機場智能驅鳥系統中的路由節點設計與實現

陳裕通 劉志剛 陳裕芹 劉玉芬

1(廣州民航職業技術學院 廣東 廣州 510403) 2(華南理工大學廣州學院 廣東 廣州 510800)

0 引 言

鳥類的飛行路線是難以預測的，而人類的飛行卻是有規劃的，因此當兩者同時在有限空間里飛行時就必然會發生相撞的事故，也就是鳥擊又名鳥撞。鳥撞從人類第一次試飛起就一直存在。1903年萊特兄弟在首次試飛后就在日記里記載了鳥撞的情形；1912年在美國北部更是發生了人類歷史上的首次鳥撞事故并造成了嚴重的人員傷亡[1]。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。可以看出，2007年—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[2]。

圖1 2007年—2016年鳥擊及鳥擊事故征候數量

鳥撞具有必然性、危害性、普遍性、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。當前機場常用的驅鳥方法如表1所示，基本都是在對鳥類各生物特性進行研究后提出的方法，因此具有一定的局限性[3]。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

近年來，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：設備改進法與設備聯動法[4]。本文所設計的驅鳥系統屬于設備聯動法，其利用物聯網、人工智能、數據挖掘等最新科學技術來實現對機場周邊鳥類的有效驅趕，為機場帶來一定的經濟效益。

1 總體方案設計

1.1 物聯網系統

物聯網是信息化與自動化的融合，其最高目標是要實現萬物互聯與智能控制，從而給人類帶來便利。從系統結構的角度看，物聯網可劃分為應用層、網絡層、感知層，各層所包含的內容如圖2所示[5]。

圖2 物聯網三層結構

1.2 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡屬于感知層，為物聯網的最底層，它負責的是與物體直接接觸并將物體的信息通過網絡傳遞到外部網絡中去。其具有低成本、低功耗、多跳自組織和分布式的特點，因此非常適用于機場驅鳥聯動系統的底層網絡搭建。

從網絡的體系結構看，無線傳感器網絡包含傳感器節點、路由節點、網關、外網、服務器等，如圖3所示。傳感器節點分布在監測區域內，負責對用戶關注的監測數據進行采集與處理；路由節點則負責數據轉發與信號放大；監測區域內的數據最終到達網關設備，由網關負責與外網的對接，實現不同協議數據之間的轉換；最后數據經外網到達服務器并給到用戶。

1.3 網絡拓撲結構

機場內的大部分驅鳥設備都布設在飛機跑道兩側且ZigBee網絡存在通信距離短的特性，在設計系統網絡拓撲結構時應充分考慮這一特性，為此本文利用路由節點擴展網絡通信距離，提出利用若干個星型拓撲來組建網狀拓撲的結構形式，如圖4所示。在實際的機場跑道兩側上每大約100 m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 m左右布設一個。在圖4中設計的是跑道中間兩側的網絡拓撲結構，其一個中心節點(本文中即為路由節點)一般與3個終端節點相連且距離為100 m；同側跑道的中心節點之間大約相距400 m；跑道兩側中心節點的最近距離則可根據直角三角形公式得知為224 m，如圖5所示[6]。

圖4 跑道上組建網狀拓撲的示意圖

圖5 中心節點間的連接關系圖

因此，在機場智能驅鳥聯動系統的設計中路由節點的設計直接關系到整個系統的網絡通信，任一驅鳥設備的控制及狀態信息都必須經由路由節點，是系統設計的關鍵。

1.4 系統組成框圖及拓撲圖

本文所設計的機場驅鳥聯動系統主要由傳感器節點、路由節點、網關、監控中心四部分組成，如圖6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、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6 系統總體組成框圖

組建基于物聯網的機場驅鳥聯動系統網絡的主要目的是給機場現有驅鳥設備提供網絡支持，是搭建可遠程控制的機場驅鳥聯動系統平臺的硬件基礎，也是核心部分。本文根據某空軍機場場務部的需求，提出采用物聯網技術、圖像識別技術、計算機技術、嵌入式技術等設計的驅鳥聯動系統方案，其網絡拓撲結構如圖7所示。系統采用移動通信網絡與ZigBee網絡混合的方式進行組網，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、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7 驅鳥聯動系統拓撲圖

用于捕捉鳥情的設備采用4G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，不僅保證和接入ZigBee 網絡中的煤氣炮、攔鳥網、鈦雷炮、二踢腳、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。基站通過短波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、語音驅鳥器等設備的工作狀態感知數據也會通過基站反饋到上位機。

2 路由節點設計

系統中的任一路由節點與附近的終端節點大約相距100 m，而路由節點與路由節點之間卻至少相距224 m，這樣很容易導致數據丟失，因此在設計系統的路由節點電路時必須考慮場內各終端節點的地理布局特性及通信距離問題，加入合適的功率放大器來增加發射功率。

2.1 核心電路設計

CC2591是TI公司推出的一款射頻前端芯片，其內部的集成功率放大器增益可達22 dB，最大發射功率為+22 dBm，輸出1 dB壓縮點+19 dBm，接收部分內部集成的LNA(低噪聲放大器)分高低接收增益，分別為11 dBm、1 dBm，噪聲系數為4.8 dB，接收靈敏度可改善6 dB，其接線電路如圖8所示[7]。

圖8 CC2591接線電路

本文提出“CC2530+CC2591”的方案，如圖9所示。其中CC2530的I/O口P0.6、P0.5、P0.4分別與CC2591的PA_EN、LNA_EN、HGM_EN相連。當HGM_EN為低電平時，表示CC2591接收數據時，LNA的模式為低增益；當HGM_EN為高電平時，則表示CC2591接收數據時，LNA的模式為高增益。

圖9 路由節點核心電路設計

2.2 電源電路設計

路由節點與終端節點具有相同的最小系統，與終端節點不同的是它沒有數據采集的任務。作為獨立的個體，路由節點的電源應進行單獨設計。路由節點的電源主要由太陽能電池板、充電控制單元、Li+充電電池、供電管理單元組成，如圖10所示。

圖10 電源系統組成框圖

由于路由節點的體積不大，因此設計中選用110 mm×80 mm的電池板，其最大輸出電壓為5.6 V，短路電流為200 mA；充電控制芯片選用一款非常適用于連續和斷續、低功率充電的LTC4070芯片，其具體充電控制電路如圖11所示。在電路設計時考慮到LTC4070在不充電時仍然會帶來一定的功耗，因此增加三極管VT1。當VT1的基極電壓下降時三極管處于截止狀態，鋰電池與LTC4070被三極管隔離；當VT1的基極電壓上升時三極管導通，大部分電流通過VT1流向鋰電池。鋰電池充電飽和時，LBO引腳輸出高電平，發光二極管VD1點亮；電壓低于3.2 V時，HBO引腳輸出高電平，VD2點亮。此外，在電路的設計中加入熱敏電阻，該電阻在溫度升高時會因阻值降低而影響浮點電壓的值。

圖11 充電控制單元原理圖

為了更好地保護路由節點上的鋰電池，在設計中還加入預防鋰電池深度放電的單元。該單元由MAXIM公司的電壓轉換芯片MAC680與電壓檢測芯片MAX8211構成鋰電池放電門限設置電路，如圖12所示。當R5與R7所決定的門限電壓和鋰電池電壓相等時，MAX8211便會切斷供電并使得IRF541截止，電池斷開對負載電路的供電。截止門限V1、啟動門限Vu與電阻R5、R6和R7之間的關系為：

圖12 電池門限設置電路

R5=R6(V1/1.15-1)

(1)

R7=1.15R5/(Vu-V1)

(2)

為了可以實行電源的有效管理，需實時地獲取電池電量值，根據電池電量值及任務需求調整其工作狀態。設計中加入LM4041電壓基準芯片，結合CC2530的ADC引腳對其端電壓進行采樣并計算實際電池電壓值，該電路如圖13所示。

圖13 電池電壓測量電路

U4為LM4041，該芯片為微功耗精密穩壓管[8]，RS的計算公式如下：

RS=(VS-VR)/(IL+IQ)

(3)

在使用CC2530計算電池電壓時，可使用CC2530的ADC1測量穩定電壓VQ，并將Vref作為ADC參考電壓。當PC0置0時VT3導通，ADC1的讀數為ADC_Data。ADC_Data與參考電壓Vref的關系如下：

ADC_Data/VQ=ADC_FS/Vref

(4)

式中：VQ為固定值1.2 V；ADC_FS為輸入滿量程的測量值。由式(4)可計算出Vref，也就得到電池的當前電壓值。

2.3 軟件設計

ZigBee終端節點一般工作在2.4 GHz頻段上，其傳輸距離有限，因此有必要用到路由器進行傳輸距離的延伸。本文針對機場特殊環境設計對應的網絡拓撲結構，即由若干個星型拓撲組成的網狀拓撲結構。在設計中，一個路由節點與附近三個終端節點相連，并由路由節點實現傳輸的距離延伸及路徑選擇。除此之外，路由節點還能夠為通信雙方尋找最通暢、最快捷的路徑，從而大大地提高通信速度，減輕通信負荷，節約通信資源。在路由節點中，路由算法毫無疑問是其關鍵所在，而Z-Stack已為用戶提供了AODV路由算法，該算法能夠較好地解決各種連接問題，如數據包丟失、節點移動、連接失敗等。

為了能讓CC2530配置成路由節點，在Z-Stack協議棧工程文件中需對頭文件里的一些配置進行修改：1)配置網絡拓撲結構，“#define NWK_MODE NWK_MODE_ MESH”；2)配置路徑期滿時間(即在規定時間內沒有數據通過這條路徑發送，則該路徑就被表示為期滿)，“DROUTE_EXPIRY_TIME=30”；3)配置路由表的大小(路由表中的每一條路由表記錄都包含下一級節點、目的地址以及連接狀態等信息)，“DMAX_RTG_ ENTRIES=40”；4)路徑尋找表記錄個數的設置(路徑尋找表的記錄個數決定了在一個網絡中能夠同時并發執行的路徑尋找的最大個數)，“DMAX_RREQ_ ENTRIES=8”。

路由節點程序流程如圖14所示，節點上電后首先對硬件進行初始化，然后檢測是否有ZigBee網絡，若有則向父節點發送入網申請，得到允許后便以路由節點的角色加入網絡，開始偵聽是否有數據需要處理以及是否有節點需要加入網絡。

圖14 路由節點程序流程圖

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，因此在ZigBee無線網絡的短距離傳輸特性下路由節點的設計就直接影響到了整個驅鳥聯動系統的網絡通信質量，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Packet Sniffer進行數據包抓取實驗并得到如圖15所示的數據包。可以看到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16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16 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、網關已建立正常的通信網絡，實現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，如圖17所示。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[9]。

圖17 通信接口測試

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18所示。由測試結果可知，路由節點實現對終端設備的正常控制。

圖18 煤氣炮發射控制界面

3.4 效果對比測試

系統搭建好后，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。原有的驅鳥方法就是在飛機飛行前由場務人員開啟場內的驅鳥設備讓設備不停地工作，這種方法存在一定的盲目性從而容易導致鳥類對設備產生慣性適應。智能化驅鳥方法則是有針對性地開啟設備，它在原有驅鳥方法的基礎上對原有設備進行聯網，并且加入鳥類圖像識別與智能驅鳥決策等功能，使得設備能夠根據不同的鳥類開啟不同的設備，較好地解決鳥類的慣性適應問題。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(圖19、圖20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19 戴勝飛行軌跡示意圖

圖20 家燕飛行軌跡示意圖

4 結 語

本文針對機場特殊環境并結合路由節點的功能設計由若干星型拓撲構建網狀拓撲的結構，解決ZigBee無線傳感器網絡傳輸距離短、丟包率大以及難以部署等問題。特別是對網絡中的路由節點，本文對其硬件與軟件作詳細的設計，不僅實現路由節點的路由、中繼功能，還增強路由節點發射功率及接收靈敏度，實現服務器對遠端驅鳥設備的監測與控制，提高原有驅鳥設備的驅鳥效果。