吳禮福，吳佳偉，田朋溢

（1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，諸如交通、建筑、機(jī)械以及人類活動(dòng)產(chǎn)生的噪聲不僅影響人們的正常工作和休息，甚至?xí)?duì)人們的身心健康產(chǎn)生危害[1]，因此，為了科學(xué)地保護(hù)在噪聲環(huán)境下工作和生活的人們，對(duì)環(huán)境噪聲的監(jiān)測(cè)越來(lái)越重要。

噪聲監(jiān)測(cè)可以使用手持式聲級(jí)計(jì)[2]，但手持聲級(jí)計(jì)需要人工操作、記錄和保存數(shù)據(jù)，當(dāng)需要頻繁或連續(xù)地記錄一個(gè)地點(diǎn)的噪聲情況時(shí)，無(wú)疑會(huì)增加很多人力成本。因此，一款可以無(wú)人值守的噪聲采集分析設(shè)備就擁有很高的使用價(jià)值?，F(xiàn)有的無(wú)人值守噪聲采集分析設(shè)備多是為嚴(yán)苛的戶外環(huán)境而設(shè)計(jì)[3]，需要太陽(yáng)能供電等外圍設(shè)備的支持，導(dǎo)致設(shè)備體積較大、不夠便攜。此外，諸如噪聲地圖繪制等應(yīng)用需要同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)校正，如果采用有線連接的測(cè)試設(shè)備，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，安裝布線的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本將急劇上升。因此，設(shè)計(jì)一套分布式便攜無(wú)線噪聲采集分析系統(tǒng)具有迫切的現(xiàn)實(shí)需求和廣泛的應(yīng)用前景[4]。

本文設(shè)計(jì)了一款體積小、續(xù)航時(shí)間較長(zhǎng)、能夠穩(wěn)定存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)的分布式噪聲采集分析系統(tǒng)，且為了設(shè)備的使用方便，該設(shè)備實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以無(wú)線的傳輸方式進(jìn)行通信，從而便于多臺(tái)設(shè)備分布式監(jiān)測(cè)環(huán)境中的噪聲情況。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的分布式無(wú)線噪聲采集分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)包括用于采集噪聲、分析噪聲狀況并上傳噪聲數(shù)據(jù)的采集分析設(shè)備以及運(yùn)行于PC機(jī)上用于存儲(chǔ)和監(jiān)測(cè)的軟件系統(tǒng)。分布在監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的多個(gè)采集分析設(shè)備同時(shí)采集不同地點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)完成聲學(xué)指標(biāo)分析，再將分析的數(shù)據(jù)上傳至用于存儲(chǔ)的網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)庫(kù)。而個(gè)體用戶可以通過(guò)隨身攜帶的電腦或者手機(jī)及時(shí)訪問(wèn)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取實(shí)時(shí)噪聲情況。因此，這套分布式無(wú)線噪聲采集分析系統(tǒng)可以方便且有效地運(yùn)行于學(xué)校、工廠、機(jī)場(chǎng)等很多場(chǎng)合[5]。

2 采集分析設(shè)備

圖2是分布式噪聲采集分析設(shè)備的實(shí)物圖，其主要硬件組成如圖3所示，主要包括信號(hào)輸入與模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital Converter，ADC）模塊、信號(hào)處理模塊、指令和數(shù)據(jù)傳輸模塊。設(shè)備對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)傳遞給微處理器控制單元（Micro Controller Unit，MCU），利用MCU的運(yùn)算能力對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分析，并利用豐富的片上外設(shè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸。指令和數(shù)據(jù)的傳輸采用LoRa（Long Range Radio）技術(shù)，這種低功耗的無(wú)線傳輸方式在傳輸距離上能得到一定的保障。同時(shí)，設(shè)備自帶鋰電池供電，工作時(shí)間長(zhǎng)、續(xù)航能力強(qiáng)。

圖2 分布式噪聲采集分析設(shè)備實(shí)物圖

圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 信號(hào)輸入與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

傳聲器是將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，目前運(yùn)用最廣、性能較好的傳聲器為電容式傳聲器。其中，駐極體電容傳聲器一側(cè)極板使用駐極體材料制成，在傳聲器內(nèi)部形成了工作需要的內(nèi)部電場(chǎng)，無(wú)需外部再提供一組48~52 V的極化電壓，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積更小，符合設(shè)計(jì)需求。本文采用的傳聲器型號(hào)為北京聲科測(cè)聲學(xué)技術(shù)有限公司的SKC MP21，該傳聲器是1 2英寸（12.7 mm）預(yù)極化自由場(chǎng)測(cè)量傳聲器，無(wú)需極化電壓，其標(biāo)稱輸出靈敏度為50 mV/Pa，動(dòng)態(tài)范圍為17~136 dB，符合設(shè)計(jì)需求。

ADC需要將傳聲器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，而ADC的轉(zhuǎn)換速度、精度等參數(shù)關(guān)系到整個(gè)設(shè)備的精度。根據(jù)工作原理的不同，ADC的種類大致可以分為積分型、逐次逼近型、并行比較型和Σ-Δ調(diào)制型[6]。其中，Σ-Δ調(diào)制型的優(yōu)點(diǎn)在于以適中的價(jià)格可以獲得令人滿意的精度和轉(zhuǎn)換速度，被廣泛應(yīng)用于音頻信號(hào)的測(cè)量和處理中。本文采用Σ-Δ調(diào)制型ADC的型號(hào)為德州儀器公司的ADS1271，圖4是ADS1271模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖，這是一款24位寬頻帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器，擁有51 kHz的帶寬，可以覆蓋人的可聽域，滿足噪聲采集和分析的需求。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

2.2 信號(hào)處理模塊

ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)需傳遞給信號(hào)處理模塊做聲學(xué)分析，本設(shè)計(jì)使用的信號(hào)處理模塊核心芯片為意法半導(dǎo)體公司的STM32F103[7]，該芯片的內(nèi)核為ARM 32位的CortexTM-M3 CPU。

實(shí)際工程中通常采用倍頻程或1 3倍頻程分析聲信號(hào)的能量在各個(gè)頻帶的分布情況[8]。倍頻程分析是根據(jù)人耳對(duì)聲音頻率反應(yīng)的客觀規(guī)律將人的可聽頻率域分為若干個(gè)連續(xù)的頻帶，并按照聲音的強(qiáng)度對(duì)每一段進(jìn)行分析。當(dāng)頻帶的上限頻率f2與下限頻率f1的比值為2，即為一倍頻程，如1 000~2 000 Hz，而當(dāng)比值為213時(shí)即為1 3倍頻程。定義倍頻程的中心頻率f0為：

通常有兩種方法實(shí)現(xiàn)噪聲的倍頻程分析，分別是濾波器組法和快速傅里葉變換法（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）[9]，考慮到單片機(jī)的計(jì)算能力，本文采用后者。頻域FFT法是根據(jù)帕塞瓦爾定理實(shí)現(xiàn)倍頻程分析，計(jì)算傅里葉變換模的平方在一個(gè)周期內(nèi)的平均，從而可以在頻域計(jì)算時(shí)域離散信號(hào)的能量，即：

考慮到奈奎斯特采樣定律，為完整地分析20 Hz~20 kHz頻率范圍的聲信號(hào)信息，在噪聲分析時(shí)采用48 kHz的采樣頻率，F(xiàn)FT分析的頻率范圍最大不超過(guò)采樣頻率的1 2，同時(shí)其分辨率與原始時(shí)間序列的采樣數(shù)N和信號(hào)采樣頻率fs有關(guān)，分辨率β為：

以fs=48 kHz，長(zhǎng)度N為4 096點(diǎn)FFT為例，分辨率β為48 000 4 096≈11.72，因此倍頻程最低頻帶22.4~44.7 Hz內(nèi) 的譜線數(shù)k為：

因此，只用2根譜線不足以算出最低頻帶內(nèi)所有信號(hào)的總能量，為了提高最低頻帶內(nèi)的譜線數(shù)到合理的數(shù)量，可以采用降采樣的方式[10]。

如表1所示，1 3倍頻程的頻帶劃分大致可以分為三段，即25~200 Hz，250~2 000 Hz，2 500~20 000 Hz。根據(jù)奈奎斯特采樣定律，25~200 Hz的頻帶只要使用大于400 Hz的采樣頻率就能從該頻帶捕獲所有信息，因此可以對(duì)這個(gè)頻帶采用1∶100的比例抽樣，將采樣頻率降低至0.48 kHz。同理，對(duì)250~2 000 Hz頻帶，將采樣頻率降低至4.8 kHz，對(duì)2 500~20 000 Hz頻帶則依然采用48 kHz的采樣頻率。

表1 1 3倍頻程頻帶標(biāo)稱中心頻率 Hz

2.3 指令和數(shù)據(jù)傳輸模塊

得到聲信號(hào)的分析數(shù)據(jù)后，MCU通過(guò)LoRa技術(shù)將處理好的數(shù)據(jù)傳遞給同樣連接了LoRa模塊并作為數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的PC機(jī)[11]。圖5是系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)與多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)之間通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

LoRa是一種基于線性擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)[12]，最早由美國(guó)Semtech公司推出并積極推廣。LoRa無(wú)線技術(shù)有組網(wǎng)靈活、傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、易于部署等優(yōu)點(diǎn)[13]，通過(guò)網(wǎng)關(guān)可無(wú)線控制分布的各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的定向傳輸，傳輸數(shù)據(jù)通常為控制指令和運(yùn)算后的數(shù)據(jù)。

本文選用中國(guó)億佰特公司的E22-400M22S無(wú)線模塊，其是基于Semtech公司生產(chǎn)的LoRa射頻芯片SX1268為核心研發(fā)的。圖6為L(zhǎng)oRa模塊與MCU的電路原理圖。

3 監(jiān)控軟件

監(jiān)控軟件運(yùn)行于PC機(jī)上，對(duì)LoRa模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和處理。軟件功能是將多個(gè)分布式噪聲采集分析設(shè)備采集并處理完的數(shù)據(jù)分別按照采集的設(shè)備編號(hào)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，并能夠根據(jù)用戶需求導(dǎo)出相應(yīng)的測(cè)試報(bào)告。

軟件使用Visual C#語(yǔ)言，在Visual Studio 2015開發(fā)環(huán)境中編寫完成，基于.NET框架類庫(kù)（.NET Framework），它繼承保留了C/C++的強(qiáng)大功能，同時(shí)又以.NET框架類庫(kù)作為基礎(chǔ)，擁有開發(fā)快速、功能易擴(kuò)展的特性。

3.1 軟件功能

軟件界面如圖7所示。軟件界面紅色邊框編號(hào)1區(qū)域顯示系統(tǒng)中所有已布置設(shè)備的編號(hào)和所在位置、可以選擇的計(jì)權(quán)類型以及接收到的數(shù)據(jù)大??；藍(lán)色邊框編號(hào)2區(qū)域包含異常記錄、加載設(shè)備信息、刪除設(shè)備信息以及連接設(shè)備、讀取數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)的開關(guān)按鈕；軟件界面黃色邊框編號(hào)3區(qū)域包括通信參數(shù)、測(cè)試參數(shù)、添加設(shè)備、校準(zhǔn)設(shè)備和導(dǎo)出報(bào)告等功能按鈕；綠色邊框編號(hào)4區(qū)域可以查看1 3倍頻程和總聲壓級(jí)數(shù)據(jù)，可以選擇添加的任意設(shè)備來(lái)檢測(cè)該測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)噪聲數(shù)據(jù)。

圖7 軟件界面

圖8中通信參數(shù)為無(wú)線傳輸系統(tǒng)參數(shù)，圖9中測(cè)試參數(shù)為測(cè)點(diǎn)的基本信息，圖10中添加設(shè)備為增加測(cè)點(diǎn)并添加設(shè)備信息，圖11的導(dǎo)出報(bào)告中可選擇需要導(dǎo)出的時(shí)間段。

圖8 通信參數(shù)

圖9 測(cè)試參數(shù)

圖10 添加設(shè)備

圖11 導(dǎo)出報(bào)告

3.2 軟件操作流程

圖12是使用聲壓級(jí)為94 dB，頻率為1 000 Hz的標(biāo)準(zhǔn)聲源時(shí)的測(cè)試結(jié)果，其操作流程是：首先設(shè)置通信參數(shù)，通過(guò)串口建立連接在PC機(jī)的LoRa模塊與軟件之間的通信連接；然后設(shè)置測(cè)試參數(shù)，記錄本次監(jiān)測(cè)采集的數(shù)據(jù)信息，便于完善生成報(bào)告時(shí)的報(bào)告信息，再逐個(gè)添加設(shè)備，將分布放置的監(jiān)測(cè)采集設(shè)備的設(shè)備編號(hào)和通信地址分別填入，再依次校準(zhǔn)設(shè)備，校準(zhǔn)可采用聲壓級(jí)94 dB或114 dB，頻率1 000 Hz的標(biāo)準(zhǔn)聲源。完成設(shè)備的相關(guān)信息的設(shè)置和校準(zhǔn)后，依次打開圖7藍(lán)色邊框編號(hào)2區(qū)域中的加載設(shè)備信息，打開連接，讀取數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)。

圖12 使用聲源校準(zhǔn)器時(shí)軟件界面

利用本系統(tǒng)在南京信息工程大學(xué)的教學(xué)樓明德樓、圖書館、食堂等10個(gè)監(jiān)控點(diǎn)布置了設(shè)備，圖13是在圖書館環(huán)境下，系統(tǒng)采集到的環(huán)境噪聲數(shù)值并顯示到軟件界面，可以看到，環(huán)境總聲壓級(jí)為37.3 dB。

圖13 圖書館監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)軟件界面

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套分布式噪聲采集分析系統(tǒng)，采集分析設(shè)備體積小、便攜且容易安裝和使用，能夠在學(xué)校、工廠、機(jī)場(chǎng)等多種場(chǎng)合監(jiān)測(cè)噪聲情況，可以實(shí)時(shí)將采集到的噪聲做倍頻程分析并上傳到數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)用于保存和記錄。該設(shè)計(jì)由于無(wú)需人員值守，對(duì)于分析固定地點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間的噪聲分布狀況有很好的實(shí)用價(jià)值。