機場智能驅鳥系統中的網關設計

劉玉芬1,郭志雄1,陳裕通,劉志剛

(1.華南理工大學廣州學院 電氣工程學院，廣州 510800;2.廣州民航職業技術學院 航空港管理學院，廣州 510403)

0 引言

鳥類的飛行大約起始于一億五千萬年前，而人類的飛行則大約是在100年前。顯而易見的是，人類因鳥類能在天空中展翅飛翔而激起了對飛行的渴望，并最終實現了飛行的愿望。然而需要與鳥類共享一片天空，這就必然會發生矛盾——鳥擊(或稱鳥撞)。

2017年中國民用航空局公布了近6年的鳥撞數據，根據這些數據可以得到如圖1所示的趨勢圖。從圖1可知，2007～2016年的鳥撞事故征候次數雖然相對保持在一個較低的水平，但在平穩中亦有增長，而鳥撞的次數則在不斷地增加且增長的速度更是呈現逐年遞增的趨勢。

圖1 2007～2016年鳥擊及鳥擊事故癥候數量

鳥撞具有必然性、危害性、普遍性以及規律性等特點，必須尋找有效的辦法來遏制此類事件的發生。當前機場上所使用的驅鳥方法如表1所示，其基本都是在對鳥類各生物特性進行研究后所提出的方法，因此具有一定的局限性。這些方法在引進初期確實會有一定的效果，但時間長了其使用效果就會大大地降低，以致機場內的鳥撞事件逐年上升。

表1 機場常用驅鳥方法

近年，航空安全的問題已引起了人們的高度重視，在2017年8月更是召開了首屆航空保障設備發展論壇，將機場驅鳥設備的效果不佳問題作為一個重要研究專題。從現有的研究成果來看，國內外學者所提出的改進驅鳥效果的方法主要分為兩類，即設備改進法與設備聯動法。其中設備聯動法由于機場地理環境的特性，導致設備聯動的范圍受到限制，怎么實現遠程數據的傳輸與控制是亟待解決的問題。本文結合現有驅鳥設備與機場地理環境的特性提出以STM32(ST意法半導體公司推出的32位MCU微控制器)為核心處理器，融合Zigbee技術與GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業務)技術網絡最終實現數據交換和遠距離傳輸和控制。

1 系統設計和網關功能

驅鳥聯動系統主要由傳感器節點、路由節點、網關以及監控中心四部分組成，如圖2所示。各傳感器節點通過Zigbee短距離無線通信技術構成自組網絡，監控中心與無線網關之間則通過GPRS進行設備狀態信息及控制命令的傳遞。每個傳感器節點通過燃氣壓力傳感器、微動開關、限位開關以及電池電量檢測電路等器件自動地采集設備信息，并結合預設的上下限值進行分析，判斷是否需要對設備進行維護。對于使用了太陽能電池進行供電的設備，其電池電壓被隨時監控，一旦電量過低就會由節點發出報警信號并強制節點進入睡眠狀態直到電池電量充滿為止。網關用于連接GPRS網絡與Zigbee無線網絡，負責傳感器節點與路由節點的管理。

圖2 系統總體組成框圖

本系統根據某空軍機場場務部的需求，提出了采用物聯網技術、圖像識別技術、計算機技術及嵌入式技術等設計的驅鳥聯動系統方案，系統結構圖如圖3所示。系統采用了Zigbee網絡與短波網絡交互的方式進行組網，以實現有效覆蓋整個機場區域的目的。在網絡的覆蓋區域內，只需要將煤氣炮、鈦雷炮、二踢腳、攔鳥網、攝像頭及語音驅鳥器等驅鳥設備接入網絡，即可實現鳥情狀況、設備狀態的信息查詢以及相關控制命令的發送等功能。

圖3 驅鳥聯動系統拓撲圖

用于捕捉鳥情的設備采用了4G(第四代移動通信及其技術)無線視頻監控的方案，以保證圖像清晰、實時、高速的傳輸。手持機與一般的手機不同，其裝載了能夠接入Zigbee無線傳感網的相關模塊，不僅保證了和接入Zigbee 網絡中的煤氣炮、攔鳥網、鈦雷炮、二踢腳以及語音驅鳥器等設備進行通信，還可以保證驅鳥工作的及時開展。網關通過移動通信網絡與主站進行通信，從而實現上位機與底層驅鳥設備的遠程通信，完成控制命令的解析、發送、下發與處理等工作。同時，攔鳥網、煤氣炮、二踢腳、鈦雷炮與及語音驅鳥器等設備的工作狀態感知數據也會通過網關反饋到上位機，為上位機監控各個設備的工作狀態提供數據。

2 Zigbee-GPRS網關設計

無線傳感器網絡需通過網關與主站進行通信網絡的相連，為無線短波網絡和無線傳感器網絡提供數據通信的橋梁。網關的系統結構如圖4所示，從圖中可知網關通常與匯聚節點放置在同一個設備內。傳感器節點或終端節點采集到場內驅鳥設備的信息后便將其發送至匯聚節點進行數據打包與發送，但因匯聚節點無法單獨地與外網進行通信，因此網關利用串行通信的方式讀取其數據，然后再通過外網發送至主站?？紤]到設備終端節點的數據匯聚到網關后，其數據量并不是特別大，因此確定了以STM32為核心處理器并結合CC2530、CC2591以及GPRS模塊構建驅鳥智能系統的網關，并設計實現Zigbee端與驅鳥設備間約為400 m的通信距離，發射功率在+20 dBm以上、接受靈敏度約為-90 dBm的性能指標；而GPRS模塊則使用SIM900A為主要模塊，實現對機場范圍內的全覆蓋。

圖4 WSN網關系統結構

2.1 硬件電路設計

根據對系統功能以及性能的需求分析與研究，本文設計的網關系統結構圖如圖5所示。該系統由主控器、Zigbee通信模塊以及GPRS通信模塊組成。其中，GPRS通信模塊負責網關與主站的通信，Zigbee通信模塊則作為協調器負責與Zigbee相關節點通信，而處理器作為中間橋梁負責GPRS與Zigbee間的數據轉換。

圖5 Zigbee轉GPRS網關模塊總體結構圖

針對網關各模塊的硬件本文作了如下選擇：Zigbee無線通信模塊采用CC2530+ CC2591方案；MCU(Microcontroller Unit，即主控制器)的核心處理器選用ST公司的STM32F107VCT6；GPRS無線通信模塊則使用SIM900A模塊。由于STM32F107VCT6屬于ARM系列的高性能處理器，具有數據處理能力強、內存容量大、資源豐富等特點，因此選用它作為控制器的核心處理器；此外，選用SIM900A模塊的原因則是該模塊的板載資源豐富且易于操作。由于SIM900A與CC2530模塊都有串口，因此設計中使用了串口將SIM900A、CC2530模塊與STM32F107VCT6進行硬件連接，具體方案如圖6所示。

圖6 網關節點設計方案

SIM900A模塊是SIMCOM公司生產的一款工業級GSM/GPRS模塊，包含了GSM 基帶、GSM射頻、存儲器、TTL 接口、電源輸入接口、電源指示燈、信號指示燈、電源開關、自鎖式SIM卡座、天線接口、開機/關機按鍵以及引出I/O口等，具有較為豐富的資源，其功能模塊框圖如圖7所示。在調試該模塊時可通過USB轉串口模塊將其與計算機進行連接，然后打開串口調試工具即可使用AT命令對其進行操作。

圖7 SIM900A功能模塊圖

2.2 軟件設計

SIM900模塊與STM32間可通過串口進行通信與控制，在程序設計中主要使用用了C語言程序進行編程，而在操作SIM900模塊時系統所調用的函數為sim900a_send_cmd( )，結合AT命令即可對模塊進行相關的操作。

void sim900a_sms_send_test(void)

{

……

p=mymalloc(SRAMIN,100); //申請100個字節的內存,用于存放電話號碼的unicode字符串

p1=mymalloc(SRAMIN,300);//申請300個字節的內存,用于存放短信的unicode字符串

p2=mymalloc(SRAMIN,100);//申請100個字節的內存 存放：AT+CMGS=p1

while(1){

if(smssendsta){

smssendsta=0;

Show_Str(30+40,70,170,90,"等待發送",16,0);

}

delay_ms(10);

smssendsta=1;

sim900a_unigbk_exchange(phonebuf,p,1); //將電話號碼轉換為unicode字符串

sim900a_unigbk_exchange((u8*)sim900a_test_msg,p1,1);//將短信內容轉換為unicode字符串.

sprintf((char*)p2,"AT+CMGS=”%s”",p);

……

if(sim900a_send_cmd(p2,">",200)==0){

//發送短信命令+電話號碼

LED2=0;

u2_printf("%s",p1); //發送短信內容到GSM模塊

delay_ms(90); //必須延時，否則 不能發送短信

if(sim900a_send_cmd((u8*)0X1A,"+CMGS:",1000)==0)smssendsta=2;//發送結束符,等待發送完成(最長等待10秒鐘,因為短信長了的話,等待時間會長一些)

}

USART2_RX_STA=0;

break;

}

if((timex%20)==0)

LED3=!LED3;//200ms閃爍

timex++;

delay_ms(10);

……

if(USART2_RX_STA&0X8000)sim_at_response(1);//檢查從GSM模塊接收到的數據

myfree(SRAMIN,p);

myfree(SRAMIN,p1);

myfree(SRAMIN,p2);

……

}

常用的與短信功能相關的AT命令如表2所示。

表2 短信功能AT命令

在收發短信的工作模式上，一般有文本模式和PDU模式兩種。文本模式比較簡單，PDU模式格式復雜但能夠進行靈活的設置。PDU模式將短消息中心信息、編碼方案信息和用戶數據等進行統一的編碼，形成規定格式的 PDU 串，最后以二進制方式來進行收發。

由于SIM900A模塊已內置了TCP/IP協議，因此網關MCU只需向該模塊發送相關的AT指令即可與目標上位機建立TCP/IP連接，實現GPRS網絡傳輸過程。GPRS連接的流程圖如圖8所示，STM32F107VCT6通過UART1向SIM900A寫入AT命令，使SIM900A模塊與遠端的上位機建立TCP或UDP連接，從而實現數據的遠程傳輸。

圖8 GPRS連接建立過程

在使用SIM900A建立GPRS連接后，STM32F107VCT6還需與Zigbee協調器共同完成網關的功能，具體程序流程如圖9所示。

圖9 MCU程序處理流程圖

3 實驗測試

由于外場的驅鳥設備與服務器間有一定的連接距離，除了需要實現短距離的傳輸外還需解決服務器與終端之間的傳輸。因此除了需要ZigBee無線網絡的短距離傳輸的路由節點外還需要實現遠距離傳輸的網關節點，這直接影響到了整個驅鳥聯動系統的網絡通信質量與控制的距離，有必要對其進行相關的測試。

3.1 數據通信測試

Texas Instrument Packet Sniffer為Zigbee網絡常用的數據包抓取軟件，利用該軟件可以分析Zigbee網絡的數據傳遞信息。為了測試所設計的路由節點功能本文使用了Packet Sniffer進行數據包抓取實驗并得到數據包。每個數據包都由很多段組成，這是與ZigBee協議一一對應的，其數據包格式如圖10所示。因為ZigBee協議棧是按照分層結構去實現的，故在顯示數據包時使用了不同的顏色。在下位機組建網絡的過程中，一旦網絡層管理實體確定好一個PANID，便會即刻選擇一個0x0000的16位網絡地址。而路由節點和終端節點在沒有加入網絡時使用的是64位物理地址，只有在成功入網后才會給予一個“合法ID號”即16位短地址，其目的就是為了減少資源占用、降低發射功率，提高通信的有效性指標。

圖10 ZigBee數據包格式

從Packet Sniffer抓取的數據包可以知道終端節點、路由節點以及網關已建立了正常的通信網絡，實現了驅鳥設備間的正常通信。

3.2 設備通信測試

當USB線與下位機連接好后，在主界面通過串口連接功能實現軟件上的連接。開啟相應的設備后，可在串口打印窗口觀察到發送命令數據，這表明串口已正常工作，并且能與下位機通信。當USB與下位機斷開連接后，在軟件上無法實現軟件連接，這符合預期。

3.3 設備控制測試

場內驅鳥設備有煤氣炮、鈦雷炮、語音驅鳥器、攔鳥網、二踢腳等設備，本文以煤氣炮的設備通信作為測試設備。

煤氣罐圖標直觀地顯示氣罐中的煤氣量，分紅色、黃色、淺綠色和深綠色四個檔，當顯示紅色時，表示煤氣量不足，需要更換煤氣罐。煤氣量不足時，左側設備基本信息欄中的氣罐壓力接近100 kPa，也就是接近大氣壓。當煤氣炮關機時，設備狀態為“關閉”，設備圖標顯示灰色；煤氣炮開機時，裝備狀態為“可控”，裝備圖標顯示黃色。點擊“刷新”按鍵獲取煤氣炮狀態，即氣罐壓力和蓄電池電壓。點擊“發射”按鍵，旁邊的指示燈閃爍，表示煤氣炮正在發射。發射完成后，開始發射間隔倒計時(15 秒)，倒計時結束后，方可再次發射，其控制界面如圖11所示。由測試結果可知，路由節點已實現了對終端設備的正?？刂?。

圖11 煤氣炮發射控制界面

系統搭建好后，還需對其作出客觀性的評估以證實使用該系統后場內驅鳥效果具有一定的提升。設備的評估方法使用的是觀測法，即在機場不同功能區安排對應的工作人員蹲點觀察記錄，對場內常見的38種鳥類的飛行路線進行記錄(如圖12～13為戴勝與家燕的飛行軌跡示意圖)，并通過鳥類的飛行路線分析設備的驅趕效果。每一種鳥的觀察數量都為100只，根據觀察人員繪制的飛行路線及逗留時間判斷設備的驅趕效果。從鳥類飛行路線軌跡示意圖對比可知，使用該驅鳥聯動系統后機場驅鳥的效果具有一定的提升。

圖12 戴勝飛行軌跡示意圖

圖13 家燕飛行軌跡示意圖

4 結束語

本文針對機場智能驅鳥系統中傳感器網絡(Zigbee網絡)需要與外網進行數據傳輸的問題，提出了 “STM32F107VCT6 + CC2530 + CC2591 + SIM900A”的方案，即Zigbee網絡與GPRS網絡融合組網進行傳輸。設計的ZigBee-GPRS網關，實現了智能驅鳥系統中驅鳥設備與用戶間數據的實時交互與遠程控制以及監測的功能。