響應能力還沒有形成，對飛行過程中鳥害防治措施的實施會相對滯后于鳥情；目前，大多數機場仍采用驅鳥人員機場場區內“觀察—驅趕”或“接收指令—確認—驅趕”等粗放、簡單的驅鳥方式，缺少對鳥類活動規律的科學分析，沒有根據鳥情信息、飛行訓練任務等因素對驅鳥裝備及驅鳥人員進行合理布控，驅鳥人員對當日機場場區內的飛鳥的種類、數量、飛行時間、飛行區域等相關數據不能進行有效的收集和整理，更不能對驅鳥數據進行科學準確的分析和預測。近年來，煤氣炮、鈦鐳炮、驅鳥航模、驅鳥機械鷹、超聲波驅鳥儀等驅鳥裝備相繼配發到機場場站，驅鳥裝備不斷更新［3］。但這些裝備由上級批次配發，裝備來源渠道不同，操作使用方法、工作原理、技術參數等不盡相同，驅鳥人員學習掌握使用困難，各裝備單獨使用整體驅鳥效能較低。且驅鳥新裝備較為追求與已有裝備的差異性，以突出自身新功能，設計和使用上較少考慮與已有裝備的配套方案以及鳥撞防治的區域性和針對性等因素，導致一些新配發的鳥撞防治裝備較早地失去了其預期效用。如某部研發的軌道式驅鳥車，由于其行進受限于鋪設的軌道以及車體負載有固定性要求，裝備功能固化，不能進行其他功能擴展和替換升級，使其驅鳥效能發揮受到極大制約。

2　無線遠程控制智能驅鳥系統研究［4］

2.1無線遠程控制智能驅鳥系統的生物機理分析

動物學家研究發現，鳥類具有適應性［5］：在使用各種對鳥類不同感官進行刺激的干擾技術時，往往在使用初期表現出對鳥類的明顯驅除效果，對于新的刺激，大多數鳥類傾向于躲避和逃離，而不去確定這種威脅是否真實。即鳥類最初會因受到某種驅鳥方法的驚嚇而逃離，當它們發現沒有真正的危險發生時，就會逐漸習慣該驅鳥景象或聲音，產生適應性而不再躲避。因此鳥類會對長時間使用的固定的驅鳥方法產生適應性。例如驚鳥群在躲避仿真鷹的模型約幾個小時后便能意識到這種模型對自身不會產生傷害。證據表明，鳥能快速適應機場及附近環境，雖然跑道上有大的噪聲和航空器活動，但仍可觀察到鳥在繁忙的跑道上覓食和飛行而不將航空器視為一種威脅。

由于任何無傷害的驅鳥裝備都會使鳥類產生適應性，所以應盡可能綜合使用視覺威懾裝備、聲響驚嚇裝備和捕捉獵殺裝備，使各種裝備在驅鳥空間、驅鳥時間、驅鳥方式等方面互為補充，盡可能在機場形成“動靜結合、空地結合”的全方位、立體式、互補高效的驅鳥體系，最大程度減少機場鳥類的適應性。

2.2無線遠程控制智能驅鳥系統的總體設計

基于以上分析，無線遠程控制智能驅鳥系統將以保護鳥類為出發點，同時克服現有驅鳥系統單一、死板、滯后的特點，將視、聽、觸、嗅多種驅鳥方式進行有效集成，構建“平面攔截、縱向立體、橫向梯次”的驅鳥模式，理念上屬于積極主動式的驅鳥方法［6］。

考慮到軍用機場區域的特殊性（多處區域禁止人員活動），不便于根據鳥情在現場人為控制驅鳥設備，同時考慮到采用太陽能供電的驅鳥設備易于控制且放置時不受線纜約束，本文采用無線遠程控制方式。該系統采用無線遠程控制技術將所有驅鳥裝備聯接成一個完整統一的操控網絡，通過驅鳥車——驅鳥器終端的一體化控制和科學編組技術，實現對驅鳥方式、時間、空間的隨機編組配合使用，最大限度發揮系統的綜合使用效能，提高驅鳥工作效率［7］。無線遠程控制智能驅鳥系統的設計體系如圖1所示。

圖1　無線遠程控制智能驅鳥系統的設計體系圖

無線網絡的構建是無線遠程控制智能驅鳥系統設計首要問題，要選擇成本低、功率小、傳輸距離遠、傳播頻率不給機場信號造成干擾的通信方式。本系統采用基于2.4GHz無線收發芯片nRF24L01構建的驅鳥器控制車——驅鳥器終端“一對多”模式無線網絡結構。2.4G無線網絡頻段屬于ISM頻段，是全球范圍內被廣泛使用的超低輻射綠色環保頻段，并且是為機場授權使用的頻段。驅鳥車與驅鳥器終端采用統一模塊化設計，可以通過設置將驅鳥車設置在主工作模式，驅鳥器終端工作于從工作模式。工作于主模式的驅鳥車不僅可以根據鳥情實時變換驅鳥方式，還可以根據鳥情通過無線通信網絡向驅鳥器終端發送控制指令，控制其變換驅鳥方式和驅鳥工作時間，工作于從模式的驅鳥器終端接收命令并控制相應驅鳥單元工作。無線遠程控制智能驅鳥系統結構原理框圖如圖2所示。

圖2　無線遠程控制智能驅鳥系統原理框圖

2.3無線遠程控制智能驅鳥系統的硬件設計及實現

無線遠程控制智能驅鳥系統硬件部分采用模塊化設計［8］。硬件部分主要包括中央控制處理模塊、SD卡存儲模塊、TFT液晶顯示模塊、2.4GHZ無線通信模塊、電源模塊、驅鳥器機械結構控制模塊、驅鳥器聲音輸出控制及接口模塊、按鍵控制模塊、上位機控制接口模塊。

圖3　驅鳥（車）器控制系統硬件結構圖

中央控制處理模塊采用STM32F407A芯片，由STM32F407A編程可實現與其他模塊中數據的采集、存儲、顯示、通信等功能。中央控制處理模塊通過與上位機的接口模塊（采用DP83848芯片）接收上位機下傳的驅鳥音頻文件以及驅鳥控制指令。STM32F407A將接收的驅鳥音頻文件數據以SPI模式存儲到SD卡中［9］。聲音驅鳥單元使用集成數字功放的音頻解碼芯片WM8978，該芯片能夠對音頻文件進行解碼并驅動驅鳥揚聲器。驅鳥系統的相關信息（包括驅鳥音頻文件信息、驅鳥工作方式信息等）通過彩色的TFTLCD液晶屏實時顯示給驅鳥工作人員。驅鳥系統的工作狀態（主模式或從模式）可由驅鳥工作人員通過按鍵進行設置，LED能夠同步顯示按鍵設置的結果，方便驅鳥工作人員現場操作。驅鳥器（車）硬件結構圖如圖3所示。

2.3.1中央控制處理模塊

中央控制處理模塊采用STM32F407A處理器。STM32系列單片機是ST公司推出的32位產品，ARM Cortex-M內核，具有高性能、低成本和低功耗的特點。最高工作頻率為168MHz；片內具有1024KB可編程FLASH；（192+4）KB片內SRAM數據存儲器；集成了單周期DSP指令和FPU，具有較強的計算和控制能力。

STM32F407A帶有FSMC接口，利用該接口和TFTLCD模塊連接，能夠將驅鳥工作狀態信息實時顯示于TFTLCD上。通過STM32F407A的I2S與音頻解碼芯片WM8978通信，能夠實現音頻數據流的傳輸。用于驅鳥器機械結構控制的繼電器組、用于表示系統工作模式的LED顯示燈、用于設定驅鳥設備工作模式的按鍵、預留的USB通信接口、與無線通信模塊的接口等連接均如圖4所示。

2.3.2與上位機接口模塊

由于鳥情會隨季節和氣候變化，部隊飛行訓練任務也總有機動調整，因此驅鳥系統的設計不可能一步到位，尤其是軟件設計部分，需要不斷地進行修改和調整。而驅鳥車（器）的中央處理器采用的是單片機，當程序運行出錯或者要根據驅鳥任務的需求調整變換驅鳥程序時，就需要專業人員到設備現場在線將新程序燒制到單片機中，這就使得系統軟件程序維護和更新工作效率低下，甚至影響驅鳥系統效能的發揮。因此，本文采取利用上位機通過IAP模式在線更新下位機即驅鳥車（器）的中央處理器的模式，實現驅鳥車（器）的中央處理器程序的遠程更新，以提高系統工作效率。本文驅鳥車（器）的中央處理器STM32F407A為Flash型，是具有IAP編程模式的單片機，可以通過PC機發送更新數據。系統需要更新程序時，STM32F407A接收到更新標志信號后，馬上復位，之后進入更新狀態，開始接收更新數據并存儲，接收完畢后，新代碼覆蓋原代碼，從而實現程序的遠程更新。

圖4　中央控制模塊電路原理圖

圖5　DP83848接口電路原理圖

驅鳥車（器）預留與上位機接口電路圖如圖5所示。本文采用RMII，即精簡的介質無關接口方式以降低功耗。STM32支持兩種工業級標準的接口，來與外部物理層PHY模塊相連，分別是獨立于介質的接口MII和簡化的獨立于接口的RMII。由于MII需要信號線多（16根），功耗大，故本文采用精簡的介質無關接口方式（RMII）。

2.3.3聲音輸出控制及接口模塊

系統聲音驅鳥單元采用音頻解碼芯片WM8978，該芯片以DSP微處理器為內核，音頻處理質量較高，驅鳥效果較為理想。STM32F407A通過I2S音頻數據接口將音頻數據輸出給WM8978，I2S音頻協議有助于提高系統的集成度。WM8978芯片將音頻數據解碼后給揚聲器進行聲音驅鳥。聲音輸出控制接口電路圖如圖6所示。

2.3.4無線通信模塊［10，11］

系統無線通信模塊采用單片射頻收發芯片nRF2401，該芯片工作于ISM頻段（2.4～2.5GHz），芯片內置功率放大器、晶體振蕩器、頻率合成器以及調制器等功能模塊，能夠通過程序配置輸出功率與通信頻道。芯片能耗非常低，非常適用于多種無線通信的場合，應用范圍廣泛。

STM32F407A通過SPI（串行外設接口）總線與nRF24L01通信。如圖4所示，STM32F407A的PB5連接MOSI（主入從出）引腳，PB4連接MISO（主入從出）引腳，PB3連接SCLK時鐘信號，以SPI時序與nRF24L01模塊通信。PB14接收nRF24L01 的IRQ中斷信號，PD3連接nRF24L01的片選信號。nRF24L01與外部微控制器通信，最高可達10Mb/s。

圖6　聲音輸出控制接口電路圖

SD卡（SDIO_D1～SDIO_D3）和TFT液晶顯示模塊（FSMC_D0～FSMC_D15）、繼電器組（RELAY_IN1～RELAY_IN3）、按鍵（KEY1～KEY2）、LED顯示（LED1～LED2）引腳連接如圖4所示。

2.4實物調試

驅鳥車（器）硬件實物圖如圖7所示。每個基于STM32F407A和無線射頻收發芯片nRF24L01的驅鳥系統遠程節點采用組網式工作方式。實驗證明各驅鳥系統遠程節點間距離在200米以內均可實現網內連接和通訊。節點間數據速率選擇為1Mbps帶寬傳輸模式，為了增加各節點的通信距離，也可選擇250Kbps速率模式。實驗證明，在1Mbps帶寬傳輸模式下工作時，節點間通信誤碼率在200米內可實現0.1%。

圖7　驅鳥（車）器控制系統硬件實物圖

3　結論

隨著航空事業的迅猛發展，傳統的定時模式化驅鳥方式已經越來越不能滿足機場的需求了，驅鳥方式的多元化發展促使著傳統驅鳥觀念的革新。如何提高驅鳥系統的靈活性、有效性，提高驅鳥設備的易操控性已經成為整個航空業所面臨的重要課題之一。而無線通信技術的快速發展恰恰為驅鳥系統的改革提供了良好的基礎。新的驅鳥系統完全可以建立在無線通信技術的基礎上，以驅鳥車點到點精確控制驅鳥器，以實現全時段，在三維大空間內呈立體分布的高效率的驅鳥系統，不但可以快速有效的驅鳥，還克服了原有驅鳥系統單一、死板、滯后的缺點，而且可以提高驅鳥系統的經濟效益，以及提升驅鳥系統的自動化水平。

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Study of the Wireless Remote Control Bird Repellent System

WANG Xiaokun，WEI Sidong，WANG Hongfeng，LIU Xiaofeng
（Aviation University of Air Force，Changchun 130022）

This paper analyzes the current status of military airport bird control and designs an one-to-many intelligent wireless remote control bird repellent system based on STM32F407A and nRF2401.The overall design of the system and hardware designs have been done in this paper.The system meets the requirements by laboratory testing and field testing and can realize effective bird repellent within the three dimensional airport airspace.

nRF24L01；STM32F407A；wireless remote control

TP23

A

1672-9870（2015）06-0163-05

2015-09-15

吉教科合字2014第613號

王曉坤（1980-），女，博士，講師，E-mail：wxk_90046@163.com