朱 娟

（湖北文理學院物理與電子工程學院,襄陽441000）

1 引言

隨著人們生活水平的提高，私家車已經(jīng)廣為普及，而車禍的發(fā)生也越來越頻繁，尤其在上下班、節(jié)假日等出行高峰期。交通事故發(fā)生后若能及時展開營救，則可有效降低死亡率，保障生命安全。然而，目前在我國采用的交通事故檢測報警方法主要是人為自行報警施救、交通部門監(jiān)控施救、車內(nèi)簡易安全報警裝置等。此類方法實時性差，準確率低，極易錯過施救的最佳時機，造成不可挽回的后果。

車禍發(fā)生時會產(chǎn)生巨大碰撞聲，該聲音從能量上和持續(xù)時間上區(qū)別于其它聲響，因此其頻譜也和一般聲音不同。國內(nèi)外對此有過大量的相關研究，例如Brockmann利用傅里葉變換對碰撞聲信號進行分析，但識別效果不佳，誤判較高；Yunlong Zhang提出了利用小波變換分析車輛聲音的方法來檢測車輛事故，得到了很好的識別效果，但是對硬件采樣速率要求較高，增加了無線通信的負荷[1]。本設計采用無線傳感網(wǎng)絡采集車輛周圍聲信號，根據(jù)聲信號在頻域中的稀疏性質(zhì)，利用壓縮感知理論低頻采樣并重構原始聲信號，同時分析聲音信號的頻譜特征，計算信號在特定高頻帶與低頻帶的能量比，以及對能量比均值和標準差進行特征提取，實現(xiàn)信號分類、識別。該方法能大大降低采樣過程中對硬件采樣速率和能量的要求，且具有較好的識別效果，從而可實現(xiàn)系統(tǒng)的低成本化和實用化。

2 硬件設計

本系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，主要包括以下三部分：聲信號無線采集網(wǎng)絡；聲信號處理模塊；報警模塊。聲信號被傳感器采集后經(jīng)濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換，送入ZigBee發(fā)送模塊。圖1中的無線聲信號傳感器節(jié)點可設置多個，分別安裝在車輛的不同位置，實現(xiàn)多路聲信號采集，以提高系統(tǒng)精準性。ZigBee接收模塊收到聲信號后，數(shù)據(jù)進入DSP芯片進行重構與恢復，并根據(jù)聲信號頻譜特征對車禍事件情況作出判斷，若符合條件，則驅(qū)動報警模塊[2]。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 音頻傳感器

音頻傳感器采用TI公司的PCM3168A芯片，它是一款具有96/192 kHz采樣速率的6通道輸入/8通道輸出，24位多通道音頻編解碼器[3]。支持單端差分可選模擬輸入和差分輸出，在音頻接口上輸出16位/24位寬的數(shù)字十二進制信號。另外，此款PCM3168A還支持時分復用（TDM）格式，可通過四線、SPI兼容接口、正交線、I2C兼容接口等軟件進行控制。它作為一款可編程的音頻芯片，可通過寫入內(nèi)部寄存器的控制字來設置工作方式和采樣速率。

2.2 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點

ZigBee組網(wǎng)芯片采用TI公司的CC2530，它是TI新近推出的符合IEEE 802.15.4的2.4G射頻收發(fā)器，該芯片支持數(shù)據(jù)傳輸高達250kb/s。CC2530集成了業(yè)界領先的RF收發(fā)器、增強工業(yè)標準的8051 MCU、可編程Flash存儲器、8kB RAM，同時兼有許多其它強大功能[4]。CC2530比較適用于需要超低功耗的系統(tǒng)，它能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點，實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)，是一個真正的用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的片上系統(tǒng)（SOC）解決方案。

2.3 DSP數(shù)據(jù)處理芯片

DSP數(shù)據(jù)處理芯片采用TI公司的TMS320C6678，它是一款基于KeyStone架構的多核固定浮點數(shù)字信號處理器，支持高性能的信號處理應用。它運行速度最高可達1.25GHz，在該速度下它可以進行每秒160千兆次浮點運算，而且在通常情況下消耗的電能不到10W。TMS320C6678處理器的特色是它每一個DSP內(nèi)核都有512kB的L2內(nèi)存；此外，8MB的芯片內(nèi)存中有4MB的共享內(nèi)存，并且這兩個內(nèi)存都有糾錯碼。它的DDR3界面是64位的，有8位糾錯碼，運行速度可高達1600Mb/s，同時支持高達8GB的外部存儲器數(shù)據(jù)存取[5]。

3 壓縮感知聲信號采集與處理算法

3.1 碰撞聲信號的采集算法

本系統(tǒng)軟件是在TI公司的CCS 5.5開發(fā)環(huán)境下進行的，它提供了配置、建立、調(diào)試、跟蹤和分析程序的工具，支持C語言和匯編語言混合編程，是使用最為廣泛的DSP開發(fā)軟件之一。程序編寫首先要對用到的模塊的各種寄存器進行設置，其次是對算法的設計編寫。本設計采用壓縮感知技術，利用聲學信號的特點，設計了聲信號的新型隨機壓縮采樣方法，在保證中心節(jié)點端信號重構精度的前提下降低無線傳感器的平均采樣速率[6]。壓縮感知的核心思想是對具有稀疏性的信號進行降維投影，以低于奈奎斯特采樣頻率的頻率進行采樣。主要用到的技術包括信號的稀疏表示、觀測矩陣設計和信號重構三部分。

基于無線傳感網(wǎng)絡的多路性和壓縮感知的重構性提出一種新型的基于部分信號隨機投影的多路稀疏采樣機制，理論上可證明該方法具備基本的恢復原始信號的能力[7]。多路隨機采樣需建立在單路采樣的基礎上，具體操作如下：倘若共設置4路無線傳感網(wǎng)絡聲信號傳感器，每路節(jié)點按照圖2所示算法在標準單位矩陣上隨機取出若干非零值，得到一個原觀測矩陣，然后分別只取原觀測矩陣的1/4，形成4個單路A/D的隨機投影。硬件實現(xiàn)時，4路A/D模塊同時按照一定規(guī)律進行隨機壓縮采樣，在處理器段對每個A/D稀疏采樣得到的信號進行m/4的隨機投影，再將這4個單路采集的結果合并在一起形成新的隨機觀測矩陣，并在此新觀測矩陣上進行聲信號的重構。

圖2 單路隨機壓縮采樣算法

3.2 聲信號分類識別算法

聲信號的分類識別算法首先是將壓縮感知采集并重構的聲信號進行短時加窗分幀，一般選取2s為一幀，再利用聲信號在時域的能量分布、在頻域的能量分布和自相關函數(shù)作為識別交通事故碰撞聲的特征。該過程具體步驟可歸納如下[8]：

(1)壓縮采集并重構聲信號后進行分幀；

(2)時域總能量分布檢測△E=Ec/(Ef+Eb),其中Ec為碰撞峰值能量，Ef為碰撞前t秒平均能量，Eb為碰撞后t秒平均能量，根據(jù)E和△E值來判斷碰撞和非碰撞，滿足，轉(zhuǎn)到(3)，不滿足轉(zhuǎn)到(5)；

(4)對每一幀數(shù)據(jù)，從t時刻開始，每延時△t計算一個自相關系數(shù)，共N個，記為Rn，定義判別分量P：

P小于預設閾值時碰撞的可能性較大。滿足則發(fā)送報警信號，不滿足，轉(zhuǎn)到(5)；

(5)下一幀數(shù)據(jù)處理。

4 仿真及分析

為驗證上述提出的基于壓縮感知技術的聲信號采集方法的可行性，使用MATLAB軟件對聲音信號文件“汽車碰撞聲.wav”中的一幀（2s）數(shù)據(jù)進行實驗仿真。原始信號的時域及頻域分析如圖3(a)、圖3(b)所示。首先對原始信號進行經(jīng)典奈奎斯特標準采樣，采樣頻率為44.1kHz，通過重構算法得到其重構信號，如圖3(c)所示；其次將原始信號以低速率分別進行4次壓縮采樣，平均采樣頻率為5kHz；再對低速壓縮采樣的信號進行1/4的隨機投影，將這4個單路采集的結果合并在一起形成新的隨機觀測矩陣，在此合并的新觀測矩陣上進行聲信號的重構，得到壓縮感知采樣的重構信號，如圖3(d)所示。

圖3 聲信號重構效果對比圖

通過對比發(fā)現(xiàn)，對于稀疏度為8的聲信號，其重構精度達到了10-5的數(shù)量級。而對于壓縮感知隨機壓縮采樣的聲信號，只是隨機選取了部分聲信號進行隨機投影，它得到的聲信號的有用信息遠遠小于經(jīng)典壓縮采樣。由于經(jīng)典壓縮采樣保留了信號的大部分有用信息，故重構過程能保證很好的精度。而對于隨機壓縮采樣，雖然只保留了部分信號，但由于隨機選取部分信號得當，亦可達到10-3的精度數(shù)量級，同樣可保證較高的重構精度[9]。

5 結束語

利用壓縮感知技術對無線傳感網(wǎng)絡中的多路聲信號進行壓縮采樣，降低了信號采集節(jié)點的硬件要求，節(jié)省系統(tǒng)能耗，同時利用多路協(xié)同重構的方法保證了信號完整性，并針對聲信號的特征進行分類識別，產(chǎn)生報警信號。實驗證明，該方法準確性高、實用性好，特別適用于硬件條件較差的無線傳感器網(wǎng)絡的信號采集。