董晨晨 ，李威霖 ，周杭超 ，孫 琳 ，駱達(dá)偉 ，厲樂樂

（1.浙江方圓檢測集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州310018；2.浙江省產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測研究院，浙江 杭州310018；3.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院浙江，浙江 杭州310018）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展汽車制造成本的下降，私家汽車保有量持續(xù)增長，這使得城市停車位嚴(yán)重不足。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國城市汽車與停車位的比值約為1∶0.8到1∶0.5，停車位十分緊缺[1-2]。但是城市土地使用成本也是逐年攀升，這就必須提升停車位的利用率，立體車庫在此環(huán)境下得到了飛速的發(fā)展。

隨著越來越多的立體車庫進(jìn)入居民小區(qū)，立體車庫的振動和噪聲逐步成為影響居民生活主要原因之一[3]。對于停車設(shè)備的噪聲而言，JB/T 10215-2000《垂直循環(huán)類機(jī)械式停車設(shè)備》規(guī)定“設(shè)備等效連續(xù)A聲級的噪聲應(yīng)不大于75 dB（A）”；GB/T 27545-2011《水平循環(huán)類機(jī)械式停車設(shè)備》、JB/T 10475-2015《垂直升降類機(jī)械式停車設(shè)備》、JB/T 10474-2015《巷道堆垛類機(jī)械式停車設(shè)備》、JB/T 11455-2013《多層循環(huán)類機(jī)械式停車設(shè)備》和JB/T 10545-201《平面移動類機(jī)械式停車設(shè)備》規(guī)定“設(shè)備的聲壓級噪聲不應(yīng)大于 70B（A）”；JB/T 8910-2013《升降橫移類機(jī)械式停車設(shè)備》和JB/T 8909-2013《簡易升降類機(jī)械式停車設(shè)備》規(guī)定“停車設(shè)備聲壓級噪聲不應(yīng)大于70 dB（A）；安裝在地下室時(shí)，停車設(shè)備聲壓級噪聲不應(yīng)大于75 dB（A）”。從上述主要國家和行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)可知：立體車庫的噪聲在70 dB以下是合格的[4]。但是實(shí)際上在夜間只要超過50 dB的噪聲就會造成人們生活的很大影響。

對于停車設(shè)備的振動而言，參考GB 10070-1988《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》，城市主要鉛垂向Z振級標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示?？梢?，對于立體停車庫晝間的振動等級不能大于75 dB。

表1 Z振級標(biāo)準(zhǔn)值

如何避免振動及噪聲問題影響人們的正常生活成為立體車庫投資者和建設(shè)者需要正視的因素。因此亟需對立體車庫噪聲振動進(jìn)行有效的監(jiān)測。

傳統(tǒng)的監(jiān)測方法通常是在關(guān)鍵點(diǎn)安裝傳感器，采用有線連接方式傳到上位機(jī)。但是對于立體車庫而言，噪聲及振動監(jiān)控點(diǎn)分布范圍大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號線鋪設(shè)難、運(yùn)行過程中容易被破壞等因素影響，無法建立可靠的噪聲振動監(jiān)測方案。

本文提出采用ZigBee無線通信技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線傳感方案，通過對立體車庫的運(yùn)行噪聲與振動信號進(jìn)行無線采集，并對其振動信號進(jìn)行1/3倍頻及功率譜分析，最終利用LabVIEW平臺進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)了振動噪聲的無線監(jiān)測。

1 算法原理

1.1 等效聲級

立體車庫的噪聲采用等效聲級進(jìn)行衡量，該指標(biāo)是可有效的反映人實(shí)際能接受噪聲能量的大小。在立體車庫的某一指定位置上，用某一段時(shí)間內(nèi)間歇的幾個(gè)不同A聲級噪聲采用能量平均的方法來計(jì)算和表示該段時(shí)間的噪聲大小[5]。

式（1）中：LPA指的瞬間的聲級，T指的測量所用的時(shí)間。

立體車庫噪聲監(jiān)測，使用無線噪聲傳感器，所以測量時(shí)間 T 為 1 s，則式（1）離散化后如式（2）。

式（2）中，LPA（i）指的是編號 i對應(yīng)的瞬間聲級，N=200，i=1，2，…，200。

1.2 Z振級及1/3倍頻程

在聲學(xué)及機(jī)械振動的測試分析中常用1/3倍頻程分析方法，具有譜線少頻帶寬的特點(diǎn)，本文將其用在立體車庫振動信號監(jiān)測中。

倍頻程表示指定頻率點(diǎn)上下頻帶內(nèi)信號的有效值（平均幅值）大小。制定的頻率點(diǎn)稱作中心頻率，頻率點(diǎn)上下頻帶稱作上限頻率和下限頻率，上下限頻率之間的頻率范圍稱為頻帶寬度[6]。如果在一個(gè)倍頻程的上、下限頻率之間再插入兩個(gè)頻率點(diǎn)，那么就會有4個(gè)頻率值，3個(gè)頻帶，如果使得他們之間的比值相同，稱這種頻程為1/3倍頻程。

對于振動加速度信號，對其進(jìn)行時(shí)域以及頻域分析，在頻域內(nèi)采用Z計(jì)權(quán)振動加速度級進(jìn)行三分之一倍頻程分析[7]。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631，Z振級（VLZ）的計(jì)算公式為：

式中，a0為基準(zhǔn)加速度，值為10-6m/s2；aw為計(jì)權(quán)加速度均方根，由式（4）計(jì)算：

式中：T為振動測量的平均時(shí)間（s）；ai為經(jīng)過三分之一倍頻程譜分析逆變換得到的加速度信號。

2 總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分，即傳感信號采集模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊及數(shù)據(jù)分析模塊。

（1）傳感信號采集模塊：負(fù)責(zé)振動噪聲采集及預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)采用ZigBee的無線傳輸方式進(jìn)行傳輸。具體包括振動及噪聲敏感元件、電源單元、控制及數(shù)據(jù)預(yù)處理、無線發(fā)送單元等。

（2）數(shù)據(jù)接收模塊：負(fù)責(zé)多傳感信號的無線接收，并將接收數(shù)據(jù)采用modbus協(xié)議上傳到上位機(jī)，主要包括電源單元、控制及數(shù)據(jù)處理、無線接收單元及數(shù)據(jù)發(fā)送單元等。

（3）數(shù)據(jù)分析模塊：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)的監(jiān)測及處理分析。主包括要上位機(jī)及檢測軟件，軟件負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的接收傳輸及結(jié)果展示。

3 硬件系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 無線傳輸方案選擇

目前無線傳輸方式主要有WiFi、ZigBee、藍(lán)牙等。其中藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸速率較快，但存在傳輸數(shù)據(jù)小距離較；WiFi傳輸距離較遠(yuǎn)，但功耗較高；相比而言，ZigBee功耗低，但在數(shù)據(jù)傳輸速率較慢[8]。立體振動及噪聲的監(jiān)測因需要長期在線，通信距離適中，故滿足采樣參數(shù)的情況下，需要滿足功耗低、體積小及實(shí)時(shí)性高的要求。故本設(shè)計(jì)選用ZigBee的無線通信方式。

ZigBee收發(fā)單元采用CC2420無線射頻芯片，最高數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kbit/s，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，接口簡單，功耗低，滿足本項(xiàng)目振動噪聲數(shù)據(jù)傳輸需求。

3.2 振動傳感器

選取高靈敏度MEMS傳感芯片作為振動采集元件，采用ARM微處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)處理，設(shè)局足夠容量的存儲器，先將數(shù)據(jù)采集到儲存器內(nèi)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。硬件設(shè)計(jì)上盡量做大微小話，滿足了立體車庫對體積的要求，根據(jù)參數(shù)進(jìn)行選擇三軸振動傳感方案，且采樣頻率高達(dá)單軸1 600 Hz，且具有功耗低、體積小，可滿足立體車庫振動狀態(tài)檢測需求。

3.3 噪聲傳感器

完成對立體車庫運(yùn)行過程中的噪聲測量。其中主要包括噪聲敏感元件、信號預(yù)處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及無線傳輸單元，傳感器將采集到的噪聲信號經(jīng)放大傳給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過微處理器進(jìn)行計(jì)算處理后，通過無線傳輸單元傳輸。立體車庫噪聲測量要求性能穩(wěn)定、動態(tài)范圍寬、頻響平直，本設(shè)計(jì)選用傳聲器為AWA14423。

3.4 微處理器模塊

微處理器是傳感器及基站的核心部分，均采用ARM模塊。各監(jiān)測點(diǎn)的微處理器對噪聲及振動信號進(jìn)行放大、濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換，將振動噪聲數(shù)據(jù)處理后通過zigbee單元發(fā)送到建站，各監(jiān)測點(diǎn)輪流發(fā)送，同時(shí)基站微處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并發(fā)送至上位機(jī)。

4 軟件系統(tǒng)

LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，即虛擬儀器，它提供了豐富的圖形控件，并采用圖形化編程方法。本系統(tǒng)就是以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺而開發(fā)的立體車庫無線監(jiān)測[9]。軟件主要包括噪聲監(jiān)測、振動時(shí)域波形監(jiān)測及1/3倍頻分析，主界面如圖2所示。

圖2 軟件監(jiān)測界面

5 系統(tǒng)的應(yīng)用

5.1 數(shù)據(jù)采集

（1）監(jiān)測地點(diǎn)：某企業(yè)研發(fā)用的立體車庫。

（2）監(jiān)測設(shè)備：采用上述無線振動噪聲傳感器；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)聲級計(jì)應(yīng)距離地1.2 m，距車庫1 m。試驗(yàn)中采用三角架將其固定，振動傳感器采用磁性基座固定在立體車庫結(jié)構(gòu)架上。

（3）接收設(shè)備：無線數(shù)據(jù)傳輸基站放置在車庫附件的安全區(qū)域，上位機(jī)放置在地下車庫入口辦公房內(nèi)部。

（4）數(shù)據(jù)采集：在立體車庫四周放置了10個(gè)噪聲監(jiān)測傳感器及4個(gè)振動監(jiān)測傳感器，各個(gè)傳感器通過ZigBee無線傳感網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線接收基站，最終進(jìn)入上位機(jī)進(jìn)行分析。

設(shè)備安裝如圖3所示。

圖3 設(shè)備安裝圖

5.2 測試結(jié)果

節(jié)點(diǎn)噪聲及加速度信號通過內(nèi)嵌程序進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)通過CC2420無線傳輸?shù)交竟?jié)點(diǎn)，輸入并存儲在上位機(jī)中。由于篇幅限制此處給出了測試結(jié)果：放車階段實(shí)測最大噪聲可達(dá)70.7 dB（A）；取車實(shí)測最大噪聲可達(dá)65.9 dB（A）；停車提升階段振動在中心頻率315 Hz及500 Hz振動最強(qiáng)烈，而其余各頻率段振幅分布較為均勻；取車階段振動在中心頻率63 Hz及315 Hz振動最強(qiáng)烈，而其余各頻率段振幅分布較為均勻。

檢測結(jié)果界面如圖4、圖5所示。

圖4 噪聲監(jiān)測結(jié)果

圖5 振動監(jiān)測結(jié)果

立體車庫在不同提升階段在不同頻域范圍內(nèi)不同的振動情況證明，立體車庫振動時(shí)有一定規(guī)律的，振動會引起不同程度的噪聲，因此有必要對立體車庫的振動噪聲進(jìn)行監(jiān)測，形成大數(shù)據(jù)庫，以便進(jìn)一步分析其內(nèi)在參數(shù)，為減小立體車庫的振動噪聲做好充足的準(zhǔn)備。

6 結(jié)束語

隨著立體車庫的大量建設(shè)，立體車庫的噪聲污染成了亟需解決的重大問題，在該背景下，結(jié)合實(shí)際情況，本文提出了一種基于虛擬儀器的立體車庫無線監(jiān)測系統(tǒng)，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的ZigBee技術(shù)對立體車庫的運(yùn)行噪聲與振動信號進(jìn)行無線采集，并對其振動信號進(jìn)行1/3倍頻，最終利用Lab－VIEW平臺進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)了立體車庫振動及噪聲的連續(xù)監(jiān)測，并且具有高效實(shí)時(shí)無線采集以及耗能低等特點(diǎn)。軟件系統(tǒng)界面清晰簡單，檢測數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)保存，便于后期分析比較。硬件系統(tǒng)安裝方便，移動性強(qiáng)，運(yùn)行可靠，與基于有線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)相比具有特殊優(yōu)點(diǎn)，為立體車庫噪聲污染監(jiān)測及振動特性分析提供一套便捷高效地噪聲監(jiān)測系統(tǒng)。

該系統(tǒng)還可以進(jìn)一步優(yōu)化，增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸能力，采集更多的有效數(shù)據(jù)，增強(qiáng)實(shí)時(shí)性；另一方面進(jìn)一步完善軟硬件系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上對立體車庫進(jìn)行分析，指導(dǎo)立體車庫設(shè)計(jì)，從噪聲源減小振動及噪聲。