输电线路的稳定运行对国家经济稳步发展、百姓安居乐业具有重要的作用。然而，随着近年来生态环境的逐步改善，鸟类栖息和活动区域显著增加，这对输电线路的安全运行产生了巨大的威胁[1]。目前，鸟害已成为造成输电线路故障的主要原因之一[2]，每年电力公司需要消耗大量的人力物力处理鸟类活动对输电线路带来的危害。因此，设计一套鸟害防治装置不仅可以使输电线路运行更加稳定安全，还可以节省大量的人力物力。

目前，国内外防治鸟害的主要方法是通过一定方式刺激鸟类，使其受到惊吓，从而远离输电线路，主要的防治设备包括防鸟刺、风车、激光等[3,4]。研究表明，鸟类具有极强的适应性[5]，机械、单一的驱赶设备起初会有一定的效果，但长期来看，这些设备会完全失去作用，甚至会起到反作用[6]；另外，目前的鸟害防治设备智能化不足，装置工作过程中缺少信息反馈，以致于无法判断驱鸟是否有效。

因此，针对以上问题，本文设计了一套输电线路智慧驱鸟系统，该系统包括智慧驱鸟装置和云服务器两部分，驱鸟装置基于模块化的思想，可以主动对鸟类进行探测；具有声音、超声和激光三种驱鸟方式，并能够根据驱离情况进行针对性更新，有效降低鸟类适应性，提高驱离成功率。

1、输电线路智慧驱鸟系统架构

本文设计的系统架构如图1所示，整个系统包括两部分：若干智慧驱鸟装置和云服务器。

图1 输电线路智慧驱鸟系统架构   

智慧驱鸟装置采用多模块化方案，分置于杆塔各处，采用主动检测的方式判断鸟类是否趋近；智慧驱鸟装置根据系统运行策略启动声音、激光、超声波等不同的驱鸟设备配合进行驱赶，并判断是否驱赶成功；智慧侦测驱鸟装置具备无线通信功能，能够将鸟类到达后通过摄像头拍摄的照片以及驱赶信息上传至云服务器数据库进行数据存储，云服务器需要针对不同区域不同杆塔的数据完成分类对应存储，以便软件系统进行数据分析与处理；服务器搭载Web服务器，用户可以通过浏览器进行访问，以获知鸟害防治信息并控制智慧驱鸟装置防治策略，云服务器在合适时间将用户上传的防治策略回传更新至智慧驱鸟装置。

2、输电线路智慧驱鸟系统硬件设计

智能驱鸟系统主装置硬件结构如图2所示。本设计中，智慧驱鸟系统主装置主要由核心控制模块、电能管理模块、检测模块、驱离模块、摄像模块、无线通信模块六部分组成；而副装置由核心控制模块、电能管理模块、检测模块、驱离模块、无线通信模块五部分组成。核心控制模块采用上海乐鑫的ESP32-D0WDR2-V3芯片作为主副装置的MCU；电能管理模块采用太阳能电池板及大容量锂电池为装置供电；检测模块采用HB100微波雷达运动传感器实现鸟类运动检测；驱离模块集成声音驱鸟、超声驱鸟、激光驱鸟三种驱鸟方式联合驱鸟；摄像模块采用ESP32Cam实现鸟类、鸟巢图像的采集；无线通信模块采用有人云USR-DR150 4G Cat1装置实现与服务器进行数据传输，采用ESP-NOW实现主副模块间的通信。

图2 智能驱鸟系统主装置硬件结构图  

2.1 核心控制模块

核心控制模块由ESP32-D0WDR2-V3芯片及其外围电路组成，该芯片搭载Xtensa LX6双核处理器，主频高达240 MHz，具有丰富的GPIO管脚和通信接口，能够有效实现对各个功能模块的综合控制和工作信息的采集；通过外围电路扩展SRAM和SD卡，能够有效实现对图片等驱鸟信息的处理和存储；通过扩展FLASH，能够有效存储大规模程序，以应对复杂多样的控制过程；具有多种低功耗模式，可以胜任该系统的低功耗需求；内置WiFi和蓝牙，能够满足主副装置之间近距离无线通信的需求，无需额外配置。

2.2 电能管理模块

电能管理模块主要完成太阳能电池充电控制和电压转换两部分功能。在太阳光照充足时，驱鸟装置由太阳能板和锂电池共同供电，同时太阳能板对锂电池进行充电；光照不足时，仅由锂电池供电。太阳能电池板工作电压为12 V，锂电池为7.4 V。

太阳能电池充电控制原理如图3所示。该电路采用CN3722作为太阳能充电控制的IC（集成电路）。该芯片具有MPPT（最大功率点跟踪）功能，该功能可以使太阳能板充电效率达到最高[7]。

图3 CN3722芯片及其外部电路  

在外围电路中，通过设置R1和R2的阻值，将太阳能电池最大功率点电压设置为12 V，即太阳能板的工作电压。该芯片还具有涓流、恒流、恒压三段式充电功能，恒压充电电压通过R7和R8设置在8.4 V。在太阳能板电压不足时，CN3722也会自动进入低功耗睡眠模式，以满足低功耗需求。

电压转换原理如图4所示。该电路通过TPS63070芯片及其外围电路实现电池电压到3.3 V、5 V和9 V电压的转换。该芯片是一款具有低静态电流的高效降压-升压转换器，此芯片基于一个固定频率、脉宽调制（PWM）控制器，通过使用同步整流来获得最高效率，在低负载情况下，此转换器还能够进入省电模式以保持高效率。输出电压由电阻R1和R2进行调节，以满足不同电压等级的供电需求。该芯片的EN端口连接到ESP32的I/O端口，ESP32通过将电平拉低的方式使芯片被禁用，以减少电池消耗。为防止电池过放，输入端通过电阻分压的方式监控电池电压，由核心控制模块通过ADC进行采集，当电池电压小于7 V时禁用芯片，不再为后续电路供能。

图4 TPS63070芯片及其外部电路   

2.3 检测模块

检测模块通过主动检测，实现对鸟类靠近的报警，该模块工作原理如图5所示。

图5 HB100检测模块电路图  

检测模块采用HB100型微波雷达实现，HB100微波运动传感器模块是X波段单静态DRO多普勒收发器前端模块[8]。该模块专为运动检测而设计，由介电谐振振荡器（DRO）、微波混频器和贴片天线等构成。为实现低功耗，通过核心控制模块产生的脉冲信号进行控制，实现对HB100低占空比脉冲串供电。当鸟类靠近时，传感器IF端输出微伏级别的信号，该信号通过后级滤波放大电路进行处理，最终输出一定频率的方波信号被核心控制模块识别。

2.4 驱离模块

驱离模块通过声音驱鸟、超声驱鸟、激光驱鸟三种驱鸟方式配合工作，以提高驱离复杂度，削弱鸟类的适应性。

驱离模块原理如图6所示。其中，声音驱鸟和超声驱鸟共用PW1250高频扬声器，该扬声器工作频率高达25 kHz。研究表明，20 kHz以上频段的超声波能够刺激鸟类的神经系统，使其生理紊乱以达到驱鸟效果[9]；而高保真播放各种鸟类害怕的声音，也能够使鸟类感到危险重重，从而远离声源。ESP32读取存储于SD卡内的WAV格式的音频文件，然后通过I2S(Inter-IC Sound）协议传输至PCM5102音频解码模块，该模块将I2S数字音频信号转换为模拟音频信号，通过OUTR端口传输至11 W防破音单声道D类音频功放HT8693，经过功率放大后由PW1250高频扬声器播出。HT8693功放具有ACF（防削顶失真）功能，能够显著提高音质，提高驱离效果[10]。

图6 驱离模块电路图   

对于激光驱鸟，研究表明，鸟类视觉对于波长为532 nm的绿色激光最为敏感[11,12]。因此设计采用HLP1235-532-30-5.0T激光模组作为激光源，该激光源能够发出532 nm波长的绿色激光，功率为30 mW，并具有TTL电平调制功能。通过ESP32发出的PWM信号，在高频情况能够实现调节激光亮灭，在低频情况下实现激光闪烁，从而实现驱离策略可调，以降低鸟类的适应性。另外，在激光源放置滤片，将单光束变为多光束，有效增加了驱离范围。

2.5 摄像模块

摄像模块实现驱离过程中的图片记录和杆塔的鸟巢监测，方便工作人员调整驱离策略以及对鸟巢的及时清理。该模块采用ESP32-CAM单独工作，其通过UART协议与核心控制模块相连，以实现指令和图像的传输。ESP32-CAM是安信可最小尺寸的摄像头模组，其上搭载OV2640摄像头红外版，配合红外灯组，即使夜间也能够实现图片记录。

2.6 无线通信模块

无线通信模块实现同一杆塔上主装置和副装置之间的近距离通信，以及主装置和云服务器之间的远距离通信。近距离通信采用ESP-NOW通信方式，ESP-NOW是上海乐鑫公司以其ESP系列无线WiFi晶片为基础所定义的一种无线通信协议，这种通信协议不需要握手过程，在使用前经过配对后，通电就可以实现自动连接。由于ESP32-D0WDR2-V3芯片已内置WiFi，因此各个装置无需额外的设计就可以完成ESP-NOW通信。该协议支持多机全双工通信，当装置收到来自其他装置的信息帧后，能够通过回调的方式进行处理，无需循环监听，并且由于该协议没有握手过程，因此当某装置检测到鸟类后，可以通过该协议快速将警告广播给其他装置，以实现发现鸟类后的快速反应。ESP-NOW工作示意图如图7所示。

图7 ESP-NOW工作示意图   

主装置和云服务器之间通过有人云USR-DR1504G Cat1装置进行通信。USR-DR150通过UART串口同核心控制模块连接，核心控制模块将数据通过串口发送给USR-DR150后，该装置将其封装为TCP报文，通过4G Cat1高速网络发出。相比NB-IoT,4G Cat1能够达到5 Mb/s上传速度和10 Mb/s下载速度，更适合本设计中传输图片、音频等需求。另外，由于TCP协议的可靠传输和USR-DR150的数据缓冲技术，可以保证传输过程不丢包，传输数据按序到达。

3、输电线路智慧驱鸟系统软件设计

在本设计中，系统的软件控制逻辑主要分为两个部分：第一部分为装置检测、驱离及更新的控制逻辑；第二部分为云服务器控制更新、数据处理控制逻辑。首先，部署在各个输电塔的智慧驱鸟装置记录鸟类入侵、驱离过程等信息，并拍摄图片记录；信息随后在更新周期通过无线通信模块上传至云服务器，云服务器对数据解析后，存储在数据库；当用户通过浏览器访问时，云服务器将数据以可视化的形式反馈回用户；最后用户若选择更新智慧驱鸟装置配置信息，则数据通过浏览器客户端、云服务器、无线通信模块，最终实现配置信息的更新。

3.1 检测驱离软件架构

智慧驱鸟系统主装置的驱鸟工作控制逻辑如图8所示。

图8 智慧驱鸟装置检测驱离软件设计流程   

第1步：读取存储在RTC慢速内存内的配置信息，该配置信息定义整套装置如何工作，包括夜晚是否工作、更新时间点、激光工作频率、超声工作频率等。该配置信息在装置连接到云服务器时由云服务器进行更新，因此整套驱鸟装置可以根据部署地点、工作时间、驱离情况等动态更新配置信息，从而使整套系统工作在最佳状态；

第2步：装置进行自检，根据刚刚加载的配置信息，检测电池电压是否过低、当前时刻是否不在工作区间等内容。若检查不通过，则进入深度睡眠以等待工作条件满足。

当装置成功自检通过后，检测模块开始工作。驱离模块是否工作由检测模块和ESP-NOW收到的来自其他装置的信息帧共同决定，若检测模块检测到鸟类运动信息，还需要通过ESP-NOW通知其他装置协同驱离。驱离模块只工作固定N秒，在驱离模块结束驱离动作后M秒内若仍能收到检测模块或ESP-NOW的信息帧，则可以判断该鸟没有飞离或该鸟飞离后短时间内又有其他鸟类入侵，说明鸟类已对目前工作的驱离策略具有很强的适应性，此次驱离标记为失败。

3.2 无线通信软件架构

智慧驱鸟装置和云服务器通信工作控制逻辑如图9所示。

图9 无线通信软件设计流程   

智慧驱鸟装置首先进行NTP时间更新，只有当前时间处于更新时间段内时，才主动与云服务器连接，其余时间断开连接以降低功耗。根据研究表明，绝大多数鸟类夜间不进行活动，而更新期间智慧驱鸟装置无法进行检测驱离，所以将更新时间段设置为午夜，能够最大限度地降低更新过程对驱鸟工作的影响。

4、输电线路智慧驱鸟系统验证分析

上述智慧驱鸟装置和云服务器软硬件方案共同构成了输电线路智慧驱鸟系统。将智慧驱鸟装置安装于真实输电杆塔并启动服务器，能够接收到智慧驱鸟装置上传的数据，在实际工作环境中，该系统表现良好。

表1为某杆塔某天部分时间段驱离信息统计结果，其结果表明：智慧驱鸟装置能够有效实现趋近鸟类的动态监测，并基本可以实现趋近鸟类的驱离。

图10为智慧驱鸟装置工作14天驱离成功率折线图，其结果表明：智慧驱鸟装置能够达到一个较高的驱离成功率，随着鸟类对当前驱离策略的逐渐适应，在前9天驱离成功率呈缓慢下降趋势，当第10天进行驱离策略更新后，驱离成功率有了显著提升，表征驱离策略针对性更新能够有效降低鸟类适应性，使驱离效果长期保持高度有效。

表1 某杆塔某天部分时间段驱离信息统计结果  

图10 智慧驱鸟装置14天驱离成功率折线图  

5、结语

本文设计针对目前驱鸟设备的问题，基于物联网技术实现了输电线路智慧驱鸟系统的智慧驱鸟装置开发和服务器平台开发。根据测试情况，该系统鸟害防治效果良好，能够对驱鸟效果进行监测和评估。

1）对于智慧驱鸟装置，基于模块化方案，采用主动检测的方式判断鸟类是否趋近，根据系统运行策略启动声音、激光、超声波等不同的驱鸟设备配合进行驱赶，实现了驱离率的有效提升。

2）在无线通信方面，智慧侦测驱鸟装置能够将鸟类到达后通过摄像头拍摄的照片以及驱赶信息上传至云服务器数据库，并从云服务器更新驱离策略，实现了驱离信息的存储和反馈。装置间通过ESP-NOW进行通信，实现了侦测驱离的联动。

3）云服务器搭载Web服务器，用户可以通过浏览器进行访问，以获知鸟害防治信息并控制智慧驱鸟装置防治策略，实现了驱离信息的可视化显示和防治策略的精准控制。

通过在实际输电线路安装测试，验证了智慧驱鸟系统的可靠性和有效性。

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基金资助:国网浙江省电力有限公司科技项目(890300z202305012);

文章来源:汤瀚博,蒋旭,李海波等.基于物联网技术的输电线路智慧驱鸟系统设计[J].现代电子技术,2023,46(21):154-159.