機(jī)場智能驅(qū)鳥系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳裕通 劉玉芬 陳裕芹 劉立程

1(廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 廣州 510403) 2(中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院 天津 300300) 3(廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 廣東 廣州 510000)

0 引 言

鳥擊又稱鳥撞，即飛機(jī)與鳥兒碰撞后所造成的事故[1]。鳥擊的特點(diǎn)是多變性和突發(fā)性，其不僅影響航班的正常秩序，還給人類的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來隱患。輕微的鳥撞可導(dǎo)致飛機(jī)部件損壞而引起飛行事故，而嚴(yán)重的鳥撞則會造成機(jī)毀人亡[2]。由此可見，無論是從鳥擊對飛機(jī)造成的危害角度，還是從其發(fā)展趨勢來說，鳥擊事件都是不容忽視的，必須尋找有效的辦法遏制此類事件的發(fā)生，即如何做到“高效驅(qū)鳥”，將驅(qū)鳥現(xiàn)狀從“被動”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃印薄?/p>

針對這一問題，并在軍民融合的大背景下，本文提出了構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的驅(qū)鳥系統(tǒng)，并在其基礎(chǔ)上引入深度學(xué)習(xí)技術(shù)，賦予系統(tǒng)以“智慧”，解放機(jī)場場務(wù)人員。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

組建基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)場驅(qū)鳥聯(lián)動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的主要目的是為了給機(jī)場現(xiàn)有驅(qū)鳥設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)支持，是搭建可遠(yuǎn)程控制的機(jī)場驅(qū)鳥聯(lián)動系統(tǒng)平臺的硬件基礎(chǔ)，也是核心的部分。根據(jù)機(jī)場場務(wù)人員提出的需求，結(jié)合無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，主要包含了無線短波網(wǎng)絡(luò)與Zigbee網(wǎng)絡(luò)，二者混合組網(wǎng)并覆蓋整個(gè)機(jī)場區(qū)域，最后將煤氣炮、鈦雷炮、二踢腳、攔鳥網(wǎng)及語音驅(qū)鳥器加入到無線網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)成一個(gè)完整的鳥情信息查詢、聯(lián)動驅(qū)鳥及鳥類分布的智能系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

ZigBee為基于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的[3]通信技術(shù)，是當(dāng)前無線通信領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)，其特點(diǎn)是短時(shí)延、低功耗、低成本等，這些特點(diǎn)非常符合項(xiàng)目的要求，故選用了ZigBee作為第一層網(wǎng)絡(luò)的通信方式[4]。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wiresless Sensor Network)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備通常分為三種類型，即路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)。其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是唯一的，由它來組織該網(wǎng)絡(luò)的形成，而路由節(jié)點(diǎn)則作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，終端節(jié)點(diǎn)則一般用于信號的采集與處理[5]。

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械氖殖纸K端機(jī)需裝載ZigBee硬件模塊，這樣當(dāng)終端進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)并鑒權(quán)后可以和接入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的煤氣炮、攔鳥網(wǎng)、鈦雷炮、二踢腳以及語音驅(qū)鳥器等設(shè)備進(jìn)行通信，發(fā)送控制命令即可控制設(shè)備的啟動與關(guān)閉，幫助場務(wù)人員及時(shí)作出驅(qū)趕動作?；緞t通過無線通信網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)進(jìn)行通信，將命令信息接收、解析、處理后，經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到相關(guān)的驅(qū)鳥設(shè)備。此外，煤氣炮、攔鳥網(wǎng)、鈦雷炮、二踢腳以及語音驅(qū)鳥器等設(shè)備還能經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)交荆蠄?bào)自身的狀態(tài)信息。當(dāng)基站接收到信息后便對其進(jìn)行解析處理，然后再通過短波網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)上報(bào)的狀態(tài)信息，在線反饋場內(nèi)各設(shè)備的狀態(tài)，若有異常，則會作出警示，提醒場務(wù)人員及時(shí)維修設(shè)備。中繼作為信號傳輸?shù)闹虚g節(jié)點(diǎn)，它能避免信息的重復(fù)發(fā)送所造成的線路堵塞。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

為了使基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)場驅(qū)鳥聯(lián)動系統(tǒng)更加人性化，有必要?jiǎng)?chuàng)建可視化的機(jī)場鳥情監(jiān)控系統(tǒng)軟件。根據(jù)場站驅(qū)鳥人員的需求，并以觀測到的鳥情數(shù)據(jù)(含鳥類體形特征、圖片、生活習(xí)性、飛行高度、羽毛特征、危害等級等)作為數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源建立數(shù)據(jù)庫，并設(shè)計(jì)、開發(fā)該系統(tǒng)。考慮到項(xiàng)目后期還需開發(fā)便攜式的移動設(shè)備軟件，故開發(fā)工具采用了QT 5.7.0+ACCESS 2010的方案，以便開發(fā)出一個(gè)界面簡單、易用，移植性、擴(kuò)展性和維護(hù)性良好的機(jī)場驅(qū)鳥聯(lián)動系統(tǒng)上位機(jī)軟件。根據(jù)用戶提出的要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面如圖2所示，其代碼如下：

MainWindow::MainWindow(QWidget*parent):

QMainWindow(parent),

ui(new Ui::MainWindow)

{

……

//創(chuàng)建串口對象

set_connection=new set_serial(com);

set_connection->close();

//設(shè)置窗體模態(tài)

set_connection->setWindowModality(Qt::ApplicationModal);

//設(shè)置鳥情查詢對象

bird_search_pointer=new bird_search(this,db);

bird_search_pointer->close();

//設(shè)置設(shè)備控制對象

devices_pointer=new devices1(this);

devices_pointer->close();

……

//設(shè)置窗口標(biāo)簽

ui->function_tabWidget->setTabText(0,tr(″聯(lián)動驅(qū)鳥″));

ui->function_tabWidget->removeTab(1);

ui->function_tabWidget->addTab(bird_distribution_pointer,

tr(″鳥類分布″));

ui->function_tabWidget->addTab(devices_pointer,tr(″聯(lián)動驅(qū)鳥″));

ui->function_tabWidget->addTab(bird_search_pointer,tr(″鳥類查詢″));

//設(shè)置窗口標(biāo)簽隱藏

ui->function_tabWidget->setTabEnabled(1,false);

ui->function_tabWidget->setStyleSheet(″QTabBar::tab:disabled{width:0;color:transparent;}″);

}

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)備界面

2.2 鳥情數(shù)據(jù)庫的建立與連接

根據(jù)廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院鳥擊防災(zāi)應(yīng)用技術(shù)研究中心與中國空軍某部的長期合作與調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該機(jī)場共計(jì)有38種鳥類涉場，其中包括白鷺、牛背鷺、綠翅鴨、鵲鷂、紅隼、斑鳩等鳥類，相關(guān)鳥類圖片如圖3所示。

圖3 涉場鳥類圖片

Qt對數(shù)據(jù)庫的操作主要是通過QtSql模塊來進(jìn)行，故在項(xiàng)目文件(.pro文件)中需要添加一行代碼“QT+=sql”，這樣才能使用數(shù)據(jù)庫模塊。為了能在主窗口中讀取數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù)，可以先創(chuàng)建一個(gè)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫類，然后在主窗口中將其實(shí)例化。數(shù)據(jù)庫的類實(shí)現(xiàn)代碼如下：

data_base::data_base(QObject*parent):QObject(parent)

{

db=&QSqlDatabase::addDatabase(″QODBC″);

//設(shè)置數(shù)據(jù)庫驅(qū)動

db->setDatabaseName(″connectDatabase″);

//打開數(shù)據(jù)庫

bool ok=db->open();

if(!ok)

……

else

{

……

row=new QSqlRecord();

model=new QSqlTableModel(this,*db);

model->setTable(″BirdInfo″);

model->setSort(0,Qt::AscendingOrder);

//設(shè)置模型對應(yīng)項(xiàng)

model->setHeaderData(1,Qt::Horizontal,tr(″中文名″));

model->setHeaderData(2,Qt::Horizontal,tr(″英文名″));

model->setHeaderData(3,Qt::Horizontal,tr(″危害等級″));

model->setHeaderData(7,Qt::Horizontal,tr(″最低飛行高度″));

model->setHeaderData(8,Qt::Horizontal,tr(″最高飛行高度″));

model->setHeaderData(10,Qt::Horizontal,tr(″備注″));

model->setHeaderData(11,Qt::Horizontal,tr(″集群類型″));

model->setEditStrategy(QSqlTableModel::OnManualSubmit);

……

}

}

2.3 通信接口設(shè)計(jì)

Qt寫的程序作為上位機(jī)軟件，如果需要通過USB與下位機(jī)通信，就得用到Qt中的串口通信。串口是上位機(jī)與下位機(jī)連接的橋梁，故其設(shè)計(jì)在一定程度上關(guān)系到了項(xiàng)目的成敗。為了在主窗口中能與下位機(jī)進(jìn)行通信，可以先創(chuàng)建一個(gè)QSerialPort的串口對象，然后對其進(jìn)行操作。本系統(tǒng)提供給了用戶兩種連接方式，分別是自動連接和手動連接，其中手動連接代碼如下：

bool communication_layer::auto_connect_cood(){

……

//此處為串口自動識別

foreach(const QSerialPortInfo &info, QSerialPortInfo::availablePorts())

{

……

serial->setPort(info);

if(serial->open(QIODevice::ReadWrite))

{

//設(shè)置波特率

serial->setBaudRate(115200);

//設(shè)置數(shù)據(jù)位

serial->setDataBits(QSerialPort::Data8);

//設(shè)置校驗(yàn)位

serial->setParity(QSerialPort::QSerialPort:: OddParity);

//設(shè)置流控制

serial->setFlowControl(QSerialPort:: NoFlowControl);

//設(shè)置停止位

serial->setStopBits(QSerialPort::OneStop);

……

state=true;

connection_state=true;

//發(fā)送連接成功信號

emit zigbee_connected_sig();

……

}

else

……

return state;

}

2.4 消息處理模塊設(shè)計(jì)

上位機(jī)與下位機(jī)之間所交換的消息即為主機(jī)發(fā)送的設(shè)備開啟命令和從機(jī)發(fā)送的設(shè)備狀態(tài)信息，伴隨著場內(nèi)設(shè)備掛載個(gè)數(shù)的增加，傳感器的采集數(shù)據(jù)也成倍地增加。大量的數(shù)據(jù)定會帶來CPU占用率提高、內(nèi)存開銷大等問題，為了避免項(xiàng)目后期出現(xiàn)瓶頸，從而導(dǎo)致硬件成本的成倍增加，因此在消息處理模塊的設(shè)計(jì)上參考了4G移動通信的編解碼方式，即ASN.1編解碼。

ASN.1的編碼規(guī)則包括CER(規(guī)范編碼規(guī)則)、BER(基本編碼規(guī)則)、PER(壓縮編碼規(guī)則)等。盡管編碼規(guī)則不同，但通信雙方卻無需再考慮設(shè)備類型、程序設(shè)計(jì)語言及其在程序中的表示等問題，大大提高了可移植性。ASN.1最大的特點(diǎn)是其編碼支持在無線寬帶中可擴(kuò)展且信息快速可靠的傳輸[6]，這一特性非常符合本項(xiàng)目的要求，因此在項(xiàng)目中引入該編解碼技術(shù)。

其中PER是在BER的基礎(chǔ)上所設(shè)計(jì)的一種ASN.1編碼規(guī)則，它的優(yōu)勢是可以有效地減少消息的編解碼開銷?？紤]到項(xiàng)目后期的數(shù)據(jù)量開銷逐漸增加，系統(tǒng)采用了PER編碼規(guī)則。PER編碼結(jié)構(gòu)如圖4所示，其實(shí)質(zhì)即為“按需嵌套編碼”結(jié)構(gòu)，當(dāng)有需要傳送相關(guān)信息時(shí)再分配資源，這樣可以有效減少硬件開銷，為后期項(xiàng)目的升級奠定基礎(chǔ)。

圖4 PER編碼結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)ASN.1編解碼規(guī)則，可設(shè)計(jì)如表1所示的編碼規(guī)則，其中數(shù)據(jù)頭和尾使用char類型，命令與數(shù)據(jù)用了typedef型，并且用“int bits_unused”來指示二進(jìn)制位串中沒有使用到的二進(jìn)制位數(shù)。

表1 ASN.1轉(zhuǎn)換規(guī)則

3 實(shí)驗(yàn)測試

1) 數(shù)據(jù)庫連接測試。如圖5所示，在主界面通過查詢功能可以準(zhǔn)確地查詢本場的涉鳥信息，幫助場務(wù)人員更好地做出判斷。

圖5 鳥類信息查詢成功圖

2) 通信接口測試。當(dāng)USB線與下位機(jī)連接好后，在主界面通過串口連接功能實(shí)現(xiàn)軟件上的連接。開啟相應(yīng)的設(shè)備后，可在串口打印窗口觀察到發(fā)送命令數(shù)據(jù)，這表明串口已正常工作，并且能與下位機(jī)通信。當(dāng)USB與下位機(jī)斷開連接后，在軟件上無法實(shí)現(xiàn)軟件連接，這符合預(yù)期。如圖6所示。

圖6 通信接口測試圖

3) 效果對比測試。系統(tǒng)搭建好后，需對系統(tǒng)作出客觀的綜合測試評估，以得出使用該系統(tǒng)后驅(qū)鳥效果的提高率。為了能更好地觀測，觀察人員配備了高倍單筒望遠(yuǎn)鏡、測距儀、攝像機(jī)、夜視儀等，在機(jī)場不同功能區(qū)安排對應(yīng)的工作人員蹲點(diǎn)觀察記錄，得到如表2所示的觀測結(jié)果。由表2可知使用了智能化驅(qū)鳥系統(tǒng)后對場內(nèi)常見的涉場鳥類有不錯(cuò)的效果提升。

表2 系統(tǒng)效果評估

4 結(jié) 語

本文對機(jī)場智能驅(qū)鳥系統(tǒng)的上位機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并針對其以往在設(shè)備量增加后數(shù)據(jù)量急劇增加的問題上提出了幾點(diǎn)改進(jìn)方法。最后通過測試結(jié)果驗(yàn)證了這些方法的有效性，對今后系統(tǒng)掛載更多的驅(qū)鳥設(shè)備具有重要意義。在下一步工作中，將結(jié)合深度學(xué)習(xí)方法，探尋系統(tǒng)的智慧底線，幫助機(jī)場切實(shí)做好安全保障工作。