基于物联网的机场驱鸟系统的研制40.docx

基于物联网的机场驱鸟系统的研制目录摘要.IABSTRACT.II第一章 绪论. 11.1 引言. 11.2 课题的来源和意义 . 11.3 国内外驱鸟和相关技术的研究现状和趋势 . 21.3.1 国内外驱鸟的现状以及问题 . 21.3.2 国内外驱鸟的研究趋势 . 31.4 本文的主要研究内容和创新点 . 31.4.1 本文的主要研究内容 . 41.4.2 本文的创新点 . 4第二章 智能化机场驱鸟系统的关键技术. 52.1 物联网技术. 52.1.1 物联网概述. 52.1.2 物联网的产生与发展 . 52.1.3 物联网的应用 . 52.1.4 物联网的关键技术 . 62.2 无线传感器网络技术 . 72.2.1 无线传感器网络概述 . 72.2.2 Zigbee 网络. 82.2.3 短波网络. 82.3 嵌入式系统. 92.3.1 嵌入式系统概述 . 92.3.2 嵌入式实时操作系统 . 102.3.3 嵌入式微处理器介绍 .112.3.4 嵌入式系统开发 . 122.4 调频技术. 13第三章 系统整体网络设计. 163.1 智能化驱鸟系统的总体构成 . 163.1.1 智能化驱鸟系统的网络拓扑 . 173.1.2 智能化驱鸟系统网络节点模块介绍 . 183.1.3 智能化驱鸟系统网络节点改进设计 . 193.2 传感器信息采集节点改进设计 . 213.2.1 传感器信息采集节点 CPU 介绍 . 213.2.2 传感器信息采集节点整体架构 . 223.2.3 硬件外围电路设计 . 233.3 传感器信息采集节点嵌入式软件开发 . 283.3.1 嵌入式开发环境的搭建 . 293.3.2 程序的开发编译 . 31第四章 智能驱鸟机器人和智能诱导声驱炮. 344.1 智能驱鸟机器人总体构成 . 344.2 智能驱鸟机器人的硬件设计 . 354.2.1 智能化驱鸟机器人电源电路设计 . 354.2.2 智能化驱鸟机器人通信下载电路设计 . 364.2.3 智能化驱鸟机器人液晶显示驱动电路设计 . 374.2.4 智能化驱鸟机器人 SD 卡驱鸟声音存储电路设计 . 384.2.5 智能化驱鸟机器人音频解码放音电路设计 . 394.2.6 智能化驱鸟机器人报警检测电路设计 . 404.3 智能驱鸟机器人的软件设计 . 404.3.1 智能化驱鸟机器人控制板整体程序架构 . 414.3.2 智能化驱鸟机器人控制板通信解析程序 . 424.3.3 智能化驱鸟机器人控制板液晶驱动程序 . 434.3.4 智能化驱鸟机器人控制板 SD 卡读写程序 . 444.4 智能诱导声驱炮. 454.4.1 智能诱导声驱炮整体架构 . 464.4.2 智能诱导声驱炮实现 . 47第五章 总结与展望. 485.1 本文所做的工作. 485.2 下一步要做的工作 . 48参考文献. 50已发表学术论文. 52专利. 52参加科研工程项目. 52致谢. 53I基于物联网的机场驱鸟系统的研制摘要随着航空事业的快速发展，航空灾难带来的危害和损失越来越引起人们的注意。航空灾难中很大的比例是在飞机起飞和降落的时候发生的，而在这种类型的航空灾难中主要原因是由于鸟撞飞机造成的，为避免鸟撞飞机事故的发生，机场驱鸟成为航空业的一个重要任务，也成为一个世界性的难题。本文所研究的驱鸟系统解决了机场驱鸟工作的盲目性，实现了机场驱鸟的高效性、规范性，提高了机场驱鸟技术的自动化和智能化水平。本文首先对该项目（济南空军后勤部机场驱鸟系统）中的鸟情信息采集管理系统使用中出现的问题进行了分析，并提出了解决方案，主要针对解决以下问题：缺乏驱鸟联动设备，没有做到有效解除鸟情，无线传感器网络缺乏稳定性，鸟情采集设备智能性不足，同时研制了联动驱鸟机器人和诱导式调频广播声驱炮。本文的主要工作有：（1）研制了驱鸟联动设备主要包括智能化驱鸟机器人和诱导式联动声驱炮。驱鸟联动设备的驱鸟动作和机场鸟情直接相关，解决了机场驱鸟的盲目性。（2）对一期项目中的机场无线驱鸟网络中的中继站、主站进行了改造设计，增加了报警和保护装置，确保了无线驱鸟网络的稳定性，实现了网络工作状态的在线监管。（3）对鸟情采集设备进行改造设计，增加操作系统对鸟情信息进行采集管理，更符合机场驱鸟工作的需求。（4）对机场无线网络、鸟情采集设备、联动驱鸟设备的网络规划和搭建，确保了所有设备状态在线监控管理和异常报警。综上，该系统中的各个设备均通过长期稳定测试，并达到了机场驱鸟工作的需要，通过鸟情采集设备和无线驱鸟网络将机场鸟情信息上传到服务器监管平台，服务器监管平台对鸟情信息解析处理后制定特定的驱鸟命令，通过无线驱鸟网络将驱鸟命令下发到联动驱鸟设备，实现高效、准确、有针对性的驱鸟。该系统已经在空军某部管辖的多个军用机场安装使用，在驱鸟工作中稳定运行，起到了明显作用，取得了良好的效果，该系统中的驱鸟联动设备得到了机场驱鸟工作人员的肯定和高度评价，同时得到了军区领导的一致好评。关键词：鸟撞；联动驱鸟设备；鸟情采集设备；调频广播；中图分类号：TN92IIDevelop of Intelligent Drive Away Birds for Airport System Based onInternet of ThingsABSTRACTWith the rapid development of the aviation industry, aviation disasters has ever sounded thealarm to mankind, and the damage and loss caused by aviation disaster is drawing peoplesattention more and more.A large proportion of aircraft occurred in taking off and landingtime,and this type of aviation disaster is mainly due to bird strike. To avoid bird strike, airportbird has become an important task of the aviation industry and worldwide problem.This paper studied the system solved the airport bird blindness work, achieved a highefficiency and normative of airport bird, improved the automation and intelligent level of theairport bird technology.This paper first analyses the problems existed in the system which wasused for the acquisition and management of the avian situation information,and then put forwardsolutions.The problems mainly were the inefficient of relieving birds cased by the lack of drivingbirds linkage equipment,and the instability of the wireless sensor network,and the weak utility ofbird collection equipment cased by the lack of intelligence.The main work of this paper is as follows:(1)We develop a bird linkage equipment including the intelligent bird driving robots andintelligent bird induction drive linkage sound cannon. Linkage devices are directly related tosolve airport bird blindness.(2) The bird relay station and master have been transformed in the project. We increased thealarm and protection devices to insure the stability of the network, realized the network statusonline regulation.(3) Birds collection equipment has been transformed, increasing the operating system tomanage information collection for Birds to meet the demand better.(4)We develop the protocol for airport wireless network, birds collection equipment, linkagebird equipment to ensure all equipments are in monitoring and management condition.In the summary, the various devices of the system have been tested by long-term stabilityand reached the airport bird need .By the bird collection devices and wireless network ,theairport bird information can be uploaded to the server monitoring platform,and the servermonitoring platform can develop specific command after analyzing the bird information,andsend the command to the linkage equipment though the wireless network ,which can achieveefficient, accurate and targeted effect.The system has been installed in lots of military airport . The system operates stably in birdwork, plays a significant role and achieves good results.The bird linkage device gets high affirmand appraise of the bird staff in the airport, and receives the military leaderspraise.Key Words: bird impact ; Linkage bird equipment ; Birds collection equipment; FM radioClassification: TN921第一章 绪论1.1 引言鸟撞是指高速运行在空中或者地面的飞机与空气中的鸟类碰撞造成的事故。在撞击的过程当中，由于鸟类运动状态的巨大改变超出了鸟类身体的承受程度，造成鸟类死亡，肢体分裂，因此鸟撞更类似软体碰撞1。鸟撞具有突发性和多变性的特点，由鸟撞造成的飞行事故不仅带来经济损失，同时带来更大的生命安全隐患，时刻威胁着乘客和空勤人员的人身安全，轻微鸟撞导致飞机部件损坏，严重鸟撞则会引发机毁人亡2-4。鸟撞是威胁飞行安全的一个重要因素，也严重影响了空军的飞行训练和航空业的正常运营。大致统计结果显示，从 20 世纪 60 年代以来，全球范围内鸟撞已导致 80 架民用航空飞机、250 架军用战斗机型损毁；在我国由于鸟撞原因造成的事故征候也已占事故征候总数的 1/3。鸟撞问题现今已经被航空界确定为最为严重的“A”类航空安全灾难5。随着绿化质量越来越高，机场以及周边的环境成为适合鸟类栖息的场所，在坚持生态平衡的原则下和不伤害鸟类的前提下避免鸟撞飞机事故的发生，在人与自然和谐相处的情况下将鸟类驱赶出特定区域，确保飞机的安全起飞和降落6-7。对于航空业而言，低空区域是鸟类经常活动的区域，随着飞机的速度越来越快，声音越来越小，飞机在起飞和降落阶段发生鸟撞的可能性大大增加，鸟撞事故对航空业带来了巨大的财产损失和人员伤亡。世界各国相关行业的专家都在努力寻求一种有效的方法避免鸟撞飞机事故的发生，所以对机场区域的鸟情信息采集、长期的分析处理，对航空业的发展有着长远的意义，同时将驱鸟设备和机场的鸟情信息紧密联系起来，实现了驱鸟工作的高效准确性，避免了驱鸟设备盲目动作，降低了机场驱鸟设备长期单调重复动作的可能性，应对了鸟类对驱鸟设备的耐受性问题。1.2 课题的来源和意义本课题来源于山东省科技发展项目，是山东师范大学和空军某部的合作项目。本文所研究的基于物联网的机场智能化驱鸟系统是根据军方对机场驱鸟工作的长期研究所提出的需求，经过双方长期对多个机场驱鸟工作和设备的长期考察和调研，对机场区域的鸟情隐患的调查，驱鸟现状的探讨和发展趋势的探讨，实现机场驱鸟工作的科学智能化，将计算机技术、通信技术、物联网技术、传感器等技术与机场驱鸟工作结合，提升机场驱鸟的自动化和智能化。本系统中的埋地式声驱炮已经申请发明专利并取得证书，智能驱鸟机器人也已经申请发明专利，正在审批中。本课题所研制的基于物联网的机场智能化驱鸟系统对机场驱鸟工作的开展有着重大2的推动作用。过去机场鸟情信息的管理存在多个问题，鸟情信息通过手写记录的方式将机场区域的鸟情信息记录下来，飞行结束后进行统一整理，存在着鸟情资料规范性差、实时性差等问题，采用鸟情信息采集系统可以实时通过鸟情采集设备和无线驱鸟网络将鸟情信息快速准确采集并通过鸟情信息数据库管理分析，在鸟情信息采集工作中大大节省了人力。机场旧的驱鸟设备破旧落后，驱鸟无效，本文所研究的联动驱鸟设备将驱鸟设备的动作和鸟情信息紧密联系，根据鸟情信息制定有针对性的驱鸟命令，开启特定的驱鸟设备，避免了驱鸟设备的盲目启动，应对了鸟类对驱鸟设备的适应性，改善了驱鸟设备的效果。该系统在多个军用机场稳定运行，大大改善了机场飞机起飞和降落环境，为航空安全做出了贡献，该系统中的联动驱鸟设备受到了机场驱鸟工作人员的赞赏，大大节省了机场驱鸟人力和财力支出。1.3 国内外驱鸟和相关技术的研究现状和趋势机场驱鸟是机场飞行保障工作中的一项重要工作，国内外各个机场的飞行保障人员中都配备了专业的驱鸟队伍，为保障飞行安全，避免鸟撞飞机事故的发生，机场驱鸟队员采用各种方法与鸟儿拉起了对抗战，世界各国的专家都在借助各种力量研究新的有效的驱鸟手段。1.3.1 国内外驱鸟的现状以及问题为了达到机场飞行的净空标准，国内外机场采用了各种方式驱鸟，目前各个机场已经配备了一些比较常见的基本驱鸟设施，这些设备主要以恐吓的方式进行驱鸟，但是这些设备在起初安装的时间内对鸟类具有一定的驱赶效果，时间长了，鸟儿对这些设备具有一定的适应性，设备失去了驱鸟价值。目前机场上常见的驱鸟方法有：（1）视觉驱鸟8，良好的视觉使鸟类能够及时发现天敌的存在，形象驱赶就是利用鸟类的这一特性。形象驱赶的经典方法主要有竖立稻草人或在旗帜上画上鸟类天敌的恐怖图案，对鸟类起到视觉上的恐吓驱赶，在气球上绘制鹰眼、在飞机上画图案来驱赶鸟类，在机场上安装彩带、反光风轮、闪光带等，利用光线发射来对鸟类眼睛进行刺激性驱赶。（2）听觉驱鸟，机场上现在一般配置的声音驱鸟设备主要包括煤气压缩炮、音频驱鸟器、驱鸟车等设备。煤气炮驱鸟9，模仿枪支的实际声光效果，在不杀害鸟类的前提下起到驱逐的作用；音频驱鸟器主要是通过大功率功放机和低音号角播放鸟类天敌的声音或者鸟类惨遭杀害的惨叫声；驱鸟车属于机场驱鸟工作的基本配置，驱鸟车能够选择性播放多种鸟类害怕的声音进行恐吓性驱鸟，机场驱鸟人员通过敲打锣鼓和燃放鞭炮的方式对鸟类进行声音性驱鸟。（3）物理驱鸟，物理方法主要包括驱鸟刺、引导式驱鸟10和网捕猎杀等。鸟刺是在一个圆形底座上设置许多针体，导致鸟类无法停落在机场区域，避免了鸟害的产生。在合适3的位置为鸟类“筑巢”，安装有一定容量的篮、盆，引导鸟类在固定的位置安家，变堵为疏。网捕和猎杀的方式长期进行具有明显的效果，但是枪杀的方式破坏了生态平衡。（4）化学驱鸟11，化学驱鸟是指使用特殊的化学药品，在机场上的重要区域进行喷洒，刺激驱赶鸟类。还可以在机场放置各种猛禽的粪便，鸟类闻到这种猛禽的特殊气味会逃离机场，在机场草坪区域喷洒农药，减少鸟类食物的数量，切断食物链的方法来降低机场鸟类数量。（5）生态驱鸟，生态驱鸟主要是种绿引鸟，在不影响飞机航行的区域建立适合鸟类生活的环境，同时整治机场周围的生态环境，减少鸟类的数量12，鸟类的生存离不开三个方面：水、食物、巢。水是生命之源，除了能满足鸟类对水的生理需要外，还有微小生物，各种昆虫和水生动植物是鸟赖以生存的基础，而这些小生物又是鸟的食物，所以有水的地方，鸟类的活动频繁。除微小生物外，植物的果实也是鸟类的主要食物之一，植物果实多的地区鸟类活动就猖獗。因此必须清除机场周围的水源，将跑道周围的草控制在适当的高度，不让其开花结果。以上种种驱鸟方式中在刚使用的短时间内都有明显效果13，但是长时间下来鸟类的耐受性使这些驱鸟设备失去了效果。机场上的很多充气气球都被鸟类啄烂，甚至有鸟类在煤气炮、音频驱鸟器上拉屎，有和驱鸟人员挑衅的意味；化学驱鸟方式长期使用积累对环境产生了很大的破坏；网捕猎杀的方式具有明显的效果，但是破坏了生态平衡，违背了驱鸟不伤鸟的原则；生态驱鸟是一项长久的工作，无法短期内有效的降低机场上的鸟类数量。1.3.2 国内外驱鸟的研究趋势国内外现在使用的驱鸟方式虽然成熟稳定，但是随着使用时间的增加，这些驱鸟设备基本落伍，造成旧设备无法驱赶新鸟的局面。因此当今的驱鸟工作成为全世界的难题，世界各国都在寻求一种有效的驱鸟方式来保证机场飞行的安全，降低航空业的损失。目前国内外驱鸟的研究趋势是寻求的驱鸟方法正在一步一步的和高科技结合，采用高科技的手段智能化驱鸟。美国正在研制雷达探鸟系统，变被动驱鸟为主动驱鸟。激光驱鸟、超声波驱鸟也正在投往机场驱鸟工作中，将来这些高端的驱鸟设备将成为机场驱鸟工作的有效基础设施。同时各国都在积极研究鸟情资料，对机场区域的鸟情资料进行长期的采集，采用人工智能、数据挖掘等方法对鸟情信息进行分析处理，从机场驱鸟变成鸟情隐患的预警，避免鸟撞事故的发生。1.4 本文的主要研究内容和创新点通过对当今国内外机场驱鸟现状资料的查阅和驱鸟工作研究趋势的分析，并且对国内多个机场的驱鸟工作进行了长期的实地调研，总结了机场驱鸟工作的短处和需求。决定研制基于物联网的机场智能化驱鸟系统来满足机场驱鸟工作的需要，沿着国内外机场驱鸟的4研究趋势，借助计算机、嵌入式、电子通信、物联网等高端新技术实现机场驱鸟的科学化、标准化、智能化。1.4.1 本文的主要研究内容本文研制的基于物联网的机场智能化驱鸟系统采用 Zigbee 技术、短波技术在机场组建无线鸟情指令传输网络，利用嵌入式系统、物联网、GPS、调频技术等研制鸟情采集设备和联动驱鸟设备，通过无线网络将鸟情采集设备、联动驱鸟设备和数据库管理平台结合起来，实现了机场鸟情信息和联动驱鸟紧密联系，提高了驱鸟效果。本文所研究的主要内容如下：（1）对一期项目鸟情信息采集系统中的无线网络进行了改造设计，增加了温度报警保护、中继站、主站状态检测管理系统，提高了无线驱鸟网络的稳定性，将网络状态实时监管。（2）根据机场驱鸟工作人员对机场驱鸟工作的需要，对鸟情信息采集设备进行了升级研制，将嵌入式 Linux 操作系统应用到鸟情信息采集设备中，实现了对机场鸟情信息位置、种类、数量、图像的准确采集，同时能够通过鸟情信息采集设备紧急控制联动驱鸟设备。升级后的鸟情信息采集设备更符合机场驱鸟工作的需要，运行更加稳定，操作更加方便。（3）总结了机场上现有驱鸟设备的弊端，研制出了联动驱鸟机器人，智能驱鸟机器人集成了播音模块、电磁炮模块、转动装置、摆臂装置等，完成了智能驱鸟机器人的硬件设计和嵌入式软件开发。根据机场的实际鸟情隐患信息启动联动智能驱鸟机器人，解决了机场以前无鸟情设备动作，有鸟情设备不能及时动作的弊端。（4）根据生物学鸟类专家的建议，研制出了埋地式机场诱导式声驱炮，有效应对了机场鸟类对驱鸟设备的耐受性问题。考虑到机场对跑道周围环境的高度要求，将声驱炮每个单体装置设计成隐藏式产品，在不工作状态下隐藏到地面以下，避免影响飞机的起飞和降落。1.4.2 本文的创新点（1）采用无线驱鸟网络将机场鸟情信息和联动驱鸟设备紧密联系起来，过去旧的驱鸟设备单调重复动作，应对了鸟类对驱鸟设备的耐受性问题，同时驱鸟设备的在线管理可以实现驱鸟动作的多变性，实现了因地制宜、因时制宜。（2）制定加密协议将无线驱鸟网络、鸟情信息采集设备和联动驱鸟设备在线管理，确保网络和设备的正常工作，防止设备故障导致的鸟情隐患无法解除，导致鸟撞事故的发生。（3）国内首次将计算机学、生物学、嵌入式开发和物联网等技术应用到机场驱鸟工作中，实现了驱鸟设备的智能化，驱鸟工作正规标准化。5第二章 智能化机场驱鸟系统的关键技术2.1 物联网技术物联网是在互联网和电信网的基础上发展起来的，将能够查询到的物理对象接入互联网或者电信网络中去，物联网技术是将传感器技术、各种先进算法相结合的新兴技术。2.1.1 物联网概述物联网14是新一代信息技术的重要组成部分。它有两层意思，第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，将传统的用户延展到任何的物体上，实现物体和物体之间的信息交互。主要体现了安全性、规模性和流动性的特点。2.1.2 物联网的产生与发展1995 年比尔盖茨首先提出了物联网的概念15。2009 年 1 月 IBM 提出“互联网+物联网=智慧地球”的理念并做为振兴经济的重要战略。2009 年 8 月国家总理温家宝“感知中国”的讲话对我国物联网的发展起了巨大的推动作用，带领物联网的开发和研究进入一个新的高潮，截至 2010 年，发改委、工信部等商议了新一代信息技术研究，完善了一系列对新信息技术支持的新政策。2.1.3 物联网的应用随着各项高新技术的快速发展，物联网已经进入到各行各业中，广泛应用在第一产业、第二产业和第三产业中，同时物联网的发展也推动了许多相关产业的快速发展。物联网的应用类型主要分为四种类型，数据采集型、自动化控制型、日常生活型和定位跟踪型16。（1）数据收集型数据收集，是利用特殊的装置从系统的外部收集需要的数据并传输到系统内部的特定的接口。数据采集技术广泛应用在各个领域。包括图像、声音的录入工具。数据采集一般是为了获得温度、压力等物理现象和数据。（2）自动化控制型自动化控制主要是应用在控制设备，从制造业等体力劳动中将人类解放出来，应用在生活工作的各个方面，自动化水平已经成为衡量国防科技和工农业的重要指标。（3）日常生活型6物联网的目的就是为了实现物体与物体间的信息交换与通讯，最终改善人类的生活方式，提高人们的生活质量。物联网的生活型应用主要表现在智能家居、客运物流、旅游、保险、资源再生与循环利用等方面。典型的例子有交通卡、智能家居、工业和楼宇自动化等。（4）定位跟踪型基于物联网的定位追踪方式多种多样，涉及到射频技术、无线网络技术和 GPS 定位技术，目前常见的定位系统中短距离的定位系统采用的是射频技术和无线网络技术结合，中长距离的定位系统采用的是无线网络和 GPS 结合的定位系统。物联网的发展使得全球物物相连，定位跟踪也就成为物联网一个重要的应用。2.1.4 物联网的关键技术物联网技术构架由感知层、网络层和应用层组成17，物联网的构架和人体结构原理一致，感知层主要相当于人类的感觉器官，如林业灌溉中的湿度检测器，这些就类似于人的眼耳口鼻，负责接收外界讯息。网络层类似于人的大脑，将接收到的信息整理加工并将处理方法发配给应用层，它包括各种网络或通讯平台。最后的应用层就是具体做出反应的系统，这个系统是直接与人类日常生活及工作相互接轨的，例如报警器，自动灌溉机等等，类似于人的手脚等等能够发出实际行动的器官。物联网的具体工作步骤就是由感知层接收信息并传递给网络层处理加工，最后由网络层发出指令给应用层进行实际处理。体系结构如图 2-1 所示：RFID图 2-1 物联网体系结构72.2 无线传感器网络技术物联网的应用可以感知世界上每一个物体，将每一个物体联系起来。这就要求随着物联网发展的推进，无线网络技术和传感器技术必须发展到较高的阶段，能够跟上物联网发展的脚步，才能更好的推进物联网的发展，与此同时也激励着无线网络和传感器技术向更高的层次迈进