基于毫米波雷達(dá)的多功能驅(qū)鳥裝置設(shè)計(jì)

顧 浩,曹永忠

(揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

人類保護(hù)環(huán)境意識(shí)增強(qiáng),鳥類數(shù)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(duì)性使用驅(qū)鳥措施,對(duì)維護(hù)輸電線路安全有積極作用。 針對(duì)輸電線路鳥害,國內(nèi)常用的驅(qū)鳥手段[2]有3 種:(1)防鳥刺:構(gòu)造簡單,便于安裝,用于防止鳥類筑巢。 (2)語音喇叭驅(qū)鳥器:固定時(shí)間語音驅(qū)趕鳥類,初期效果明顯,性價(jià)比高,適用范圍廣。 (3)擋鳥板:用于防止鳥糞在擋板范圍內(nèi)落下污染絕緣子串。 這幾種驅(qū)鳥方式用途單一,鳥類極易適應(yīng),驅(qū)鳥效果不明顯,其中一些物理驅(qū)鳥裝置維護(hù)成本極高。

針對(duì)上述問題,本文提出了基于毫米波雷達(dá)的多功能驅(qū)鳥裝置,其特點(diǎn)有:(1)多重驅(qū)鳥手段。 通過隨機(jī)語音、變頻超聲波、驅(qū)鳥劑三重手段驅(qū)趕鳥類,鳥類不易適應(yīng)。 (2)便于安裝維護(hù)。 多功能驅(qū)鳥裝置一般安于桿塔第一級(jí)橫擔(dān)上,易安裝、維護(hù)。 (3)感知范圍廣。 毫米波雷達(dá)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(dá)可以感應(yīng)接近物距離,判斷接近物是否在預(yù)警范圍內(nèi)。

本文將從3 個(gè)部分介紹多功能智能驅(qū)鳥裝置設(shè)計(jì),毫米波雷達(dá)使用、硬件部分設(shè)計(jì)、軟件部分設(shè)計(jì)。毫米波雷達(dá)主要介紹其工作原理、測(cè)距算法實(shí)現(xiàn)。 硬件部分主要介紹毫米波雷達(dá)、音頻模塊、4G 模塊、超聲波模塊、驅(qū)鳥劑、電源控制器與主控板連接方式、數(shù)據(jù)輸入輸出方式。 軟件部分主要介紹軟件設(shè)計(jì)流程及輸電I1 報(bào)文擬定。

1 毫米波雷達(dá)

1.1 毫米波雷達(dá)簡介

毫米波[3]是一類使用短波長電磁波的特殊雷達(dá)技術(shù)。 雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的電磁波信號(hào)被其發(fā)射路徑上的物體阻擋繼而會(huì)發(fā)生反射。 通過捕捉反射的信號(hào),雷達(dá)系統(tǒng)可以確定物體的距離、速度和角度。 其工作頻率為 76~81 GHz(對(duì)應(yīng)波長約為 4 mm),毫米波系統(tǒng)將能夠檢測(cè)小至零點(diǎn)幾毫米的移動(dòng)。 完整的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)包括發(fā)送(Tx)和接收(Rx)射頻(RF)組件,以及時(shí)鐘等模擬組件,還有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、微控制器(MCU)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等數(shù)字組件。

1.2 毫米波雷達(dá)測(cè)距算法

毫米波雷達(dá)測(cè)距主要與發(fā)射信號(hào)Tx 和接收信號(hào)Rx 之間存在差值信號(hào)IF signal 的頻率及脈沖調(diào)頻斜率持續(xù)時(shí)間有關(guān)。

毫米波雷達(dá)與接近物體之間有一定距離,雷達(dá)信號(hào)從發(fā)射到接收,由于距離產(chǎn)生了時(shí)間差t,雷達(dá)與接近物的距離為d,光速為c,兩者間距離與時(shí)間差及光速的關(guān)系為:

差值信號(hào)IF signal,其頻率f與時(shí)間差t的關(guān)系為:

其中,s為線性脈沖調(diào)頻斜率,該斜率與脈沖信號(hào)帶寬B和持續(xù)時(shí)間Tc的關(guān)系為:

綜上,雷達(dá)與接近物的距離d與差值信號(hào)IF signal頻率f之間的關(guān)系為:

2 多功能驅(qū)鳥裝置硬件設(shè)計(jì)

本文根據(jù)多功能驅(qū)鳥裝置特點(diǎn),將硬件分為5 部分:主控部分、供電部分、感應(yīng)部分、驅(qū)鳥部分、數(shù)據(jù)上傳部分。 主控部分使用STM32 系列單片機(jī),該單片機(jī)具有超低功耗特點(diǎn)[4],其內(nèi)核是Cortex-M3,該內(nèi)核通過接口總線,掛載儲(chǔ)存器、外設(shè)、中斷等,共同組成一個(gè)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(gè)模塊:(1)12 w單晶太陽能板,用于給驅(qū)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(qū)鳥裝置供電。 (3)12 V,12 AH 三元鋰電池,其用于電量儲(chǔ)存。

感應(yīng)部分使用毫米波雷達(dá),其作用是感知接近物和桿塔之間距離,通過SPI 口將距離數(shù)據(jù)傳送給主控模塊,由主控模塊判斷接近物是否在預(yù)警范圍內(nèi)。

驅(qū)鳥部分分為3 個(gè)模塊:(1)超聲波模塊。 其作用是發(fā)出超聲波驅(qū)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(diào)制,是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。 (2)音頻模塊。 其作用是發(fā)出鳥類天敵的聲音驅(qū)趕鳥類。 音頻模塊有內(nèi)部存貯空間,需要提前將曲目下載進(jìn)入該模塊,主控模塊通過串口發(fā)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(qū)鳥劑模塊。 其作用是發(fā)出鳥類難以忍受的味道驅(qū)趕鳥類,主控模塊通過I/O口控制驅(qū)鳥劑模塊隔離板打開、關(guān)閉狀態(tài)。

數(shù)據(jù)上傳部分使用4G 模塊,感知并使用3 種手段驅(qū)趕鳥類后,主控模塊通過串口,將AT 指令發(fā)送至4G模塊,將驅(qū)鳥相關(guān)數(shù)據(jù)信息上傳至服務(wù)器。 硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 多功能驅(qū)鳥裝置軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件概述

多功能驅(qū)鳥裝置嵌入式軟件在keil 平臺(tái)[5]完成,軟件整體設(shè)計(jì)思路:驅(qū)鳥裝置各模塊初始化,初始化完畢執(zhí)行各模塊自檢,完成各模塊自檢,開啟定時(shí)器中斷以及雷達(dá)中斷,觸發(fā)定時(shí)器中斷即發(fā)送心跳包以及上拉上位機(jī)控制指令,觸發(fā)雷達(dá)中斷即啟動(dòng)3 種驅(qū)鳥手段,隨即發(fā)送驅(qū)鳥包至上位機(jī)。 軟件分為4 個(gè)模塊:(1)軟件總體流程;(2)定時(shí)器中斷流程;(3)雷達(dá)中斷流程;(4)報(bào)文格式。

3.2 軟件總體流程

(1)看門狗啟動(dòng):設(shè)定看門狗喂狗時(shí)間,多功能驅(qū)鳥裝置采用獨(dú)立看門狗IWDG[6],由內(nèi)部40 kHZ 低速時(shí)鐘驅(qū)動(dòng),分頻系數(shù)為8,獨(dú)立看門狗設(shè)定喂狗時(shí)間為8 192.2 ms。

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

(3)模塊自檢:毫米波雷達(dá)模塊自測(cè),如果該模塊不能完成自檢,串口打印錯(cuò)誤碼0001。 音頻模塊自測(cè),模塊正常即驅(qū)動(dòng)音頻模塊發(fā)出3 s 聲音,如果該模塊不能完成自檢,串口打印錯(cuò)誤碼0002。 超聲波模塊自測(cè),模塊正常即驅(qū)動(dòng)超聲波模塊發(fā)出3 s 超聲波,如果該模塊不能完成自檢,串口打印錯(cuò)誤碼0003。 4G 模塊自測(cè),如果模塊正常,上報(bào)心跳包或上報(bào)喇叭、超聲波報(bào)警信息,進(jìn)入下一階段。 如果該模塊不能完成自檢,串口打印錯(cuò)誤碼0004,進(jìn)入下一階段。

(4)開啟無限循環(huán),設(shè)定中斷:設(shè)定1 h 計(jì)時(shí)器,開啟定時(shí)器中斷,定時(shí)器中斷觸發(fā),即發(fā)送心跳包,返回循環(huán)。 開啟雷達(dá)中斷,雷達(dá)中斷觸發(fā),判斷鳥類是否在預(yù)警范圍內(nèi),如果在范圍內(nèi)即觸發(fā)三種驅(qū)鳥手段,返回循環(huán);如果不在范圍內(nèi),直接返回循環(huán)。 軟件總體流程如圖2 所示。

圖2 軟件總體流程

3.3 定時(shí)器中斷流程

定時(shí)器中斷觸發(fā),檢查電池電量,當(dāng)電池電量低于20%時(shí),關(guān)閉4G 模塊,返回循環(huán),不進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào),進(jìn)入滿功率充電狀態(tài)。 當(dāng)電池電量超過20%低于50%,關(guān)閉雷達(dá)模塊,不進(jìn)行驅(qū)鳥,進(jìn)入半功率充電狀態(tài)。 當(dāng)電池電量超過50%時(shí),發(fā)送心跳包至服務(wù)器,并設(shè)定30 s 延時(shí)等待上位機(jī)回包,如果沒有回包就返回循環(huán),如果有回包,串口打印1002,并解析服務(wù)器回包。如果解析到音量檔位是00/01/02/03,則設(shè)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(shè)置休眠時(shí)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(shè)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(qū)鳥時(shí)長檔位為01/02/03,設(shè)置音頻、超聲波時(shí)長30 s/45 s/60 s,串口打印2300/2301/2302。 如果解析到驅(qū)鳥劑打開時(shí)長檔位為01/02/03,設(shè)置驅(qū)鳥劑打開時(shí)長30 s/45 s/60 s,串口打印2400/2401/2402 最終返回循環(huán)。 定時(shí)器中斷流程如圖3 所示。

圖3 定時(shí)器中斷流程

3.4 雷達(dá)中斷流程

雷達(dá)中斷觸發(fā),通過SPI 口讀取接近物距離值,將其與預(yù)警值進(jìn)行對(duì)比,如果在預(yù)警值范圍內(nèi),即啟動(dòng)超聲波模塊、音頻模塊、驅(qū)鳥劑模塊按照設(shè)定時(shí)間發(fā)出超聲波、音頻、驅(qū)鳥劑,串口打印1003 并且將驅(qū)鳥數(shù)據(jù)包發(fā)送至服務(wù)器,返回循環(huán)。 如果不在預(yù)警值范圍內(nèi),則不觸發(fā)驅(qū)鳥,返回循環(huán)。 雷達(dá)中斷流程如圖4 所示。

圖4 雷達(dá)中斷流程

3.5 報(bào)文格式

裝置報(bào)文完全參照輸電I1 接口規(guī)約要求格式編撰,其幀類型結(jié)構(gòu)如表1 所示。 裝置報(bào)文有以下三種:(1)心跳格式;(2)驅(qū)鳥格式;(3)報(bào)警格式。

表1 幀類型結(jié)構(gòu)

3.5.1 心跳格式

當(dāng)定時(shí)中斷到了,即發(fā)送心跳包,心跳報(bào)文總共65 字節(jié),高字節(jié)在后,低字節(jié)在前,組成如下:

報(bào)文頭固定2 字節(jié)0xA5,0x5A。

報(bào)文長度65,固定2 字節(jié)0x41,0x00。

設(shè)備id,17 字節(jié),自定義。

幀類型固定字節(jié)0x09;在輸電I1 接口規(guī)約現(xiàn)行版C.8.1 幀類型表中0x09 代表工作狀態(tài)上報(bào),由檢測(cè)裝置到上位機(jī)。

報(bào)文類型固定字節(jié)0xC1,在輸電I1 接口規(guī)約現(xiàn)行版C.8.2 報(bào)文類型表中0xC1 代表心跳數(shù)據(jù)上報(bào)。

幀序列號(hào)固定字節(jié)0x01,指監(jiān)測(cè)裝置或者上級(jí)設(shè)備主動(dòng)發(fā)送的報(bào)文的順序流水號(hào)。

報(bào)文內(nèi)容有10 個(gè)參量:當(dāng)前時(shí)間4 個(gè)字節(jié),電池電壓4 個(gè)字節(jié),工作溫度4 個(gè)字節(jié),剩余電量4 個(gè)字節(jié),浮充狀態(tài)1 個(gè)字節(jié),工作總時(shí)間4 個(gè)字節(jié),本次工作連續(xù)時(shí)間4 個(gè)字節(jié),連接狀態(tài)1 個(gè)字節(jié),當(dāng)月接收流量4 個(gè)字節(jié),通信協(xié)議版本號(hào)4 個(gè)字節(jié)。

校驗(yàn)位兩字節(jié),采用CRC16 校驗(yàn)。

報(bào)文尾固定字節(jié)0x96,標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)上報(bào)結(jié)束,以16進(jìn)制整型值96 表示。

3.5.2 驅(qū)鳥格式

成功驅(qū)鳥后,向上位機(jī)發(fā)送驅(qū)鳥報(bào)文,總共32 字節(jié),高字節(jié)在后,低字節(jié)在前,組成如下:

報(bào)文頭固定2 字節(jié)0xA5,0x5A。

報(bào)文長度32,固定2 字節(jié)0x20,0x00。

設(shè)備id,17 字節(jié),自定義。

幀類型固定字節(jié)0x01;在輸電I1 接口規(guī)約現(xiàn)行版 C.8.1 幀類型表中0x01 代表檢測(cè)數(shù)據(jù)上報(bào),由檢測(cè)裝置到上位機(jī)。

報(bào)文類型固定字節(jié)0x0D,在輸電I1 接口規(guī)約現(xiàn)行版C.8.2 報(bào)文類型表中0x0D 為新型數(shù)據(jù)報(bào)文預(yù)留字段,本文代表驅(qū)鳥上報(bào)。

幀序列號(hào)固定字節(jié)0x01,指監(jiān)測(cè)裝置或者上級(jí)設(shè)備主動(dòng)發(fā)送的報(bào)文的順序流水號(hào)。

報(bào)文內(nèi)容有1 個(gè)參量:驅(qū)鳥上報(bào)2 個(gè)字節(jié)。

校驗(yàn)位兩字節(jié),采用CRC16 校驗(yàn)。

報(bào)文尾固定字節(jié)0x96,標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)上報(bào)結(jié)束,以16進(jìn)制整型值96 表示。

3.5.3 報(bào)警格式

當(dāng)裝置檢測(cè)雷達(dá)模塊,紅外模塊等外設(shè)異常,即發(fā)送報(bào)警報(bào)文,總共35 字節(jié),高字節(jié)在后,低字節(jié)在前,組成如下:

報(bào)文頭固定2 字節(jié)0xA5,0x5A。

報(bào)文長度35,固定2 字節(jié)0x23,0x00。

設(shè)備id,17 字節(jié),自定義。

幀類型固定字節(jié)0x09,在輸電I1 接口規(guī)約現(xiàn)行版C.8.1 幀類型表中0x01 代表工作狀態(tài)上報(bào),由檢測(cè)裝置到上位機(jī)。

報(bào)文類型固定字節(jié)0xC2,在輸電I1 接口規(guī)約現(xiàn)行版C.8.2 報(bào)文類型表中0xC2 為故障類型上報(bào)。

幀序列號(hào)固定字節(jié)0x01,指監(jiān)測(cè)裝置或者上級(jí)設(shè)備主動(dòng)發(fā)送的報(bào)文的順序流水號(hào)。

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

校驗(yàn)位兩字節(jié),采用CRC16 校驗(yàn)。

報(bào)文尾固定字節(jié)0x96,標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)上報(bào)結(jié)束,以16進(jìn)制整型值96 表示。

4 結(jié)語

基于毫米波雷達(dá)的多功能驅(qū)鳥裝置,現(xiàn)已安裝國網(wǎng)泰州供電公司、國網(wǎng)揚(yáng)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(yùn)維安全。 輸電I1 報(bào)文上報(bào),便于接入國網(wǎng)內(nèi)網(wǎng),有效監(jiān)測(cè)了驅(qū)鳥器狀態(tài),對(duì)維護(hù)驅(qū)鳥裝置有積極意義。 當(dāng)前裝置感知手段為毫米波雷達(dá),在輸電線路上雖能精準(zhǔn)感知到接近物,但不能判別接近物類別,下一步研究方向?yàn)?準(zhǔn)確識(shí)別鳥類種類,有針對(duì)性驅(qū)鳥,做到輸電線路完全無鳥。