基于毫米波雷达的多功能驱鸟装置设计

顾 浩,曹永忠

(扬州大学 信息工程学院,江苏 扬州 225127)

0 引言

人类保护环境意识增强,鸟类数量和种群急剧增加[1],我国输电线路因鸟害造成损失极大。 有针对性使用驱鸟措施,对维护输电线路安全有积极作用。 针对输电线路鸟害,国内常用的驱鸟手段[2]有3 种:(1)防鸟刺:构造简单,便于安装,用于防止鸟类筑巢。 (2)语音喇叭驱鸟器:固定时间语音驱赶鸟类,初期效果明显,性价比高,适用范围广。 (3)挡鸟板:用于防止鸟粪在挡板范围内落下污染绝缘子串。 这几种驱鸟方式用途单一,鸟类极易适应,驱鸟效果不明显,其中一些物理驱鸟装置维护成本极高。

针对上述问题,本文提出了基于毫米波雷达的多功能驱鸟装置,其特点有:(1)多重驱鸟手段。 通过随机语音、变频超声波、驱鸟剂三重手段驱赶鸟类,鸟类不易适应。 (2)便于安装维护。 多功能驱鸟装置一般安于杆塔第一级横担上,易安装、维护。 (3)感知范围广。 毫米波雷达感知范围在150 m 左右,其感知完全可以覆盖杆塔任意重要部位。 (4)精确判断。 毫米波雷达可以感应接近物距离,判断接近物是否在预警范围内。

本文将从3 个部分介绍多功能智能驱鸟装置设计,毫米波雷达使用、硬件部分设计、软件部分设计。毫米波雷达主要介绍其工作原理、测距算法实现。 硬件部分主要介绍毫米波雷达、音频模块、4G 模块、超声波模块、驱鸟剂、电源控制器与主控板连接方式、数据输入输出方式。 软件部分主要介绍软件设计流程及输电I1 报文拟定。

1 毫米波雷达

1.1 毫米波雷达简介

毫米波[3]是一类使用短波长电磁波的特殊雷达技术。 雷达系统发射的电磁波信号被其发射路径上的物体阻挡继而会发生反射。 通过捕捉反射的信号,雷达系统可以确定物体的距离、速度和角度。 其工作频率为 76~81 GHz(对应波长约为 4 mm),毫米波系统将能够检测小至零点几毫米的移动。 完整的毫米波雷达系统包括发送(Tx)和接收(Rx)射频(RF)组件,以及时钟等模拟组件,还有模数转换器(ADC)、微控制器(MCU)和数字信号处理器(DSP)等数字组件。

1.2 毫米波雷达测距算法

毫米波雷达测距主要与发射信号Tx 和接收信号Rx 之间存在差值信号IF signal 的频率及脉冲调频斜率持续时间有关。

毫米波雷达与接近物体之间有一定距离,雷达信号从发射到接收,由于距离产生了时间差t,雷达与接近物的距离为d,光速为c,两者间距离与时间差及光速的关系为:

差值信号IF signal,其频率f与时间差t的关系为:

其中,s为线性脉冲调频斜率,该斜率与脉冲信号带宽B和持续时间Tc的关系为:

综上,雷达与接近物的距离d与差值信号IF signal频率f之间的关系为:

2 多功能驱鸟装置硬件设计

本文根据多功能驱鸟装置特点,将硬件分为5 部分:主控部分、供电部分、感应部分、驱鸟部分、数据上传部分。 主控部分使用STM32 系列单片机,该单片机具有超低功耗特点[4],其内核是Cortex-M3,该内核通过接口总线,挂载储存器、外设、中断等,共同组成一个MCU。 主控部分通过串口、I/O 口、SPI 口等与其余4 部分连接。

供电部分分为3 个模块:(1)12 w单晶太阳能板,用于给驱鸟装置充电。(2)12 V,10 A 平压控制器,用于给锂电池充电及给驱鸟装置供电。 (3)12 V,12 AH 三元锂电池,其用于电量储存。

感应部分使用毫米波雷达,其作用是感知接近物和杆塔之间距离,通过SPI 口将距离数据传送给主控模块,由主控模块判断接近物是否在预警范围内。

驱鸟部分分为3 个模块:(1)超声波模块。 其作用是发出超声波驱赶鸟类,主控模块使用PWM 输出到超声波模块,用于改变超声波输出频率。 PWM 是脉冲宽度调制,是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 (2)音频模块。 其作用是发出鸟类天敌的声音驱赶鸟类。 音频模块有内部存贮空间,需要提前将曲目下载进入该模块,主控模块通过串口发送AT 指令至音频模块,控制音频模块播放、停止、切换曲目等。 (3)驱鸟剂模块。 其作用是发出鸟类难以忍受的味道驱赶鸟类,主控模块通过I/O口控制驱鸟剂模块隔离板打开、关闭状态。

数据上传部分使用4G 模块,感知并使用3 种手段驱赶鸟类后,主控模块通过串口,将AT 指令发送至4G模块,将驱鸟相关数据信息上传至服务器。 硬件结构如图1 所示。

图1 硬件结构设计

3 多功能驱鸟装置软件设计

3.1 软件概述

多功能驱鸟装置嵌入式软件在keil 平台[5]完成,软件整体设计思路:驱鸟装置各模块初始化,初始化完毕执行各模块自检,完成各模块自检,开启定时器中断以及雷达中断,触发定时器中断即发送心跳包以及上拉上位机控制指令,触发雷达中断即启动3 种驱鸟手段,随即发送驱鸟包至上位机。 软件分为4 个模块:(1)软件总体流程;(2)定时器中断流程;(3)雷达中断流程;(4)报文格式。

3.2 软件总体流程

(1)看门狗启动:设定看门狗喂狗时间,多功能驱鸟装置采用独立看门狗IWDG[6],由内部40 kHZ 低速时钟驱动,分频系数为8,独立看门狗设定喂狗时间为8 192.2 ms。

(2)模块初始化:初始化雷达模块,电池adc 采样I/0 口,初始化4G 模块,设定上位机IP 地址等信息。

(3)模块自检:毫米波雷达模块自测,如果该模块不能完成自检,串口打印错误码0001。 音频模块自测,模块正常即驱动音频模块发出3 s 声音,如果该模块不能完成自检,串口打印错误码0002。 超声波模块自测,模块正常即驱动超声波模块发出3 s 超声波,如果该模块不能完成自检,串口打印错误码0003。 4G 模块自测,如果模块正常,上报心跳包或上报喇叭、超声波报警信息,进入下一阶段。 如果该模块不能完成自检,串口打印错误码0004,进入下一阶段。

(4)开启无限循环,设定中断:设定1 h 计时器,开启定时器中断,定时器中断触发,即发送心跳包,返回循环。 开启雷达中断,雷达中断触发,判断鸟类是否在预警范围内,如果在范围内即触发三种驱鸟手段,返回循环;如果不在范围内,直接返回循环。 软件总体流程如图2 所示。

图2 软件总体流程

3.3 定时器中断流程

定时器中断触发,检查电池电量,当电池电量低于20%时,关闭4G 模块,返回循环,不进行数据上报,进入满功率充电状态。 当电池电量超过20%低于50%,关闭雷达模块,不进行驱鸟,进入半功率充电状态。 当电池电量超过50%时,发送心跳包至服务器,并设定30 s 延时等待上位机回包,如果没有回包就返回循环,如果有回包,串口打印1002,并解析服务器回包。如果解析到音量档位是00/01/02/03,则设定音量为0%/30%/50%/100%,并且串口打印2000/2001/2002/2003。 如果解析到休眠档位是01/02/03/04,设置休眠时间为2 h/4 h/6 h/8 h,并且串口打印2100/2101/2012/2103。 如果解析到心跳间隔档位为01/02/03/04,设置心跳间隔5 min/10 min/30 min/60 min,串口打印2200/2201/2202/2203。如果解析到驱鸟时长档位为01/02/03,设置音频、超声波时长30 s/45 s/60 s,串口打印2300/2301/2302。 如果解析到驱鸟剂打开时长档位为01/02/03,设置驱鸟剂打开时长30 s/45 s/60 s,串口打印2400/2401/2402 最终返回循环。 定时器中断流程如图3 所示。

图3 定时器中断流程

3.4 雷达中断流程

雷达中断触发,通过SPI 口读取接近物距离值,将其与预警值进行对比,如果在预警值范围内,即启动超声波模块、音频模块、驱鸟剂模块按照设定时间发出超声波、音频、驱鸟剂,串口打印1003 并且将驱鸟数据包发送至服务器,返回循环。 如果不在预警值范围内,则不触发驱鸟,返回循环。 雷达中断流程如图4 所示。

图4 雷达中断流程

3.5 报文格式

装置报文完全参照输电I1 接口规约要求格式编撰,其帧类型结构如表1 所示。 装置报文有以下三种:(1)心跳格式;(2)驱鸟格式;(3)报警格式。

表1 帧类型结构

3.5.1 心跳格式

当定时中断到了,即发送心跳包,心跳报文总共65 字节,高字节在后,低字节在前,组成如下:

报文头固定2 字节0xA5,0x5A。

报文长度65,固定2 字节0x41,0x00。

设备id,17 字节,自定义。

帧类型固定字节0x09;在输电I1 接口规约现行版C.8.1 帧类型表中0x09 代表工作状态上报,由检测装置到上位机。

报文类型固定字节0xC1,在输电I1 接口规约现行版C.8.2 报文类型表中0xC1 代表心跳数据上报。

帧序列号固定字节0x01,指监测装置或者上级设备主动发送的报文的顺序流水号。

报文内容有10 个参量:当前时间4 个字节,电池电压4 个字节,工作温度4 个字节,剩余电量4 个字节,浮充状态1 个字节,工作总时间4 个字节,本次工作连续时间4 个字节,连接状态1 个字节,当月接收流量4 个字节,通信协议版本号4 个字节。

校验位两字节,采用CRC16 校验。

报文尾固定字节0x96,标识数据上报结束,以16进制整型值96 表示。

3.5.2 驱鸟格式

成功驱鸟后,向上位机发送驱鸟报文,总共32 字节,高字节在后,低字节在前,组成如下:

报文头固定2 字节0xA5,0x5A。

报文长度32,固定2 字节0x20,0x00。

设备id,17 字节,自定义。

帧类型固定字节0x01;在输电I1 接口规约现行版 C.8.1 帧类型表中0x01 代表检测数据上报,由检测装置到上位机。

报文类型固定字节0x0D,在输电I1 接口规约现行版C.8.2 报文类型表中0x0D 为新型数据报文预留字段,本文代表驱鸟上报。

帧序列号固定字节0x01,指监测装置或者上级设备主动发送的报文的顺序流水号。

报文内容有1 个参量:驱鸟上报2 个字节。

校验位两字节,采用CRC16 校验。

报文尾固定字节0x96,标识数据上报结束,以16进制整型值96 表示。

3.5.3 报警格式

当装置检测雷达模块,红外模块等外设异常,即发送报警报文,总共35 字节,高字节在后,低字节在前,组成如下:

报文头固定2 字节0xA5,0x5A。

报文长度35,固定2 字节0x23,0x00。

设备id,17 字节,自定义。

帧类型固定字节0x09,在输电I1 接口规约现行版C.8.1 帧类型表中0x01 代表工作状态上报,由检测装置到上位机。

报文类型固定字节0xC2,在输电I1 接口规约现行版C.8.2 报文类型表中0xC2 为故障类型上报。

帧序列号固定字节0x01,指监测装置或者上级设备主动发送的报文的顺序流水号。

装置故障描述信息:红外模块故障码2 字节,雷达模块故障2 字节,音频模块故障2 字节,超声波模块故障2 字节。

校验位两字节,采用CRC16 校验。

报文尾固定字节0x96,标识数据上报结束,以16进制整型值96 表示。

4 结语

基于毫米波雷达的多功能驱鸟装置,现已安装国网泰州供电公司、国网扬州供电公司的某些线路上,输电线路上的鸟类大大减少,有效保障了输电线路运维安全。 输电I1 报文上报,便于接入国网内网,有效监测了驱鸟器状态,对维护驱鸟装置有积极意义。 当前装置感知手段为毫米波雷达,在输电线路上虽能精准感知到接近物,但不能判别接近物类别,下一步研究方向为,准确识别鸟类种类,有针对性驱鸟,做到输电线路完全无鸟。