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基于毫米波雷达的多功能驱鸟装置设计

来源:用户上传      作者:顾浩 曹永忠

  摘要:多功能驱鸟装置以STM32为主控模块,两处串口控制音频模块、4G模块,2处I/O 口控制驱鸟剂释放,PWM改变超声波模块频率,毫米波雷达模块自监控,通过SPI与外部主控模块进行控制连接。其中,毫米波雷达作为感知手段,用于感应鸟类接近的距离。当距离在预警范围内,则通过音频模块,超声波模块发出随机声音及超声波,同时释放驱鸟剂,多重手段驱赶鸟类。成功触发三种驱鸟方式,将数据打包成输电I1报文格式,通过4G模块发送至服掌鳌;于毫米波雷达的多功能驱鸟装置,准确感应鸟类,通过多种手段驱赶鸟类,有效保障输电杆塔运维安全,使用输电I1报文,统一输电接口规范,便于接入国网内网。
  关键词:毫米波雷达;多功能驱鸟装置;输电线路;输电I1
  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:
  f=s×t(2)
  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T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。
  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

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