劉玉芬,郭志雄,陳裕通

(1.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣州 510800;2.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空港管理學(xué)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(duì)飛行的渴望并最終實(shí)現(xiàn)了飛行的愿望。然而需要與鳥類共享一片天空，這就必然會(huì)發(fā)生矛盾——鳥擊(或稱鳥撞)[1]。從人類開始進(jìn)行飛行活動(dòng)，鳥類對(duì)飛行就是一種潛在的危機(jī)，但這卻又不是唯一的，除此之外還有會(huì)闖入到跑道上的動(dòng)物也會(huì)對(duì)飛行活動(dòng)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(jī)以較低的速度飛行，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲比較大，鳥類較早就能察覺到飛機(jī)并躲避飛機(jī)，鳥撞飛機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)現(xiàn)在比較小，從而對(duì)飛機(jī)造成的損害一般也就只限于打壞風(fēng)擋、前緣上撞出凹痕，或者偶爾使機(jī)身受到損壞?？梢娫陲w機(jī)發(fā)展的早期鳥撞只是飛行中的一般危害。隨著新一代渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的研制應(yīng)用，飛機(jī)飛行的速度加快了，發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音降低了，鳥類察覺和躲避飛機(jī)的機(jī)會(huì)大大減小，鳥撞變得越來越頻繁，造成的損害越來越嚴(yán)重，特別是飛機(jī)風(fēng)擋玻璃、發(fā)動(dòng)機(jī)及雷達(dá)罩部位的撞擊率尤為突出，如圖1所示[2]。

圖1 飛機(jī)鳥撞情形

根據(jù)2017年中國民用航空局公布了近6年的鳥撞數(shù)據(jù)顯示，2007～2016年的鳥撞事故征候次數(shù)雖然保持在一個(gè)相對(duì)較低的水平，但在平穩(wěn)中亦有增長，而鳥撞的次數(shù)則在不斷地增加且增長的速度更是呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢[3]。

在航空事業(yè)不斷發(fā)展的背景下，航空安全已成為人類關(guān)注的重點(diǎn)。根據(jù)航空公司里的大部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得知，絕大多數(shù)的航空災(zāi)難是在飛機(jī)降落與起飛的時(shí)候發(fā)生的，這種類型的航空災(zāi)難之所以發(fā)生的原因就在于鳥類在高速飛行時(shí)和飛行器發(fā)生相撞[4]。由此可見，不管是從鳥擊對(duì)飛行器安全飛行威脅程度，還是從其發(fā)展趨勢來看，防止鳥擊事件發(fā)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(fā)生，也就是要做到“高效驅(qū)鳥”。要實(shí)現(xiàn)“高效驅(qū)鳥”，必須實(shí)現(xiàn)驅(qū)鳥設(shè)備的智能化、自動(dòng)化減少因?yàn)轼B類適應(yīng)性引起的鳥擊事件，提高驅(qū)鳥效果。在眾多驅(qū)鳥設(shè)備中僅有攔鳥網(wǎng)在傳統(tǒng)的操作中都是依仗機(jī)場場務(wù)人員手動(dòng)張網(wǎng)和收網(wǎng)，其他設(shè)備是可以設(shè)定時(shí)間定時(shí)啟動(dòng)的。為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)鳥設(shè)備的智能化，解決攔鳥網(wǎng)自動(dòng)布網(wǎng)是亟需解決的課題。機(jī)場智能驅(qū)鳥系統(tǒng)中的自動(dòng)化攔鳥網(wǎng)用智能控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動(dòng)操作，不僅提高了攔鳥網(wǎng)工作的效率，降低了機(jī)場場務(wù)人員的工作壓力，更好的實(shí)現(xiàn)了智能化驅(qū)鳥的目標(biāo)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

所研制的機(jī)場驅(qū)鳥聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)主要由信息采集控制的終端節(jié)點(diǎn)模塊、路由節(jié)點(diǎn)傳輸模塊、網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程傳輸基站模塊、服務(wù)監(jiān)控中心以及聯(lián)動(dòng)驅(qū)鳥設(shè)備五部分組成，其中聯(lián)動(dòng)驅(qū)鳥設(shè)備包括煤氣炮、鈦雷炮、攔鳥網(wǎng)、二踢腳、語音驅(qū)動(dòng)器等。系統(tǒng)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(shù)構(gòu)成自組網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)場區(qū)域無盲點(diǎn)全覆蓋。驅(qū)鳥設(shè)備按照各自功能效果特性及機(jī)場地理位置按層次分布，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)場的高效驅(qū)鳥。各驅(qū)鳥設(shè)備的狀態(tài)通過終端節(jié)點(diǎn)模塊采集設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，然后通過ZigBee短距離傳播技術(shù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理解析后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控中心。同時(shí)監(jiān)控中心對(duì)驅(qū)鳥設(shè)備發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，先通過GPRS傳送到網(wǎng)關(guān)模塊處理分析后經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)送達(dá)終端節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)驅(qū)鳥設(shè)備。

圖2 系統(tǒng)總體組成框圖

終端節(jié)點(diǎn)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(gè)模塊會(huì)組成一個(gè)小盒子嵌入到設(shè)備裝置里面與設(shè)備進(jìn)行協(xié)同工作。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測設(shè)備，將采集到信號(hào)傳入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊并得到數(shù)字信號(hào)。處理器模塊接收到數(shù)字信號(hào)后便對(duì)其進(jìn)行處理，包括能量計(jì)算、任務(wù)調(diào)度、設(shè)備控制以及功能協(xié)調(diào)等操作。無線通信模塊則負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)(路由節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān))進(jìn)行通信，并最終實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與各終端節(jié)點(diǎn)的正常通信。

圖3 系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括星型拓?fù)?、樹型拓?fù)湟约熬W(wǎng)狀型拓?fù)鋄4]，根據(jù)機(jī)場場內(nèi)的大部分驅(qū)鳥設(shè)備都布設(shè)在飛機(jī)跑道兩側(cè)的情況，提出了利用若干個(gè)星型拓?fù)鋪斫M建網(wǎng)狀拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)形式，在實(shí)際的機(jī)場跑道兩側(cè)上每大約100米就布設(shè)一個(gè)驅(qū)鳥設(shè)備，而在鳥撞事件多發(fā)區(qū)域如飛機(jī)起飛與降落點(diǎn)則更是會(huì)縮小到50米左右布設(shè)一個(gè)，如圖4所示。

圖4 組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的示意圖

同時(shí)以STM32為核心處理器并結(jié)合CC2530、CC2591以及GPRS模塊構(gòu)建驅(qū)鳥智能系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)。最終實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(GPRS)與Zigbee網(wǎng)絡(luò)的混合方式進(jìn)行組網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)有效覆蓋整個(gè)機(jī)場區(qū)域的目的。在網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域內(nèi)，只需要將煤氣炮、鈦雷炮、二踢腳、攔鳥網(wǎng)、攝像頭及語音驅(qū)鳥器等驅(qū)鳥設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)鳥情狀況、設(shè)備狀態(tài)的信息查詢以及相關(guān)控制命令的發(fā)送等功能。

2 自動(dòng)化攔鳥網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

攔鳥網(wǎng)的作用是用于攔截低空飛行的鳥類到達(dá)跑道區(qū)域，而非以捕捉跑道兩側(cè)的鳥類為主要目的，其一般由網(wǎng)面、支撐桿及緊固栓繩等構(gòu)成。通常情況下，攔鳥網(wǎng)的設(shè)置應(yīng)兼具攔截與警示鳥類的功能，為此，網(wǎng)面和支撐桿應(yīng)選用與環(huán)境具有明顯差異的顏色，如紅色或橙色。具有警示效果的網(wǎng)具不僅利于場務(wù)人員巡視，更具有升降帶內(nèi)障礙物標(biāo)示的效果。但是場內(nèi)現(xiàn)有的攔鳥網(wǎng)基本采用了人工布網(wǎng)的方式，難以實(shí)現(xiàn)與其它設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，因此需要對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造以實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化的控制。

2.1 自動(dòng)化攔鳥網(wǎng)設(shè)計(jì)

攔鳥網(wǎng)中的電機(jī)使用了57HS22，該電機(jī)為2相4線的57步進(jìn)電機(jī)[5]，能夠滿足輕量級(jí)的攔鳥網(wǎng)張網(wǎng)要求。電機(jī)在預(yù)定的軌道上正反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)攔鳥網(wǎng)的張網(wǎng)和收網(wǎng)，其設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 自動(dòng)化攔鳥網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

由于在軌道上加裝了限位開關(guān)，因此可獲取攔鳥網(wǎng)的工作狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)及停轉(zhuǎn)的合理控制。此外，軌道布設(shè)決定了攔鳥網(wǎng)的效率，因此在布設(shè)時(shí)應(yīng)盡量避免呆板的“一”字形的排序，可在某些區(qū)域有意地進(jìn)行部分前后交叉。需特別注意的是，在鳥類活動(dòng)較多的地帶及飛機(jī)著落、起飛拉升點(diǎn)兩側(cè)應(yīng)重點(diǎn)架設(shè)攔鳥網(wǎng)以加大對(duì)這些敏感區(qū)域的防治力度。

2.1.1 電機(jī)控制設(shè)計(jì)

電機(jī)控制使用了TB6600進(jìn)行控制，其連接線路如圖6所示。TB6600是一款專業(yè)的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。在驅(qū)動(dòng)器上有3位撥碼開關(guān)，能夠選擇7檔的細(xì)分控制(1，2/A，2/B，4，8，16，32)，另外三位撥碼開關(guān)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(qū)動(dòng)57、42型兩相、四相混合式步進(jìn)電機(jī)[6]。

圖6 TB6600連接圖

TB6600驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)端有三路，分別是步進(jìn)脈沖信號(hào)PUL+、PUL-，方向電平信號(hào)DIR+、DIR-，脫機(jī)信號(hào)EN+、EN-。設(shè)計(jì)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(hào)通過DIR-接入。當(dāng)PUL-接收到脈沖時(shí)工作，高電平有效，無脈沖鎖定電機(jī)并自動(dòng)半流，DIR-高電平輸入為正轉(zhuǎn)，低電平輸入時(shí)為反轉(zhuǎn)。相關(guān)代碼如下：

void loop()

{

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

{

if(KeyScan12())

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

else if(KeyScan34())

StepperMotor(false, false, 3200);//反轉(zhuǎn)

else

StepperMotor(false, false, 0);//停轉(zhuǎn)

}

else

StepperMotor(false, true, 0);//電機(jī)停轉(zhuǎn)

}

2.1.2 傳感器選擇

限位開關(guān)的選擇，考慮到使用環(huán)境是戶外，并且是沒有遮擋空曠的機(jī)場環(huán)境，在選擇限位開關(guān)時(shí)要考慮環(huán)境對(duì)限位開關(guān)影響的因素，需要把使用溫度，使用濕度，觸發(fā)的條件考慮進(jìn)去。同時(shí)在比較惡劣的環(huán)境下，接觸式的限位開關(guān)比非接觸式的限位開關(guān)在機(jī)械運(yùn)行中更加直觀。因此確定了在機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)的部件上安裝限位開關(guān)，其對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡的固定點(diǎn)安裝極限位置的擋板，當(dāng)限位開關(guān)的機(jī)械出頭碰到擋板時(shí)候，反饋一個(gè)信號(hào)到控制器中，對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行改變。

在機(jī)場這樣的環(huán)境下使用的限位開關(guān)選擇時(shí)觸發(fā)的靈敏度不能太高，如果一陣風(fēng)吹過就能觸發(fā)的更是不能考慮。

根據(jù)伯努利方程得出的風(fēng)-壓關(guān)系，風(fēng)的動(dòng)壓為:

wp= 0.5*r0*v2

(1)

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

把預(yù)設(shè)環(huán)境定位最惡劣，也就是說保證限位開關(guān)在最高風(fēng)速下也不會(huì)誤觸發(fā)，也就是12級(jí)颶風(fēng)的環(huán)境下限位開關(guān)也不會(huì)出現(xiàn)誤觸發(fā)情況。由于空氣密度(r0)和重度(r)的關(guān)系為r=r0*g，代入式(1)得到：

wp= 0.5*r*v2/g

(2)

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)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(fēng)速目前沒有出現(xiàn)超過100 m/s的颶風(fēng)，得到wp≈6.25 kN/m2，限位開關(guān)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(guān)時(shí)使用環(huán)境符合-10～80℃，使用濕度符合≤95%RH，動(dòng)作力(為了從自有位置移到工作位置所必須給驅(qū)動(dòng)桿施加的力)要大于0.6 N，同時(shí)限位開關(guān)要求能防水，本設(shè)計(jì)選擇了歐姆龍的HL-5030型號(hào)的限位開關(guān)，外形圖如圖7所示。在攔鳥網(wǎng)的桿上安裝限位開關(guān)可以用來檢測網(wǎng)是否已正常展開，從而讓場務(wù)人員能夠清楚地了解各攔鳥網(wǎng)的實(shí)際情況。特別是在惡劣天氣，經(jīng)常會(huì)有攔鳥網(wǎng)被大風(fēng)刮至跑道的情況，為此設(shè)計(jì)中增加了限位開關(guān)以達(dá)到監(jiān)測攔鳥網(wǎng)狀態(tài)的目的。除此之外，限位開關(guān)在攔鳥網(wǎng)自動(dòng)布網(wǎng)的過程中起到定位的作用，也就是依仗限位開關(guān)給予信號(hào)，使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖7 限位開關(guān)外形

限位開關(guān)與CC2530的連接電路如圖8所示，圖中SW即為限位開關(guān)，P2.1是CC2530的一個(gè)引腳。當(dāng)布網(wǎng)或收網(wǎng)時(shí)會(huì)觸碰SW微動(dòng)開關(guān)，從而使P2.1引腳從原來的高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

圖8 限位開關(guān)檢測電路

由于限位開關(guān)與大多數(shù)的機(jī)械按鍵一樣，在開關(guān)按下的時(shí)候并不會(huì)馬上從原來的高電平變?yōu)榈碗娖?，而是如圖9所示有一個(gè)抖動(dòng)的過程，因此CC2530在檢測限位開關(guān)是否按下時(shí)需在第一次檢測到有按下按鍵時(shí)延遲一定時(shí)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(guān)機(jī)械特性

2.2 自動(dòng)化攔鳥網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)化攔鳥網(wǎng)的位置需要限位開關(guān)確定，所以在攔鳥網(wǎng)控制中，限位開關(guān)很重要，下面是限位開關(guān)檢測流程圖，如圖10所示。

圖10 限位開關(guān)檢測流程圖

限位開關(guān)S1配置如下：

P0SEL & = ～0X02; //設(shè)置P01為普通IO口

P0DIR &= ～0X02; //按鍵在P01口，設(shè)置為輸入模式

P0INP &= ～0x02; //打開P01上拉電阻,不影響

檢測相關(guān)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(guān)按下

}

……

}

return 0; //無開關(guān)按下

}

自動(dòng)化攔鳥網(wǎng)的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)及硬件搭建好后需對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的程序設(shè)計(jì)，其程序流程圖如圖11所示。

圖11 TB6600連接圖

CC2530上電后首先對(duì)其外設(shè)進(jìn)行初始化，然后搜索Zigbee網(wǎng)絡(luò)。若發(fā)現(xiàn)有Zigbee網(wǎng)絡(luò)則發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的申請(qǐng)并等待請(qǐng)求響應(yīng)，如允許加入網(wǎng)絡(luò)，則終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送綁定請(qǐng)求申請(qǐng)并等待路由節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的綁定響應(yīng)。成功入網(wǎng)后CC2530就進(jìn)入任務(wù)執(zhí)行的循環(huán)，若無觸發(fā)命令就每隔一段時(shí)間檢查限位開關(guān)是否有被按下，同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行電量檢測并上傳數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器。若有觸發(fā)命令，則自動(dòng)化攔鳥網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)就會(huì)判斷是命令類型，然后根據(jù)命令對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)的控制。兩個(gè)電機(jī)開啟后CC2530會(huì)每隔一段時(shí)間判斷限位開關(guān)是否有被按下，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化布網(wǎng)的功能。

3 實(shí)驗(yàn)測試

由于外場的驅(qū)鳥設(shè)備與服務(wù)器間有一定的連接距離，因此必須進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制測試以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。

3.1 設(shè)備通信測試

當(dāng)USB線與下位機(jī)連接好后，在主界面通過串口連接功能實(shí)現(xiàn)軟件上的連接。開啟相應(yīng)的設(shè)備后，可在串口打印窗口觀察到發(fā)送命令數(shù)據(jù)，這表明串口已正常工作，并且能與下位機(jī)通信，當(dāng)USB與下位機(jī)斷開連接后，在軟件上無法實(shí)現(xiàn)軟件連接，這符合預(yù)期。

3.2 設(shè)備控制測試

攔鳥網(wǎng)的控制界面如圖12所示，其圖標(biāo)上方的兩個(gè)指示燈分別表示攔鳥網(wǎng)左右兩個(gè)支架的狀態(tài)：燈亮表示立桿到達(dá)兩端，燈滅表示收網(wǎng)，閃爍表示支架正在展開或收緊。攔鳥網(wǎng)控制模塊關(guān)機(jī)時(shí)，設(shè)備狀態(tài)為“關(guān)閉”，攔鳥網(wǎng)圖標(biāo)為灰色；控制模塊開機(jī)時(shí)，攔鳥網(wǎng)圖標(biāo)為黃色。點(diǎn)擊“刷新”按鍵，獲取攔鳥網(wǎng)的工作狀態(tài)；點(diǎn)擊“立網(wǎng)”和“放網(wǎng)”按鍵可控制攔鳥網(wǎng)立起和放下；點(diǎn)擊“總停”按鍵，其旁邊的指示燈亮或滅，表示攔鳥網(wǎng)總停或沒有總停。由測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了攔鳥網(wǎng)的遠(yuǎn)程收放控制功能。

圖12 攔鳥網(wǎng)控制界面

4 結(jié)束語

針對(duì)機(jī)場特殊環(huán)境設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)場驅(qū)鳥聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)方案，并在此基礎(chǔ)上解決了現(xiàn)有攔鳥網(wǎng)需由場務(wù)人員進(jìn)行人工布設(shè)的問題，實(shí)現(xiàn)了機(jī)場場內(nèi)所有驅(qū)鳥設(shè)備的自動(dòng)化目的。針對(duì)自動(dòng)化攔鳥網(wǎng)，對(duì)其硬件與軟件作了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了攔鳥網(wǎng)的自動(dòng)化布設(shè)功能，為機(jī)場場內(nèi)驅(qū)鳥設(shè)備聯(lián)網(wǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。