機場智能驅鳥系統中的自動化攔鳥網設計與實現

劉玉芬,郭志雄,陳裕通

(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)[1]。從人類開始進行飛行活動，鳥類對飛行就是一種潛在的危機，但這卻又不是唯一的，除此之外還有會闖入到跑道上的動物也會對飛行活動造成危害，如：野狼、野鹿、鱷魚、兔子等。

在早期，由于天空中只有少量的飛機以較低的速度飛行，同時發動機的噪聲比較大，鳥類較早就能察覺到飛機并躲避飛機，鳥撞飛機的風險相對現在比較小，從而對飛機造成的損害一般也就只限于打壞風擋、前緣上撞出凹痕，或者偶爾使機身受到損壞。可見在飛機發展的早期鳥撞只是飛行中的一般危害。隨著新一代渦輪發動機的研制應用，飛機飛行的速度加快了，發動機的噪音降低了，鳥類察覺和躲避飛機的機會大大減小，鳥撞變得越來越頻繁，造成的損害越來越嚴重，特別是飛機風擋玻璃、發動機及雷達罩部位的撞擊率尤為突出，如圖1所示[2]。

圖1 飛機鳥撞情形

根據2017年中國民用航空局公布了近6年的鳥撞數據顯示，2007～2016年的鳥撞事故征候次數雖然保持在一個相對較低的水平，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[3]。

在航空事業不斷發展的背景下，航空安全已成為人類關注的重點。根據航空公司里的大部分統計數據得知，絕大多數的航空災難是在飛機降落與起飛的時候發生的，這種類型的航空災難之所以發生的原因就在于鳥類在高速飛行時和飛行器發生相撞[4]。由此可見，不管是從鳥擊對飛行器安全飛行威脅程度，還是從其發展趨勢來看，防止鳥擊事件發生的工作是不可放松的，必須尋找有效的辦法遏制此類事件的發生，也就是要做到“高效驅鳥”。要實現“高效驅鳥”，必須實現驅鳥設備的智能化、自動化減少因為鳥類適應性引起的鳥擊事件，提高驅鳥效果。在眾多驅鳥設備中僅有攔鳥網在傳統的操作中都是依仗機場場務人員手動張網和收網，其他設備是可以設定時間定時啟動的。為了實現驅鳥設備的智能化，解決攔鳥網自動布網是亟需解決的課題。機場智能驅鳥系統中的自動化攔鳥網用智能控制代替傳統的手動操作，不僅提高了攔鳥網工作的效率，降低了機場場務人員的工作壓力，更好的實現了智能化驅鳥的目標。

1 系統總體方案設計

所研制的機場驅鳥聯動系統主要由信息采集控制的終端節點模塊、路由節點傳輸模塊、網關遠程傳輸基站模塊、服務監控中心以及聯動驅鳥設備五部分組成，其中聯動驅鳥設備包括煤氣炮、鈦雷炮、攔鳥網、二踢腳、語音驅動器等。系統框圖如圖2所示。各信息采集傳感器通過Zigbee短距離無線通信技術構成自組網絡，最終實現整個機場區域無盲點全覆蓋。驅鳥設備按照各自功能效果特性及機場地理位置按層次分布，實現整個機場的高效驅鳥。各驅鳥設備的狀態通過終端節點模塊采集設備當前狀態，然后通過ZigBee短距離傳播技術傳輸到網關模塊，網關模塊對信息數據進行處理解析后通過GPRS網絡上傳到監控中心。同時監控中心對驅鳥設備發送啟動信號，先通過GPRS傳送到網關模塊處理分析后經ZigBee網絡送達終端節點，啟動驅鳥設備。

圖2 系統總體組成框圖

終端節點硬件部分由無線通信模塊、傳感器模塊、電源模塊、處理器模塊等四部組成，如圖3所示。這四個模塊會組成一個小盒子嵌入到設備裝置里面與設備進行協同工作。傳感器模塊負責監測設備，將采集到信號傳入模數轉換模塊并得到數字信號。處理器模塊接收到數字信號后便對其進行處理，包括能量計算、任務調度、設備控制以及功能協調等操作。無線通信模塊則負責與其他節點(路由節點與網關)進行通信，并最終實現監控中心與各終端節點的正常通信。

圖3 系統終端節點結構

Zigbee無線傳感器網絡的拓撲結構包括星型拓撲、樹型拓撲以及網狀型拓撲[4]，根據機場場內的大部分驅鳥設備都布設在飛機跑道兩側的情況，提出了利用若干個星型拓撲來組建網狀拓撲的結構形式，在實際的機場跑道兩側上每大約100米就布設一個驅鳥設備，而在鳥撞事件多發區域如飛機起飛與降落點則更是會縮小到50米左右布設一個，如圖4所示。

圖4 組建無線傳感器網絡的示意圖

同時以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。最終實現移動通信網絡(GPRS)與Zigbee網絡的混合方式進行組網，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。

2 自動化攔鳥網設計與實現

攔鳥網的作用是用于攔截低空飛行的鳥類到達跑道區域，而非以捕捉跑道兩側的鳥類為主要目的，其一般由網面、支撐桿及緊固栓繩等構成。通常情況下，攔鳥網的設置應兼具攔截與警示鳥類的功能，為此，網面和支撐桿應選用與環境具有明顯差異的顏色，如紅色或橙色。具有警示效果的網具不僅利于場務人員巡視，更具有升降帶內障礙物標示的效果。但是場內現有的攔鳥網基本采用了人工布網的方式，難以實現與其它設備的聯網，因此需要對其進行升級改造以實現其自動化的控制。

2.1 自動化攔鳥網設計

攔鳥網中的電機使用了57HS22，該電機為2相4線的57步進電機[5]，能夠滿足輕量級的攔鳥網張網要求。電機在預定的軌道上正反轉的轉動即可實現攔鳥網的張網和收網，其設計如圖5所示。

圖5 自動化攔鳥網結構示意圖

由于在軌道上加裝了限位開關，因此可獲取攔鳥網的工作狀態并實現對電機正、反轉及停轉的合理控制。此外，軌道布設決定了攔鳥網的效率，因此在布設時應盡量避免呆板的“一”字形的排序，可在某些區域有意地進行部分前后交叉。需特別注意的是，在鳥類活動較多的地帶及飛機著落、起飛拉升點兩側應重點架設攔鳥網以加大對這些敏感區域的防治力度。

2.1.1 電機控制設計

電機控制使用了TB6600進行控制，其連接線路如圖6所示。TB6600是一款專業的兩相步進電機驅動器，能夠實現電機的正反轉控制。在驅動器上有3位撥碼開關，能夠選擇7檔的細分控制(1，2/A，2/B，4，8，16，32)，另外三位撥碼開關則可選擇8檔電流的控制(0.5A，1.5A，2A，2.5A，2.8A，3A，3.5A)，適合用來驅動57、42型兩相、四相混合式步進電機[6]。

圖6 TB6600連接圖

TB6600驅動器的輸入信號端有三路，分別是步進脈沖信號PUL+、PUL-，方向電平信號DIR+、DIR-，脫機信號EN+、EN-。設計中，使用共陽極接線方法，也就是將PUL+、DIR+接到控制器CC2530的電源端，脈沖輸入通過PUL-接入，方向控制信號通過DIR-接入。當PUL-接收到脈沖時工作，高電平有效，無脈沖鎖定電機并自動半流，DIR-高電平輸入為正轉，低電平輸入時為反轉。相關代碼如下：

void loop()

{

if (KeyScan())//如果檢測按鈕為高電平，步進電機則轉，否則不轉

{

if(KeyScan12())

StepperMotor(false, true, 3200);//控制步進電機是否脫機、方向、步數；第一個參數：ENA---脫機狀態，true為脫機；第二個參數：DIR---方向控制，true為正轉，false為反轉；第三個參數：steps---步進的步數，若steps為0，則電機上電電磁鎖死，不轉。

else if(KeyScan34())

StepperMotor(false, false, 3200);//反轉

else

StepperMotor(false, false, 0);//停轉

}

else

StepperMotor(false, true, 0);//電機停轉

}

2.1.2 傳感器選擇

限位開關的選擇，考慮到使用環境是戶外，并且是沒有遮擋空曠的機場環境，在選擇限位開關時要考慮環境對限位開關影響的因素，需要把使用溫度，使用濕度，觸發的條件考慮進去。同時在比較惡劣的環境下，接觸式的限位開關比非接觸式的限位開關在機械運行中更加直觀。因此確定了在機械設備運動的部件上安裝限位開關，其對應的運動軌跡的固定點安裝極限位置的擋板，當限位開關的機械出頭碰到擋板時候，反饋一個信號到控制器中，對電機運行狀態進行改變。

在機場這樣的環境下使用的限位開關選擇時觸發的靈敏度不能太高，如果一陣風吹過就能觸發的更是不能考慮。

根據伯努利方程得出的風-壓關系，風的動壓為:

wp= 0.5*r0*v2

(1)

其中:wp為風壓(kN/m2),r0為空氣密度(kg/m3),v為風速(m/s)。

把預設環境定位最惡劣，也就是說保證限位開關在最高風速下也不會誤觸發，也就是12級颶風的環境下限位開關也不會出現誤觸發情況。由于空氣密度(r0)和重度(r)的關系為r=r0*g，代入式(1)得到：

wp= 0.5*r*v2/g

(2)

在標準狀態下(氣壓為1013 hPa，溫度15℃)，空氣重度r=0.012 25 kN/m2，維度為45°處的重力加速度g=9.8 m/s2，最高風速目前沒有出現超過100 m/s的颶風，得到wp≈6.25 kN/m2，限位開關體積小，受力面積不到萬分之一平方米。因此在選擇限位開關時使用環境符合-10～80℃，使用濕度符合≤95%RH，動作力(為了從自有位置移到工作位置所必須給驅動桿施加的力)要大于0.6 N，同時限位開關要求能防水，本設計選擇了歐姆龍的HL-5030型號的限位開關，外形圖如圖7所示。在攔鳥網的桿上安裝限位開關可以用來檢測網是否已正常展開，從而讓場務人員能夠清楚地了解各攔鳥網的實際情況。特別是在惡劣天氣，經常會有攔鳥網被大風刮至跑道的情況，為此設計中增加了限位開關以達到監測攔鳥網狀態的目的。除此之外，限位開關在攔鳥網自動布網的過程中起到定位的作用，也就是依仗限位開關給予信號，使電機停止運轉。

圖7 限位開關外形

限位開關與CC2530的連接電路如圖8所示，圖中SW即為限位開關，P2.1是CC2530的一個引腳。當布網或收網時會觸碰SW微動開關，從而使P2.1引腳從原來的高電平變為低電平。

圖8 限位開關檢測電路

由于限位開關與大多數的機械按鍵一樣，在開關按下的時候并不會馬上從原來的高電平變為低電平，而是如圖9所示有一個抖動的過程，因此CC2530在檢測限位開關是否按下時需在第一次檢測到有按下按鍵時延遲一定時間，然后再判斷是否按鍵真正按下，即按鍵消抖。

圖9 限位開關機械特性

2.2 自動化攔鳥網軟件設計

自動化攔鳥網的位置需要限位開關確定，所以在攔鳥網控制中，限位開關很重要，下面是限位開關檢測流程圖，如圖10所示。

圖10 限位開關檢測流程圖

限位開關S1配置如下：

P0SEL & = ～0X02; //設置P01為普通IO口

P0DIR &= ～0X02; //按鍵在P01口，設置為輸入模式

P0INP &= ～0x02; //打開P01上拉電阻,不影響

檢測相關代碼：

#define KEY1 P0_1 //KEY1為P0.1口控制

#define KEY2 P0_2 //KEY2為P0.2口控制

uchar KeyScan12(void)

{

if(KEY1==0)

{

Delayms(10);

if(KEY1==0)

{

while(!KEY1); //松開檢測

return 1; //有開關按下

}

……

}

return 0; //無開關按下

}

自動化攔鳥網的系統機構及硬件搭建好后需對其進行相關的程序設計，其程序流程圖如圖11所示。

圖11 TB6600連接圖

CC2530上電后首先對其外設進行初始化，然后搜索Zigbee網絡。若發現有Zigbee網絡則發送加入網絡的申請并等待請求響應，如允許加入網絡，則終端節點發送綁定請求申請并等待路由節點或協調器節點的綁定響應。成功入網后CC2530就進入任務執行的循環，若無觸發命令就每隔一段時間檢查限位開關是否有被按下，同時對電池進行電量檢測并上傳數據給協調器。若有觸發命令，則自動化攔鳥網終端節點就會判斷是命令類型，然后根據命令對電機進行正反轉的控制。兩個電機開啟后CC2530會每隔一段時間判斷限位開關是否有被按下，從而實現自動化布網的功能。

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，因此必須進行遠程的控制測試以驗證設計的可行性。

3.1 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。

3.2 設備控制測試

攔鳥網的控制界面如圖12所示，其圖標上方的兩個指示燈分別表示攔鳥網左右兩個支架的狀態：燈亮表示立桿到達兩端，燈滅表示收網，閃爍表示支架正在展開或收緊。攔鳥網控制模塊關機時，設備狀態為“關閉”，攔鳥網圖標為灰色；控制模塊開機時，攔鳥網圖標為黃色。點擊“刷新”按鍵，獲取攔鳥網的工作狀態；點擊“立網”和“放網”按鍵可控制攔鳥網立起和放下；點擊“總停”按鍵，其旁邊的指示燈亮或滅，表示攔鳥網總停或沒有總停。由測試結果表明，該系統已實現了攔鳥網的遠程收放控制功能。

圖12 攔鳥網控制界面

4 結束語

針對機場特殊環境設計了基于物聯網的機場驅鳥聯動系統方案，并在此基礎上解決了現有攔鳥網需由場務人員進行人工布設的問題，實現了機場場內所有驅鳥設備的自動化目的。針對自動化攔鳥網，對其硬件與軟件作了設計，實現了攔鳥網的自動化布設功能，為機場場內驅鳥設備聯網打下堅實的基礎。