基于毫米波雷達的多功能驅鳥裝置設計

顧 浩,曹永忠

(揚州大學 信息工程學院,江蘇 揚州 225127)

0 引言

人類保護環境意識增強,鳥類數量和種群急劇增加[1],我國輸電線路因鳥害造成損失極大。 有針對性使用驅鳥措施,對維護輸電線路安全有積極作用。 針對輸電線路鳥害,國內常用的驅鳥手段[2]有3 種:(1)防鳥刺:構造簡單,便于安裝,用于防止鳥類筑巢。 (2)語音喇叭驅鳥器:固定時間語音驅趕鳥類,初期效果明顯,性價比高,適用范圍廣。 (3)擋鳥板:用于防止鳥糞在擋板范圍內落下污染絕緣子串。 這幾種驅鳥方式用途單一,鳥類極易適應,驅鳥效果不明顯,其中一些物理驅鳥裝置維護成本極高。

針對上述問題,本文提出了基于毫米波雷達的多功能驅鳥裝置,其特點有:(1)多重驅鳥手段。 通過隨機語音、變頻超聲波、驅鳥劑三重手段驅趕鳥類,鳥類不易適應。 (2)便于安裝維護。 多功能驅鳥裝置一般安于桿塔第一級橫擔上,易安裝、維護。 (3)感知范圍廣。 毫米波雷達感知范圍在150 m 左右,其感知完全可以覆蓋桿塔任意重要部位。 (4)精確判斷。 毫米波雷達可以感應接近物距離,判斷接近物是否在預警范圍內。

本文將從3 個部分介紹多功能智能驅鳥裝置設計,毫米波雷達使用、硬件部分設計、軟件部分設計。毫米波雷達主要介紹其工作原理、測距算法實現。 硬件部分主要介紹毫米波雷達、音頻模塊、4G 模塊、超聲波模塊、驅鳥劑、電源控制器與主控板連接方式、數據輸入輸出方式。 軟件部分主要介紹軟件設計流程及輸電I1 報文擬定。

1 毫米波雷達

1.1 毫米波雷達簡介

毫米波[3]是一類使用短波長電磁波的特殊雷達技術。 雷達系統發射的電磁波信號被其發射路徑上的物體阻擋繼而會發生反射。 通過捕捉反射的信號,雷達系統可以確定物體的距離、速度和角度。 其工作頻率為 76~81 GHz(對應波長約為 4 mm),毫米波系統將能夠檢測小至零點幾毫米的移動。 完整的毫米波雷達系統包括發送(Tx)和接收(Rx)射頻(RF)組件,以及時鐘等模擬組件,還有模數轉換器(ADC)、微控制器(MCU)和數字信號處理器(DSP)等數字組件。

1.2 毫米波雷達測距算法

毫米波雷達測距主要與發射信號Tx 和接收信號Rx 之間存在差值信號IF signal 的頻率及脈沖調頻斜率持續時間有關。

毫米波雷達與接近物體之間有一定距離,雷達信號從發射到接收,由于距離產生了時間差t,雷達與接近物的距離為d,光速為c,兩者間距離與時間差及光速的關系為:

差值信號IF signal,其頻率f與時間差t的關系為:

其中,s為線性脈沖調頻斜率,該斜率與脈沖信號帶寬B和持續時間Tc的關系為:

綜上,雷達與接近物的距離d與差值信號IF signal頻率f之間的關系為:

2 多功能驅鳥裝置硬件設計

本文根據多功能驅鳥裝置特點,將硬件分為5 部分:主控部分、供電部分、感應部分、驅鳥部分、數據上傳部分。 主控部分使用STM32 系列單片機,該單片機具有超低功耗特點[4],其內核是Cortex-M3,該內核通過接口總線,掛載儲存器、外設、中斷等,共同組成一個MCU。 主控部分通過串口、I/O 口、SPI 口等與其余4 部分連接。

供電部分分為3 個模塊:(1)12 w單晶太陽能板,用于給驅鳥裝置充電。(2)12 V,10 A 平壓控制器,用于給鋰電池充電及給驅鳥裝置供電。 (3)12 V,12 AH 三元鋰電池,其用于電量儲存。

感應部分使用毫米波雷達,其作用是感知接近物和桿塔之間距離,通過SPI 口將距離數據傳送給主控模塊,由主控模塊判斷接近物是否在預警范圍內。

驅鳥部分分為3 個模塊:(1)超聲波模塊。 其作用是發出超聲波驅趕鳥類,主控模塊使用PWM 輸出到超聲波模塊,用于改變超聲波輸出頻率。 PWM 是脈沖寬度調制,是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。 (2)音頻模塊。 其作用是發出鳥類天敵的聲音驅趕鳥類。 音頻模塊有內部存貯空間,需要提前將曲目下載進入該模塊,主控模塊通過串口發送AT 指令至音頻模塊,控制音頻模塊播放、停止、切換曲目等。 (3)驅鳥劑模塊。 其作用是發出鳥類難以忍受的味道驅趕鳥類,主控模塊通過I/O口控制驅鳥劑模塊隔離板打開、關閉狀態。

數據上傳部分使用4G 模塊,感知并使用3 種手段驅趕鳥類后,主控模塊通過串口,將AT 指令發送至4G模塊,將驅鳥相關數據信息上傳至服務器。 硬件結構如圖1 所示。

圖1 硬件結構設計

3 多功能驅鳥裝置軟件設計

3.1 軟件概述

多功能驅鳥裝置嵌入式軟件在keil 平臺[5]完成,軟件整體設計思路:驅鳥裝置各模塊初始化,初始化完畢執行各模塊自檢,完成各模塊自檢,開啟定時器中斷以及雷達中斷,觸發定時器中斷即發送心跳包以及上拉上位機控制指令,觸發雷達中斷即啟動3 種驅鳥手段,隨即發送驅鳥包至上位機。 軟件分為4 個模塊:(1)軟件總體流程;(2)定時器中斷流程;(3)雷達中斷流程;(4)報文格式。

3.2 軟件總體流程

(1)看門狗啟動:設定看門狗喂狗時間,多功能驅鳥裝置采用獨立看門狗IWDG[6],由內部40 kHZ 低速時鐘驅動,分頻系數為8,獨立看門狗設定喂狗時間為8 192.2 ms。

(2)模塊初始化:初始化雷達模塊,電池adc 采樣I/0 口,初始化4G 模塊,設定上位機IP 地址等信息。

(3)模塊自檢:毫米波雷達模塊自測,如果該模塊不能完成自檢,串口打印錯誤碼0001。 音頻模塊自測,模塊正常即驅動音頻模塊發出3 s 聲音,如果該模塊不能完成自檢,串口打印錯誤碼0002。 超聲波模塊自測,模塊正常即驅動超聲波模塊發出3 s 超聲波,如果該模塊不能完成自檢,串口打印錯誤碼0003。 4G 模塊自測,如果模塊正常,上報心跳包或上報喇叭、超聲波報警信息,進入下一階段。 如果該模塊不能完成自檢,串口打印錯誤碼0004,進入下一階段。

(4)開啟無限循環,設定中斷:設定1 h 計時器,開啟定時器中斷,定時器中斷觸發,即發送心跳包,返回循環。 開啟雷達中斷,雷達中斷觸發,判斷鳥類是否在預警范圍內,如果在范圍內即觸發三種驅鳥手段,返回循環;如果不在范圍內,直接返回循環。 軟件總體流程如圖2 所示。

圖2 軟件總體流程

3.3 定時器中斷流程

定時器中斷觸發,檢查電池電量,當電池電量低于20%時,關閉4G 模塊,返回循環,不進行數據上報,進入滿功率充電狀態。 當電池電量超過20%低于50%,關閉雷達模塊,不進行驅鳥,進入半功率充電狀態。 當電池電量超過50%時,發送心跳包至服務器,并設定30 s 延時等待上位機回包,如果沒有回包就返回循環,如果有回包,串口打印1002,并解析服務器回包。如果解析到音量檔位是00/01/02/03,則設定音量為0%/30%/50%/100%,并且串口打印2000/2001/2002/2003。 如果解析到休眠檔位是01/02/03/04,設置休眠時間為2 h/4 h/6 h/8 h,并且串口打印2100/2101/2012/2103。 如果解析到心跳間隔檔位為01/02/03/04,設置心跳間隔5 min/10 min/30 min/60 min,串口打印2200/2201/2202/2203。如果解析到驅鳥時長檔位為01/02/03,設置音頻、超聲波時長30 s/45 s/60 s,串口打印2300/2301/2302。 如果解析到驅鳥劑打開時長檔位為01/02/03,設置驅鳥劑打開時長30 s/45 s/60 s,串口打印2400/2401/2402 最終返回循環。 定時器中斷流程如圖3 所示。

圖3 定時器中斷流程

3.4 雷達中斷流程

雷達中斷觸發,通過SPI 口讀取接近物距離值,將其與預警值進行對比,如果在預警值范圍內,即啟動超聲波模塊、音頻模塊、驅鳥劑模塊按照設定時間發出超聲波、音頻、驅鳥劑,串口打印1003 并且將驅鳥數據包發送至服務器,返回循環。 如果不在預警值范圍內,則不觸發驅鳥,返回循環。 雷達中斷流程如圖4 所示。

圖4 雷達中斷流程

3.5 報文格式

裝置報文完全參照輸電I1 接口規約要求格式編撰,其幀類型結構如表1 所示。 裝置報文有以下三種:(1)心跳格式;(2)驅鳥格式;(3)報警格式。

表1 幀類型結構

3.5.1 心跳格式

當定時中斷到了,即發送心跳包,心跳報文總共65 字節,高字節在后,低字節在前,組成如下:

報文頭固定2 字節0xA5,0x5A。

報文長度65,固定2 字節0x41,0x00。

設備id,17 字節,自定義。

幀類型固定字節0x09;在輸電I1 接口規約現行版C.8.1 幀類型表中0x09 代表工作狀態上報,由檢測裝置到上位機。

報文類型固定字節0xC1,在輸電I1 接口規約現行版C.8.2 報文類型表中0xC1 代表心跳數據上報。

幀序列號固定字節0x01,指監測裝置或者上級設備主動發送的報文的順序流水號。

報文內容有10 個參量:當前時間4 個字節,電池電壓4 個字節,工作溫度4 個字節,剩余電量4 個字節,浮充狀態1 個字節,工作總時間4 個字節,本次工作連續時間4 個字節,連接狀態1 個字節,當月接收流量4 個字節,通信協議版本號4 個字節。

校驗位兩字節,采用CRC16 校驗。

報文尾固定字節0x96,標識數據上報結束,以16進制整型值96 表示。

3.5.2 驅鳥格式

成功驅鳥后,向上位機發送驅鳥報文,總共32 字節,高字節在后,低字節在前,組成如下:

報文頭固定2 字節0xA5,0x5A。

報文長度32,固定2 字節0x20,0x00。

設備id,17 字節,自定義。

幀類型固定字節0x01;在輸電I1 接口規約現行版 C.8.1 幀類型表中0x01 代表檢測數據上報,由檢測裝置到上位機。

報文類型固定字節0x0D,在輸電I1 接口規約現行版C.8.2 報文類型表中0x0D 為新型數據報文預留字段,本文代表驅鳥上報。

幀序列號固定字節0x01,指監測裝置或者上級設備主動發送的報文的順序流水號。

報文內容有1 個參量:驅鳥上報2 個字節。

校驗位兩字節,采用CRC16 校驗。

報文尾固定字節0x96,標識數據上報結束,以16進制整型值96 表示。

3.5.3 報警格式

當裝置檢測雷達模塊,紅外模塊等外設異常,即發送報警報文,總共35 字節,高字節在后,低字節在前,組成如下:

報文頭固定2 字節0xA5,0x5A。

報文長度35,固定2 字節0x23,0x00。

設備id,17 字節,自定義。

幀類型固定字節0x09,在輸電I1 接口規約現行版C.8.1 幀類型表中0x01 代表工作狀態上報,由檢測裝置到上位機。

報文類型固定字節0xC2,在輸電I1 接口規約現行版C.8.2 報文類型表中0xC2 為故障類型上報。

幀序列號固定字節0x01,指監測裝置或者上級設備主動發送的報文的順序流水號。

裝置故障描述信息:紅外模塊故障碼2 字節,雷達模塊故障2 字節,音頻模塊故障2 字節,超聲波模塊故障2 字節。

校驗位兩字節,采用CRC16 校驗。

報文尾固定字節0x96,標識數據上報結束,以16進制整型值96 表示。

4 結語

基于毫米波雷達的多功能驅鳥裝置,現已安裝國網泰州供電公司、國網揚州供電公司的某些線路上,輸電線路上的鳥類大大減少,有效保障了輸電線路運維安全。 輸電I1 報文上報,便于接入國網內網,有效監測了驅鳥器狀態,對維護驅鳥裝置有積極意義。 當前裝置感知手段為毫米波雷達,在輸電線路上雖能精準感知到接近物,但不能判別接近物類別,下一步研究方向為,準確識別鳥類種類,有針對性驅鳥,做到輸電線路完全無鳥。