楊東，袁家斌,金建龍

(南京航空天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

?

基于物聯(lián)網(wǎng)機(jī)場(chǎng)噪聲感知節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊東，袁家斌,金建龍

(南京航空天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

摘要：傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)噪聲測(cè)量一般通過聲級(jí)計(jì)鋪設(shè)電纜或者數(shù)據(jù)記錄儀來記錄機(jī)場(chǎng)噪聲數(shù)據(jù)。提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)場(chǎng)噪聲感知節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，介紹了該節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)以及軟件設(shè)計(jì)流程。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；機(jī)場(chǎng)噪聲；感知節(jié)點(diǎn)；硬件；軟件

0引言

隨著我國民航的快速發(fā)展，不斷新建、擴(kuò)建的機(jī)場(chǎng)和持續(xù)增長的航空運(yùn)輸量，使得機(jī)場(chǎng)噪聲問題愈發(fā)嚴(yán)重，機(jī)場(chǎng)的噪聲成為困擾我國民航快速發(fā)展的一個(gè)重要問題。傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)噪聲測(cè)量，由于測(cè)量節(jié)點(diǎn)成本高，節(jié)點(diǎn)安裝布局要求嚴(yán)格，使得測(cè)量節(jié)點(diǎn)無法在機(jī)場(chǎng)及其周邊進(jìn)行大規(guī)模部署，從而影響了整個(gè)機(jī)場(chǎng)噪聲環(huán)境監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響到對(duì)機(jī)場(chǎng)噪聲的評(píng)估和預(yù)測(cè)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)場(chǎng)噪聲監(jiān)測(cè)感知平臺(tái)，如圖1，通過短距離無線通信將感知節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送至中心控制平臺(tái)。

圖1　平臺(tái)示意圖

本文主要闡述感知節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案?；谖锫?lián)網(wǎng)的機(jī)場(chǎng)噪聲感知節(jié)點(diǎn)使用鋰電池和太陽能進(jìn)行能源供給，采用高性能低功耗的浮點(diǎn)DSP TMS320C6747作為核心運(yùn)算模塊，通過Zigbee的短距離無線傳輸將噪聲數(shù)據(jù)發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)成本低，設(shè)備安裝要求低，通過大規(guī)模的部署可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)噪聲環(huán)境的精確監(jiān)測(cè)。

1聲壓級(jí)

聲壓是聲波通過媒質(zhì)時(shí)，由于振動(dòng)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)改變量。它是隨時(shí)間變化的，單位是Pa或MPa， 聲壓級(jí)是表示聲壓大小的指標(biāo)。

式中：LP為聲壓級(jí)(dB)，P0為基準(zhǔn)聲壓2×10.5Pa，P為有效聲壓。

聲壓級(jí)只反映了聲音強(qiáng)度對(duì)響度的影響,，不能反應(yīng)聲音頻率對(duì)響度感覺的影響。為反映人們對(duì)聲音的主觀感覺提出了聲級(jí)，即計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的概念。聲級(jí)是用一定的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻率進(jìn)行計(jì)權(quán)后得到的聲壓級(jí)。為模擬人耳的響度感覺特性， 一般設(shè)有A、B、C、D 4種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)[1,2]。

2感知節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

感知節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)上分為信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)字處理模塊、Zigbee無線收發(fā)模塊、系統(tǒng)控制模塊以及電源模塊，如圖2。

圖2　系統(tǒng)模塊圖

信號(hào)調(diào)理模塊數(shù)字處理模塊無線傳輸模塊系統(tǒng)控制模塊電源模塊信號(hào)調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)低信噪比的模擬信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理后經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)至數(shù)字處理模塊，數(shù)字信號(hào)處理模塊完成噪聲信號(hào)的處理，輸出噪聲數(shù)據(jù)至無線傳輸模塊，然后再通過無線傳輸模塊發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)控制模塊完成整個(gè)系統(tǒng)的控制。

3主要硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理模塊由前置放大電路、程控增益儀表放大器、ADC采集電路組成。

由于噪聲信號(hào)的聲級(jí)范圍比較寬，正常的測(cè)量范圍為30dB~130dB。為了實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，因而采用了程控增益儀表放大器。一方面能夠提高信噪比，降低電路本身的底噪；另一方面，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)增益大小。

AD8253是一款數(shù)字可編程增益儀表放大器，具有高輸入阻抗、低輸出噪聲、低失真特性，適合與傳感器進(jìn)行接口，并驅(qū)動(dòng)高采樣速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。采用差分輸入+IN、-IN，輸出端的參考電平接地，輸出電壓Vout=G×(V+IN-V-IN)；將WR接-5V，實(shí)現(xiàn)透明增益模式，通過DSP的GPIO控制A1、A0，實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)如表1。

表1　增益自動(dòng)調(diào)節(jié)表

AD采集電路用來將調(diào)理放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。由于在信號(hào)的量化過程中會(huì)產(chǎn)生混疊效應(yīng)，所以需在信號(hào)的輸入端加入抗混疊濾波器。根據(jù)采樣定理，采樣頻率要大于信號(hào)最高頻率的2倍。

選用ADI公司的AD7606-4，它是16位4通道同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸同時(shí)支持高速串行和并行接口。

AD7606-4內(nèi)部集成的二階抗混疊濾波器，信號(hào)的3 dB截止頻率為15 kHz，>15 kHz的信號(hào)衰減比較明顯,因此無需設(shè)計(jì)抗混疊濾波電路，減少干擾信號(hào)的同時(shí)又簡化了電路的設(shè)計(jì)。

圖3　DSP控制模塊圖

ADC與DSP通過并口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，本設(shè)計(jì)選用TMS320C6747這款低功耗浮點(diǎn)DSP如圖3所示，DSP片外地址線EMA_A12與片選EMA_CS4#同時(shí)作用時(shí)產(chǎn)生ADC片選信號(hào)，通過74LV139與AD7606-4的CS引腳相連。只有當(dāng)EMA_CS4#邏輯低電平，同時(shí)EMA_A12邏輯高電平時(shí)，74LV139才會(huì)在1Y1腳輸出邏輯低電平，此時(shí)AD7606-4才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

無線傳輸模塊選用丘捷科技基于TI公司第二代2.4GHzIEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee的第二代片上系統(tǒng)解決方案的全功能模塊。集射頻收發(fā)及MCU控制功能與一體，接收靈敏度高，發(fā)送距離遠(yuǎn)，空曠環(huán)境最大傳輸距離可達(dá)1 000m。DSP通過UART直接與CC2530相連，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o縫連接。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1　聲壓級(jí)計(jì)算方法

1/3倍頻程頻譜分析是聲級(jí)測(cè)量中常用的方法，1/3倍頻程是兩個(gè)基頻相比為2的立方根的聲音或其他波動(dòng)信號(hào)間的頻程。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

f1/f2=21/3

式中：f1為基準(zhǔn)頻率；f2為與f1相隔1個(gè)1/3倍頻程的頻率。

通過數(shù)字濾波器將20Hz至20kHz的聲音信號(hào)細(xì)化成30個(gè)頻帶，對(duì)頻帶內(nèi)的噪聲進(jìn)行計(jì)算，即可得到1/3倍頻程頻譜[3,4]。

根據(jù)沖激響應(yīng)的不同，將數(shù)字濾波器分為FIR和IIR。設(shè)計(jì)同樣參數(shù)的濾波器，F(xiàn)IR比IIR需要更多的參數(shù)，增加了DSP的計(jì)算量。由于噪聲測(cè)量對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較高，因而選用IIR濾波器進(jìn)設(shè)計(jì)[4]。

使用MATLAB的FDATOOL可以很輕松的設(shè)計(jì)出30個(gè)帶通濾波器，同時(shí)可模擬DSP算法。對(duì)濾波器結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使設(shè)計(jì)得到的濾波器在DSP上能夠?qū)崿F(xiàn)高效的算法。

使用FADTOOL生成八階巴特伍茲濾波器，得到用4個(gè)二階直接II型IIR濾波器級(jí)聯(lián)組成的八階濾波器，圖4為直接II型IIR濾波器的結(jié)構(gòu)圖[5]。

圖4　直接II型IIR濾波器

組成的八階濾波器傳遞函數(shù)為：

H(Z)=H1(Z)×H2(Z)×H3(Z)×H4(Z)=

每個(gè)直接II型濾波器的差分方程為[6]：

d(n)=x(n)-a1×d(n-1)-a2×d(n-2)

y(n)=b0×d(n)-b1×d(n-1)-b2×d(n-2)

分別對(duì)30個(gè)濾波器的序列進(jìn)行計(jì)算，得出1/3位頻程頻譜。

4.2　數(shù)字處理的流程(圖5)

圖5　軟件流程圖

5結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)場(chǎng)噪聲感知節(jié)點(diǎn)由于其低功耗低成本布局方便的特性，使之在機(jī)場(chǎng)進(jìn)行大規(guī)模的進(jìn)行部署成為可能，為機(jī)場(chǎng)噪聲的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的硬件基礎(chǔ)。同時(shí)由于噪聲的測(cè)量采用數(shù)字處理的方法，方便了算法的改進(jìn)和升級(jí)，因而有很廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn):

[1] 張紹棟，孫家麒. 聲級(jí)計(jì)的原理和應(yīng)用[M]. 北京：計(jì)量出版社，1986.

[2] 姜志鵬. 一種基于DSP的數(shù)字聲級(jí)計(jì)設(shè)計(jì)[J]. 價(jià)值工程，2010(32)：204-205.

[3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). JJG449-2001倍頻程和1/3倍頻程濾波器[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[4] 沈秋霞. 基于DSP的1/3oct濾波器在聲級(jí)計(jì)中的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J]. 電聲技術(shù)，2008(07)，33-35.

[5] 程佩青. 數(shù)字信號(hào)處理教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1995.

[6] 陳亮，楊吉斌，張雄偉. 信號(hào)處理算法的實(shí)時(shí)DSP算法[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008.

Design and Implementation of Node of Airport Noise Awareness Based on IOT

YANG Dong, YUAN Jia-bing, JIN Jian-long

(Nanjing University Of Aeronautics And Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:Airport noise is measured tradition ally by the sound level meter which needs to lay its cable and the airport noise data is recorded by the data reconder. This paper proposes a proposal of designing and implementing the node of airport noise awareness based on IOT and introduces its node hardware structure and software design process.

Keywords:IOT; noise of airport; node of noise awareness; hardware; software

中圖分類號(hào)：TP274.+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0212-03

作者簡介：楊東(1984-)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)場(chǎng)噪聲的測(cè)量。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61139002)

收稿日期：2014-10-21 2014-10-30