无线驱鸟炮系统设计与实现

无线驱鸟炮系统设计与实现作者：王琦周立青来源：《数字技术与应用》2013年第09期摘要：针对机场鸟害日趋严重以及传统驱鸟手段效果不佳的现状，设计了一种无线驱鸟炮系统。

系统上位机由PC机和数传电台组成，用来向下位机发出指令和读取下位机反馈的信息。

下位机以单片机AT89S52为核心，用来控制煤气炮的点火，同时配合压力变送器、振动传感器等传感装置检测下位机的状态，并将这些状态信息反馈回上位机。

该系统灵活地实现了远程单炮点火、一组或全部炮按设计时序放炮以及现场点炮等多种不规律点炮驱鸟方式，达到了较好的驱鸟效果。

关键词：驱鸟单片机分布式网络无线数据传输中图分类号：TN206 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）09-0127-02随着航运事业的发展，飞机数量、航线增多，同时随着人类活动范围的扩大，使适合鸟类生活、栖息、繁衍的自然环境大幅度减少，机场成为鸟类生活、栖息、繁衍的理想场所。

随之而来的就是飞鸟撞机的几率大大增加。

目前各飞机场采取的都是比较传统的驱鸟方法，如猎枪捕杀、捕鸟网、驱鸟专用车等手段，效果却往往不尽人意。

本文设计了一种基于无线网络控制的驱鸟炮系统，实现了对传统驱鸟方法的改进。

1 系统总体方案设计系统由上位机发出指令，通过数传电台传输到下位机，再由下位机控制驱鸟炮的开关与点火，同时下位机能够向上位机反馈结果。

根据这些设计要求，采用集总式分布式网络，设计系统的网络拓扑结构如（图1）所示。

1.1 上位机的设计在（图1）中，上位机通过无线网络实现对每个下位机系统的检测和控制，完成以下几个功能。

（1）完成对每个下位机系统在机场地图上的地理分布显示。

（2）检测下位机是否在线。

（3）通过手动或自动方式，控制下位机打炮驱鸟。

手动方式是由工作人员输入命令控制点火；自动方式则通过预先设置参数，单独控制某一个驱鸟炮，某一组或者全部的驱鸟炮按照设定的时间顺序进行放炮驱鸟。

（4）接收和处理驱鸟炮的反馈信息。

获取驱鸟炮的点火信息，包括点火电压、电源电压、煤气气压、振动传感器信号等，并实时显示在主控界面上。

根据上述的要求，上位机由PC机和数传电台组成。

PC机强大的数据处理能力和人机界面功能，便于工作人员观测与操作。

PC机与数传电台通过9针串口实现数据交换，上位机的命令经过数传电台发送到下位机。

1.2 下位机系统设计下位机的系统框图如（图2）所示。

下位机系统设计主要完成以下几个功能。

（1）根据上位机的命令，进行点炮。

（2）点炮后，检测是否成功点火，并将检测的结果反馈回上位机。

（3）检测点火电压，并将检测的结果反馈回上位机。

（4）检测电池的电压值，并将检测的结果反馈回上位机。

（5）检测煤气的气压，并将检测的结果反馈回上位机。

（6）现场人工控制点火。

根据下位机设计的功能要求，下位机的硬件结构主要包括：①无线通信模块。

使用9.6K 的波特率与上位机进行通信，并按照命令执行相应的操作。

②点炮控制模块。

下位机收到点火的命令之后，先打开煤气阀门，3秒钟之后，煤气室已经储存了一部分煤气，这时关闭煤气阀，再送出打火信号1秒钟，即可点炮成功。

③系统状态检测模块。

检测蓄电池电压、点火电压、振动传感器以及压力变送器的输出结果等信息。

1.3 上位机与下位机之间的传输协议上位机与下位机之间发送的基本数据格式如（表1）：其中，Pre表示前导码；Key表示关键字，用来区分各种情况下的数据，接收节点会根据这些关键字分别进入不同的数据处理单元；From表示源地址，是发送数据的节点自身信息；Final表示数据的目标地址；Data表示有效数据，这些数据随着字符Key的不同采用不同的格式，可携带不同的信息；Check表示检验位，可避免接收错误的数据包；Flag表示数据包的结束标志位。

系统中上位机发出的一桢数据共有9bytes，格式如（表2）。

为了减小干扰，在命令字节前后各加了1byte的防干扰冗余码。

并且数据包以防干扰冗余码作为结束标志位。

下位机返回的一桢数据共有13bytes。

包含了帧头、目的地址、源地址、多个防干扰冗余码、电源电压值、点火电压值、压力电压值、校验等数据。

2 下位机硬件电路的设计2.1 无线传输模块系统中下位机使用电池作为电源，故无线传输模块应满足使用单电源5V左右供电，且功耗低；接收灵敏度高，传输距离至少应有5千米；误码率低，抗干扰能力强；可用于点对点、点对多点、多点对点等多种通信组合方式等多个要求。

在实际测试中，我们选择了数传电台JZ875，可实现6千米的直线通信距离。

2.2 单片机和ADC选用最为通用的51系列单片机Atmel 89S52，外扩AD芯片实现数据采样，同时检测数据电压采集包括电源电压、点火电压、振动信号、煤气压力信号，必要情况下加上温度信号，对电压精度和采样速率要求都比较低。

因此对于这样的一个多电压的采集系统，可以使用多通道AD转换芯片AD0809来实现。

2.3 电控阀门驱动模块系统使用AirTAC电控阀门，AirTAC阀门的驱动电路由NPN型三极管TIP41C和逻辑非门组成，如（图3）所示。

（图3）中P_AirTAC为恒压11.3V，当P1.3输出低电平时，74HC04的2脚输出高电平，TIP41C的射极导通，N_AirTAC输出低电压，阀门打开。

当P1.3输出高电平时，TIP41C基极为低电平，射极不能导通，N_AirTAC脚电压较高，线圈电压不足，阀门闭合。

2.4 电打火器驱动模块打火器驱动电路由NPN型三极管TIP9013和六非门逻辑芯片74HC04组成，如（图4）。

当P1.4输出低电平时，74HC04第4脚输出高电平，9013射极导通，N_Fire脚输出低电压，而P_Fire电压恒为11.3V，这时打火器会打火。

当P1.4输出高电平时，4脚为低电平，9013射极不能导通，N_Fire脚电压较高，P_Fire与N_Fire之间电压差很小，打火器不打火。

2.5 振动传感器模块在下位机中，振动传感器用来检测上位机发出命令后煤气炮开炮是否成功。

由于对振动只有定性的要求，而没有量的要求，故采用机械接触型振动传感器振动传感器的后级处理电路如（图5）。

图中振动传感器静止时阻值为零，在振动时，阻值变大（在1K欧姆以上），和1K欧姆电阻之间的电压随之变大，这个电压经过一个射极跟随送到ADC0809中，单片机读取后，通过与内部预先设置的门限电压进行比较，就可以判断煤气炮开炮是否成功。

2.6 压力变送器模块为了方便在煤气不足时进行补充，需要使用压力变送器测量煤气罐的气压。

系统选用的是CYYB-110系列小型压力变送器。

在煤气罐压力为0.5～1.2MPa的情况下，对应输出电压为1.56V～ 3.75V。

2.7 电源处理部分由于驱鸟系统应用于机场，无法也不允许在机场内随意布线，所以下位机系统的供电模式只能采用自给供电。

在本系统中，采用太阳能光电蓄电池来储蓄电能，供给整个下位机的电源。

3 系统应用上位机按照设定好的无线传输协议向下位机发送命令并读取下位机的反馈信息。

下位机系统初始化之后，更新电源电压、点火电压在数据缓冲区的值，并开始等待下位机的按键输入和命令行匹配。

根据按键输入进行现场点火或上报点火信息；或在串口中断后执行上位机的命令，包括点火、测试通信信道等。

3.1 抗干扰措施在系统初步完成之后，首先进行了打火器打火的测试。

在手动控制和无线控制的情况下，AirTAC阀门的开与关和电打火都能正常完成。

但当把阀门和打火器都装上驱鸟炮之后，单片机却不能正常工作，经常死机，无法控制打火。

经检查发现，打火器的端与煤气室的壁是接触的。

由于打火器是电容式电打火，在打火瞬间会产生很大干扰。

在打火器两端都悬空的时候，下位机电路中的抗干扰措施还能保证单片机正常工作。

当打火器一端与煤气室内壁接触后，打火器两端之间的电容变大，干扰就变得更大，直接导致单片机死机。

通过采取以下的措施，最终使系统达到了稳定。

（1）电打火首先影响的是电源，在电源接入点并入470uF电容，同时在5V和12V供电处串联磁珠。

（2）各个芯片的电源和地之间都并联去耦电容。

（3）优化打火时间。

实验得出0.3秒约可以产生3-5个电火花，保证可靠点火。

（4）加入看门狗软件。

3.2 通信距离的测试机场周边通信距离要求一般在5Km左右，系统选择数传电台JZ875，分别配置棒状天线（10cm）、小吸盘天线（20cm）、大吸盘天线（100cm）3种天线进行了测试。

测试结果表明最长在6千米左右的距离，这个距离已经足够飞机场的使用。

4 结语本文设计的无线驱鸟炮系统实现了由上位机发送指令，控制下位机单个点火、部分点火或全部点火；也可以控制下位机实时点火、延时点火。

同时也可实时采集点火命令的执行结果、煤气气压值、电池电量等信息。

经过在飞机场的实际测试，效果良好。

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