基于物联网的智能驱鸟系统设计

戴毓虎

（武汉工程科技学院，湖北 武汉 430200）

随着绿色发展的理念融入中国社会的方方面面，中国整体环境变好，电力系统内的变电站、开关站等区域的环境也吸引了鸟类等生物的休养生息。人与自然的和谐相处对维护生态平衡与生物多样性肯定是大好事，但对于电力安全来说，鸟类的回归也造成了电力鸟害的增多。上策是在不伤害鸟的同时把它们驱赶出电力杆塔等电力设施的安全空间，力保电力系统的安全生产、运输和分配。

在电力领域，电力杆塔的横搭是鸟类喜欢选择的栖息地，随着国内外特别是发展中国家电力事业的发展，电力鸟害给电力安全造成的财力和人身安全损失令人触目惊心。各国电力领域的研究人员都在积极探索一套有效的解决方案避免电力系统鸟害的发生[1]。

1 驱鸟系统总体设计

随着物联网技术的发展，无线传感网络得到了广泛应用，将物联网技术运用到驱鸟领域已经是一种趋势。结合物联网完成了一套全新的电力驱鸟解决方案，实现多种方式驱鸟的智能有效结合，既能保障电力驱鸟的可靠性，时效性、准确性及智能性方面也有保证。以下是系统解决的3 个重要问题。

探测鸟的到来。利用微波感应位移模块来探测鸟的到来，当其来临时，微波感应位移模块产生的电压值不同，接着经过放大和AD 转换为数字信号给ARM核心处理器，从而很快判定是否有鸟的到来。掌握鸟到来的判定值范围，能达到高效检测目的，取代以前传统的红外探测技术[2]。

高效驱鸟。采用多种不同声音、强光、宽频段的低频波交替刺激鸟，让鸟难以适应，自动离开，改变了以前那种单调、简单的声、光、波驱鸟方式，能有效驱鸟。

监控中心对驱鸟器工作状态的监控。杆塔上各个驱鸟器能通过高灵敏度的温湿度传感器、ZigBee 与GPRS 网络把各自的工作状态参数传送到监控中心，使监控中心能够及时、方便地掌握驱鸟器的工作状况。从而改变了以前那种管理中心对各个杆塔驱鸟情况完全不知情的盲目状态。

本文所设计的驱鸟系统不仅能及时、准确地探测出当前是否有鸟侵入，而且在探测出有鸟侵入时能以多种方式高效驱鸟。而在没有鸟时，整个系统将处于低功耗的休眠状态，能够节能降耗，延长太阳能电池板的使用时间；同时，将每个ARM 驱鸟器的工作状态通过ZigBee 与GPRS 通信网络传给监控中心，监控中心可以监控驱鸟器的工作状态，让工作人员熟知每个杆塔每天、每月乃至每年鸟侵入的次数，同时也能知道各个驱鸟装置是否还在正常工作。

系统总体结构示意如图1 所示。

图1 系统总体结构示意图

2 驱鸟器的设计

驱鸟器由ARM 核心控制器、探鸟单元、驱鸟单元、供电单元、外围电路、检测电路和ZigBee 终端节点组成。驱鸟器的探鸟单元完成杆塔附近是否有鸟侵入的检测，由微波移动物体探测器实现。驱鸟器的驱鸟单元完成对杆塔附近鸟的驱赶，由语音驱鸟、LED 驱鸟、超声波驱鸟3 个驱鸟功能组成。

本文采用了簇-链型树状ZigBee 技术网络[3]。簇-链型树状ZigBee 网络对系统完成驱鸟起到的作用有：①允许驱鸟通信网络的多跳，保证驱鸟终端与ZigBee路由节点双向通信的高可靠性；②使网络好组织、好管理，避免了一般常用模式下网络中断、数据丢失与延时情况，依据扫描情况，选择适合驱鸟系统的参数建立必要的网络。

整个系统由驱鸟终端上的ZigBee 收发模块、负责信号中继的ZigBee 路由节点、ZigBee 协调器和GPRS模块实现近距离与远距离无线传输，构建起全网通信。

通过ZigBee 与GPRS 通信网络构成双向无线网络，监控中心能实时接收到以下信息：①驱鸟终端所处环境的温湿度、光照等环境参数；②驱鸟终端工作时各驱鸟动作模块的电压电流等状态参数；③驱鸟终端采集到的系统数据库里没有的鸟情（例如鸟的图像、数量）。

根据环境参数和对应驱鸟终端设备状态参数来实施相应的控制，比如驱鸟终端设备的开关，光强度频率控制、声音等。

系统的硬件设计，包括驱鸟器终端硬件设计、ZigBee 节点硬件设计、GPRS 硬件设计。在驱鸟终端硬件设计中用到了S3C2440，ZigBee 节点硬件设计包括驱鸟终端上的ZigBee 收发模块、路由器ZigBee 节点和协调器ZigBee 节点。

3 驱鸟器的硬件实现

电力系统的驱鸟器均安装在杆塔的横担上，由于输电线路均为高压，没有低压的工频交流电可供转换使用，本文采用12 V 太阳能电池板加9 V 蓄电池组成的供电单元，实现对驱鸟器的供电。

本文驱鸟系统涉及到多种传感器数据，要想得到比较高的数据精确度，就可以利用多传感器信息融合，这样综合处理得到的传感模块信息比每个单一传感器得到的信息更多。一般可以理解为对来自多个传感器的原始信息加以智能化综合，从而导出新的有意义的信息，这种信息的价值比单一传感器所获得的信息要高得多，它有利于判决和决策。驱鸟终端的探鸟电路设计要完成的任务是探测杆塔驱鸟器周围是否有鸟侵入，探鸟单元由微波移动物体探测器与设计的放大电路组成。

在鸟入杆塔驱鸟器时，在接近探测器中，通常有一个高频率的LC 震荡电路，震荡电路的LC 回路通过导线连通到外部的金属部件上。当人体靠近时，通过空间的电磁耦合，会改变LC 回路的谐振频率，引起震荡频率改变，探测器的检测电路能够识别这种频率的改变而发出警示信号。

驱鸟终端在常规驱鸟动作驱赶不走鸟时就会进入根据特殊鸟情驱鸟模式，此模式的实现有赖于SD 卡存储的各种鸟类天敌的声音。

驱鸟终端进入特殊驱鸟模式时，通过以下3 种方式驱鸟：录放鸟类天敌的声音进行驱鸟、发出一定强度的闪烁的白光刺激鸟类、超声波驱鸟。3 种方式相互结合能有效地解决鸟类对环境的适应性问题从而实现驱鸟。

考虑到相关鸟类对光有一定的适应性，本文所设计的LED 频闪模块可以打破鸟类的这种光适应性，利用频闪的光驱赶它们。LED 发光二极管与二极管的特性几乎相同，LED 的伏安特性曲线类似指数函数曲线，在其导通后，正向导通电压的微小变动就能引起电流的很大波动。如果LED 的电流失控增加，长期在此状态下工作，会使LED 的可靠性降低、寿命大大的缩短，最终会造成LED 的损坏。因此，为了保证LED 工作在最合适的状态下，需要对LED 进行恒流的驱动，并在不同的电压和坏境干扰下控制输出电流恒定[4]。

驱鸟终端的温湿度模块负责完成驱鸟终端对杆塔环境中温度和湿度的检测。温湿传感模块的组成部分为核心CMOS 芯片、测湿元件、测温元件，与14 位的A/D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接。

4 驱鸟系统的通信设计

驱鸟系统的通信网络由ZigBee 与GPRS 网络组成，ZigBee 网络完成驱鸟器与ZigBee 协调器的数据传输，GPRS 网络完成ZigBee 协调器与监控中心的数据传输。组成驱鸟系统的主要通信有2 种：驱鸟终端与路由节点、协调器节点三者间的ZigBee 专网数传方式，协调器节点与监控中心的GPRS 通信方式。ZigBee 技术是短距离、适用性强的一种近距离通信技术，GPRS技术非常适用于间断的、频繁的、少量的数据传输。ZigBee 网络实现短距离的无线通信，GPRS 实现远程无线通信。无线数传技术的合理使用能够实现独立通信方式的优势互补，而且也能实现短处相互规避，最终实现组网的灵活性与扩展性增强、安全机制更加可靠与稳定。

整个驱鸟系统主要由驱鸟器的ZigBee 路由器节点、ZigBee 协调器节点、监控中心和GPRS 通信节点完成相互通信。4 个部分的通信构建分析如下。

驱鸟器的ZigBee 路由器节点：主要作为ZigBee网络拓扑中的中转部分，是终端节点和协调器节点数据通信的纽带。

ZigBee 协调器节点：主要负责整理各个路由节点发送来的数据，并在协调器模块上将信号通过GPRS网络与监控中心通信，同时监控中心也可以通过GPRS移动通信网络向协调器节点发送信息。

监控中心：根据ZigBee 节点采集发送过来的数据，上位机软件上可以实时监控显示出相关参数并进行分析，并保存下来为后续定期的统计规律积累数据。驱鸟终端要完成数据采集鸟情和环境参数，实时发送至监控中心。驱鸟终端对可以驱赶的鸟情自动采取相应驱鸟动作。遇到无法驱赶的鸟情，驱鸟终端经过ZigBee节点把所采集到的数据传送到路由节点。

GPRS 通信节点：整个无线网络采用ZigBee 近距离传输网络和GPRS 远程传输网络2 层网络，整个结构由驱鸟终端节点、路由节点、协调器节点、监控中心以及GPRS 网关等部分组成。远端由GPRS 远程传输网络实现数据传输，近端由簇-链型树状ZigBee 网络拓扑结构完成网络中各节点数据的路由、转发。ZigBee网络与GPRS 网络的数据通信与交换又协调器实现两者的连接。监控中心的控制命令通过GPRS 网络传输到协调器节点再通过路由节点转发至终点节点来完成监控中心对去驱鸟终端节点的控制。同时路由节点也会把终端节点采集到的驱鸟终端设备的工作状态信息转发至协调器节点，然后通过协调器节点与GPRS 网关的通信发送至监控中心，实现对驱鸟终端设备的远距离控制和状态的监测。

5 通信的硬件实现

通信网络中ZigBee 节点指ZigBee 路由器节点和ZigBee 协调器节点。结合实际工作环境、成本、数据传输的特点，在无线射频通信模块中选择了CC2530芯片作为ZigBee 片上系统解决方案。CC2530 的内核为单周期8051 兼容内核，还集成了RF 收发器、32/64/128KB SRAM 等高性能模块，它支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee 协议，并内置了ZigBee 协议栈，加上引人称赞的超低功耗，使得它可以用很低的费用构成ZigBee 节点[5]。

CC2530 芯片的几个电源引脚都需要供电，驱鸟器供电单元提供的3.3 V 的电源需经过LC 滤波电路消除直流电路中的交流干扰信号。LC 滤波电路中，电感将大多数交流部分转换成磁能和热能，电容则将剩余的交流部分旁路到地，两者共同抑制交流干扰，得到较纯净的直流电源。直流电源会经过各级电容滤波，同时也按照不同的上电顺序给CC2530 供电，减少因上电顺序问题而导致的器件损坏。由于作为协调器和路由器长期都处在接收和发送数据的过程中，需要电源设备进行供电。电源方案采用的是DC/DC 芯片TPS79533 方案，是主流市场上常用的电源稳压芯片，系统输入电压为5 V，通过TPS79533 可以输出3.3 V，用于CC2530 正常工作时的电压供应。

6 结束语

“互联网+”的理念已经被很多人所接受，物联网在中国有了广泛应用。在百年未有之大变局下，能源安全至关重要，电力事业的发展显得更加重要。物联网在电力驱鸟方面的应用，能更好地保障电力系统的安全稳定运行。

基于物联网的智能驱鸟系统在电力领域的意义重大，未来会有很大的发展空间，本文提出的一套比较完整可行的驱鸟系统解决方案，能够有效实现驱鸟系统的无线控制功能。