无线远程控制智能驱鸟系统研究

王晓坤，魏思东，王宏峰，刘晓峰

（空军航空大学，长春　130022）

无线远程控制智能驱鸟系统研究

王晓坤，魏思东，王宏峰，刘晓峰

（空军航空大学，长春130022）

分析了当前军用机场鸟害防治的现状，设计了基于STM32F407A和nRF2401的驱鸟车和驱鸟器“一对多”无线远程控制智能系统，阐述了系统的整体设计和硬件设计方案。该系统可靠性好、易于扩展和更新、升级，能实现机场空域三维空间内有效驱鸟。

nRF24L01；STM32F407A；无线通信

目前，国际航空联合会已把鸟害升级为“A”类航空灾难。“鸟害”是飞机必须面对并始终与其相伴随的国际性难题，给人类航空酿成了巨大的人员伤亡和经济损失。空军与民航在飞机速度、航迹等方面有很大区别，军用飞机飞行速度大、飞行航迹复杂多变，因此，撞鸟概率比民航飞机高。再加上军用机场的地域位置特殊，军用机场周边鸟类活动频繁，鸟撞军用飞机的事故发生频率较高。据不完全统计，近10年来，我军有近百台飞机发动机因鸟撞受损。尤其是近年来新研制的高性能战机陆续装备空军，新型飞机发动机推力大，飞行速度快，一旦撞鸟就有可能造成生命和财产的巨大损失［1］。

1　军用机场鸟害及其当前防治现状

鸟类在长期的进化过程中产生对环境条件的高度适应性。由于鸟脑高度发达，鸟类拥有较高的智商，鸟类对单一刺激或恐吓会很快适应，现在大部分机场采用声波“吓唬”类驱鸟方式。如车载煤气炮、强声驱鸟车、太阳能声驱系统、驱鸟钛镭弹、恐怖风筝等，对鸟类的一种声音刺激或视觉恐吓最初应用时都很有效，但由于对鸟类没有实质性的危害，长期使用，鸟类对驱鸟装置的声音或形态很快适应，从而使驱鸟效果大大降低。单一的驱赶方式很难达到理想、持久的驱鸟效果，鸟类会很快习惯。因此，当前还没有一种驱鸟方式能够长期有效的驱鸟。

部分发达国家机场已经装备雷达用于实时监控鸟情，使机场鸟害防治步入了高效预警的信息化防治阶段。20世纪60年代到70年代，欧洲利用鸟类雷达探测技术开发了BIRDTAM系统，该系统能够提供近似实时的鸟情观测，发布鸟撞预警。1998年秋，Geo-Marine公司鸟类研究实验室在美国空战指挥总部的资助下，开发了鸟类危险咨询系统，该系统采用改进型气象雷达提供的数据，运用神经网络和数字图像处理等模式识别的算法，将生物学目标同其他目标从雷达数据中准确地区别开来，并能将雷达数据转变为实时的鸟情信息，该系统用于预报和监控美国48个州的鸟类活动。2004年前后，Clemson大学雷达鸟类实验室开发了移动式雷达鸟类探测系统。这些系统和技术的应用体现了鸟撞防治的信息化发展趋势［2］。

相比之下，我军驱鸟装备基于信息的自动响应能力还没有形成，对飞行过程中鸟害防治措施的实施会相对滞后于鸟情；目前，大多数机场仍采用驱鸟人员机场场区内“观察—驱赶”或“接收指令—确认—驱赶”等粗放、简单的驱鸟方式，缺少对鸟类活动规律的科学分析，没有根据鸟情信息、飞行训练任务等因素对驱鸟装备及驱鸟人员进行合理布控，驱鸟人员对当日机场场区内的飞鸟的种类、数量、飞行时间、飞行区域等相关数据不能进行有效的收集和整理，更不能对驱鸟数据进行科学准确的分析和预测。近年来，煤气炮、钛镭炮、驱鸟航模、驱鸟机械鹰、超声波驱鸟仪等驱鸟装备相继配发到机场场站，驱鸟装备不断更新［3］。但这些装备由上级批次配发，装备来源渠道不同，操作使用方法、工作原理、技术参数等不尽相同，驱鸟人员学习掌握使用困难，各装备单独使用整体驱鸟效能较低。且驱鸟新装备较为追求与已有装备的差异性，以突出自身新功能，设计和使用上较少考虑与已有装备的配套方案以及鸟撞防治的区域性和针对性等因素，导致一些新配发的鸟撞防治装备较早地失去了其预期效用。如某部研发的轨道式驱鸟车，由于其行进受限于铺设的轨道以及车体负载有固定性要求，装备功能固化，不能进行其他功能扩展和替换升级，使其驱鸟效能发挥受到极大制约。

2　无线远程控制智能驱鸟系统研究［4］

2.1无线远程控制智能驱鸟系统的生物机理分析

动物学家研究发现，鸟类具有适应性［5］：在使用各种对鸟类不同感官进行刺激的干扰技术时，往往在使用初期表现出对鸟类的明显驱除效果，对于新的刺激，大多数鸟类倾向于躲避和逃离，而不去确定这种威胁是否真实。即鸟类最初会因受到某种驱鸟方法的惊吓而逃离，当它们发现没有真正的危险发生时，就会逐渐习惯该驱鸟景象或声音，产生适应性而不再躲避。因此鸟类会对长时间使用的固定的驱鸟方法产生适应性。例如惊鸟群在躲避仿真鹰的模型约几个小时后便能意识到这种模型对自身不会产生伤害。证据表明，鸟能快速适应机场及附近环境，虽然跑道上有大的噪声和航空器活动，但仍可观察到鸟在繁忙的跑道上觅食和飞行而不将航空器视为一种威胁。

由于任何无伤害的驱鸟装备都会使鸟类产生适应性，所以应尽可能综合使用视觉威慑装备、声响惊吓装备和捕捉猎杀装备，使各种装备在驱鸟空间、驱鸟时间、驱鸟方式等方面互为补充，尽可能在机场形成“动静结合、空地结合”的全方位、立体式、互补高效的驱鸟体系，最大程度减少机场鸟类的适应性。

2.2无线远程控制智能驱鸟系统的总体设计

基于以上分析，无线远程控制智能驱鸟系统将以保护鸟类为出发点，同时克服现有驱鸟系统单一、死板、滞后的特点，将视、听、触、嗅多种驱鸟方式进行有效集成，构建“平面拦截、纵向立体、横向梯次”的驱鸟模式，理念上属于积极主动式的驱鸟方法［6］。

考虑到军用机场区域的特殊性（多处区域禁止人员活动），不便于根据鸟情在现场人为控制驱鸟设备，同时考虑到采用太阳能供电的驱鸟设备易于控制且放置时不受线缆约束，本文采用无线远程控制方式。该系统采用无线远程控制技术将所有驱鸟装备联接成一个完整统一的操控网络，通过驱鸟车——驱鸟器终端的一体化控制和科学编组技术，实现对驱鸟方式、时间、空间的随机编组配合使用，最大限度发挥系统的综合使用效能，提高驱鸟工作效率［7］。无线远程控制智能驱鸟系统的设计体系如图1所示。

图1　无线远程控制智能驱鸟系统的设计体系图

无线网络的构建是无线远程控制智能驱鸟系统设计首要问题，要选择成本低、功率小、传输距离远、传播频率不给机场信号造成干扰的通信方式。本系统采用基于2.4GHz无线收发芯片nRF24L01构建的驱鸟器控制车——驱鸟器终端“一对多”模式无线网络结构。2.4G无线网络频段属于ISM频段，是全球范围内被广泛使用的超低辐射绿色环保频段，并且是为机场授权使用的频段。驱鸟车与驱鸟器终端采用统一模块化设计，可以通过设置将驱鸟车设置在主工作模式，驱鸟器终端工作于从工作模式。工作于主模式的驱鸟车不仅可以根据鸟情实时变换驱鸟方式，还可以根据鸟情通过无线通信网络向驱鸟器终端发送控制指令，控制其变换驱鸟方式和驱鸟工作时间，工作于从模式的驱鸟器终端接收命令并控制相应驱鸟单元工作。无线远程控制智能驱鸟系统结构原理框图如图2所示。

图2　无线远程控制智能驱鸟系统原理框图

2.3无线远程控制智能驱鸟系统的硬件设计及实现

无线远程控制智能驱鸟系统硬件部分采用模块化设计［8］。硬件部分主要包括中央控制处理模块、SD卡存储模块、TFT液晶显示模块、2.4GHZ无线通信模块、电源模块、驱鸟器机械结构控制模块、驱鸟器声音输出控制及接口模块、按键控制模块、上位机控制接口模块。

图3　驱鸟（车）器控制系统硬件结构图

中央控制处理模块采用STM32F407A芯片，由STM32F407A编程可实现与其他模块中数据的采集、存储、显示、通信等功能。中央控制处理模块通过与上位机的接口模块（采用DP83848芯片）接收上位机下传的驱鸟音频文件以及驱鸟控制指令。STM32F407A将接收的驱鸟音频文件数据以SPI模式存储到SD卡中［9］。声音驱鸟单元使用集成数字功放的音频解码芯片WM8978，该芯片能够对音频文件进行解码并驱动驱鸟扬声器。驱鸟系统的相关信息（包括驱鸟音频文件信息、驱鸟工作方式信息等）通过彩色的TFTLCD液晶屏实时显示给驱鸟工作人员。驱鸟系统的工作状态（主模式或从模式）可由驱鸟工作人员通过按键进行设置，LED能够同步显示按键设置的结果，方便驱鸟工作人员现场操作。驱鸟器（车）硬件结构图如图3所示。

2.3.1中央控制处理模块

中央控制处理模块采用STM32F407A处理器。STM32系列单片机是ST公司推出的32位产品，ARM Cortex-M内核，具有高性能、低成本和低功耗的特点。最高工作频率为168MHz；片内具有1024KB可编程FLASH；（192+4）KB片内SRAM数据存储器；集成了单周期DSP指令和FPU，具有较强的计算和控制能力。

STM32F407A带有FSMC接口，利用该接口和TFTLCD模块连接，能够将驱鸟工作状态信息实时显示于TFTLCD上。通过STM32F407A的I2S与音频解码芯片WM8978通信，能够实现音频数据流的传输。用于驱鸟器机械结构控制的继电器组、用于表示系统工作模式的LED显示灯、用于设定驱鸟设备工作模式的按键、预留的USB通信接口、与无线通信模块的接口等连接均如图4所示。

2.3.2与上位机接口模块

由于鸟情会随季节和气候变化，部队飞行训练任务也总有机动调整，因此驱鸟系统的设计不可能一步到位，尤其是软件设计部分，需要不断地进行修改和调整。而驱鸟车（器）的中央处理器采用的是单片机，当程序运行出错或者要根据驱鸟任务的需求调整变换驱鸟程序时，就需要专业人员到设备现场在线将新程序烧制到单片机中，这就使得系统软件程序维护和更新工作效率低下，甚至影响驱鸟系统效能的发挥。因此，本文采取利用上位机通过IAP模式在线更新下位机即驱鸟车（器）的中央处理器的模式，实现驱鸟车（器）的中央处理器程序的远程更新，以提高系统工作效率。本文驱鸟车（器）的中央处理器STM32F407A为Flash型，是具有IAP编程模式的单片机，可以通过PC机发送更新数据。系统需要更新程序时，STM32F407A接收到更新标志信号后，马上复位，之后进入更新状态，开始接收更新数据并存储，接收完毕后，新代码覆盖原代码，从而实现程序的远程更新。

图4　中央控制模块电路原理图

图5　DP83848接口电路原理图

驱鸟车（器）预留与上位机接口电路图如图5所示。本文采用RMII，即精简的介质无关接口方式以降低功耗。STM32支持两种工业级标准的接口，来与外部物理层PHY模块相连，分别是独立于介质的接口MII和简化的独立于接口的RMII。由于MII需要信号线多（16根），功耗大，故本文采用精简的介质无关接口方式（RMII）。

2.3.3声音输出控制及接口模块

系统声音驱鸟单元采用音频解码芯片WM8978，该芯片以DSP微处理器为内核，音频处理质量较高，驱鸟效果较为理想。STM32F407A通过I2S音频数据接口将音频数据输出给WM8978，I2S音频协议有助于提高系统的集成度。WM8978芯片将音频数据解码后给扬声器进行声音驱鸟。声音输出控制接口电路图如图6所示。

2.3.4无线通信模块［10，11］

系统无线通信模块采用单片射频收发芯片nRF2401，该芯片工作于ISM频段（2.4～2.5GHz），芯片内置功率放大器、晶体振荡器、频率合成器以及调制器等功能模块，能够通过程序配置输出功率与通信频道。芯片能耗非常低，非常适用于多种无线通信的场合，应用范围广泛。

STM32F407A通过SPI（串行外设接口）总线与nRF24L01通信。如图4所示，STM32F407A的PB5连接MOSI（主入从出）引脚，PB4连接MISO（主入从出）引脚，PB3连接SCLK时钟信号，以SPI时序与nRF24L01模块通信。PB14接收nRF24L01 的IRQ中断信号，PD3连接nRF24L01的片选信号。nRF24L01与外部微控制器通信，最高可达10Mb/s。

图6　声音输出控制接口电路图

SD卡（SDIO_D1～SDIO_D3）和TFT液晶显示模块（FSMC_D0～FSMC_D15）、继电器组（RELAY_IN1～RELAY_IN3）、按键（KEY1～KEY2）、LED显示（LED1～LED2）引脚连接如图4所示。

2.4实物调试

驱鸟车（器）硬件实物图如图7所示。每个基于STM32F407A和无线射频收发芯片nRF24L01的驱鸟系统远程节点采用组网式工作方式。实验证明各驱鸟系统远程节点间距离在200米以内均可实现网内连接和通讯。节点间数据速率选择为1Mbps带宽传输模式，为了增加各节点的通信距离，也可选择250Kbps速率模式。实验证明，在1Mbps带宽传输模式下工作时，节点间通信误码率在200米内可实现0.1%。

图7　驱鸟（车）器控制系统硬件实物图

3　结论

随着航空事业的迅猛发展，传统的定时模式化驱鸟方式已经越来越不能满足机场的需求了，驱鸟方式的多元化发展促使着传统驱鸟观念的革新。如何提高驱鸟系统的灵活性、有效性，提高驱鸟设备的易操控性已经成为整个航空业所面临的重要课题之一。而无线通信技术的快速发展恰恰为驱鸟系统的改革提供了良好的基础。新的驱鸟系统完全可以建立在无线通信技术的基础上，以驱鸟车点到点精确控制驱鸟器，以实现全时段，在三维大空间内呈立体分布的高效率的驱鸟系统，不但可以快速有效的驱鸟，还克服了原有驱鸟系统单一、死板、滞后的缺点，而且可以提高驱鸟系统的经济效益，以及提升驱鸟系统的自动化水平。

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［2］ 李赞成，宋晓博，王浩.机场鸟撞防治装备体系研究［J］.徐州空军学院学报，2009，20（3）：314-319.

［3］ 侯启，李赞成，宋晓博.空军机场鸟撞防治手册［M］.徐州：徐州空军学院出版社，2008：354-370.

［4］ 相程忠庆，赵云鹏.控振源鸟脑共振驱鸟系统研究［J］.海军后勤学报，2006（1）：34-40.

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［6］ 蒋明球，杨荣.机场鸟撞防治方法探析［J］.航空杂志，2012（8）：59.

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Study of the Wireless Remote Control Bird Repellent System

WANG Xiaokun，WEI Sidong，WANG Hongfeng，LIU Xiaofeng
（Aviation University of Air Force，Changchun 130022）

This paper analyzes the current status of military airport bird control and designs an one-to-many intelligent wireless remote control bird repellent system based on STM32F407A and nRF2401.The overall design of the system and hardware designs have been done in this paper.The system meets the requirements by laboratory testing and field testing and can realize effective bird repellent within the three dimensional airport airspace.

nRF24L01；STM32F407A；wireless remote control

TP23

A

1672-9870（2015）06-0163-05

2015-09-15

吉教科合字2014第613号

王晓坤（1980-），女，博士，讲师，E-mail：wxk_90046@163.com