江世雄，翁孫賢，車艷紅，王重卿，龔建新

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福建福州 350007）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)保持傳統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)連接形式，其末梢由多個(gè)感知傳感器元件共同組成，可用于查探外部環(huán)境的具體表現(xiàn)情況。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的連接靈活性，下級(jí)負(fù)載節(jié)點(diǎn)之間始終保持著無線通信的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系，這種網(wǎng)絡(luò)配置行為方便網(wǎng)絡(luò)主機(jī)對(duì)信號(hào)源碼進(jìn)行隨時(shí)更改，一方面可在區(qū)域傳輸環(huán)境中形成一個(gè)完整且獨(dú)立的自組織網(wǎng)絡(luò)，另一方面也可使無線通信數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間得到有效控制[1-2]。

為適應(yīng)噪聲信號(hào)的感應(yīng)與校準(zhǔn)需求，多功能型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用模塊化思想對(duì)主程序軟件進(jìn)行編程，再借助人機(jī)交互模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲校準(zhǔn)實(shí)值的準(zhǔn)確設(shè)定。然而此系統(tǒng)的頻帶覆蓋面積相對(duì)較小，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲信號(hào)組分條件的有效分析。為解決此問題，設(shè)計(jì)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)，在數(shù)字濾波器等多個(gè)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)體的支持下，對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再聯(lián)合ZigBee 拓?fù)鋮f(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID 校準(zhǔn)系數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)的硬件由數(shù)字濾波器、信號(hào)采集電路、信號(hào)處理單元三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器作為特殊的噪聲信號(hào)采集元件，具有聲級(jí)計(jì)測(cè)量范圍大、穩(wěn)定性強(qiáng)等應(yīng)用特性，整個(gè)外殼均采用合金鋁設(shè)計(jì)材料，所獲噪聲信號(hào)的測(cè)量范圍為50 Hz～16 kHz，由于其工作電壓水平相對(duì)較低，因此在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，始終具備較強(qiáng)的信號(hào)監(jiān)測(cè)與校驗(yàn)?zāi)芰3-4]。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)外部，數(shù)字濾波器負(fù)責(zé)采集各類型的噪聲信號(hào)，并可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的區(qū)分處理，根據(jù)信息參量的監(jiān)測(cè)與校準(zhǔn)需求可知，待測(cè)的噪聲信號(hào)量越大，數(shù)字濾波器所面臨的工作強(qiáng)度水平也就越高。在此情況下，為實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲信號(hào)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，數(shù)字濾波器一般被放置于相對(duì)開闊的物理空間之中，并在其周圍設(shè)置多個(gè)可用于校準(zhǔn)信息感知的小型無線傳感器元件，其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)圖

1.2 信號(hào)采集電路

信號(hào)采集電路可提供數(shù)字濾波器、噪聲信號(hào)處理單元所需的傳輸電子量，可在電阻R與電容C元件的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲信號(hào)的收集與匯總，并借助多個(gè)轉(zhuǎn)換器接口，將信息數(shù)據(jù)參量反饋至系統(tǒng)下級(jí)設(shè)備應(yīng)用結(jié)構(gòu)體之中，其示意圖如圖2 所示。LM386元件作為信號(hào)采集電路中的核心轉(zhuǎn)換器設(shè)備，可將數(shù)字濾波器元件接收到的噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成更大或更小的傳輸形式，從而滿足系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)監(jiān)測(cè)與校準(zhǔn)應(yīng)用需求[5-6]。信號(hào)放大器則具備多個(gè)不同的信號(hào)輸出接口，可按照系統(tǒng)內(nèi)的噪聲信息傳輸需求，開啟較為適宜的信號(hào)傳輸通路，在非運(yùn)行期間內(nèi)，所有信息傳輸接口均保持閉合狀態(tài)，一方面可為噪聲信號(hào)提供更為穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，另一方面也可實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲信息的整合與匯聚處理。電路示意圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)采集電路示意圖

1.3 信號(hào)處理單元

信號(hào)處理單元由USB OTG、噪聲信號(hào)輸出、WIFI連接模塊三部分共同組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。其中，USB OTG 模塊具備較強(qiáng)的信號(hào)解碼能力，可在UART 設(shè)備結(jié)構(gòu)體的作用下，將噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成既定的信息存儲(chǔ)形式。噪聲信號(hào)輸出模塊可對(duì)DDR型噪聲音頻信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，執(zhí)行信號(hào)解碼指令的同時(shí)，對(duì)RTC 信息參量進(jìn)行提取[7-8]，再將其轉(zhuǎn)存至既定的硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)體之中。WIFI 連接模塊必須與物理加速引擎設(shè)備相連，一般情況下，隨著數(shù)據(jù)信息解碼指令的進(jìn)行，TFT LCD 設(shè)備所具備的信號(hào)存儲(chǔ)能力會(huì)得到有效促進(jìn)，當(dāng)信號(hào)處理單元內(nèi)的噪聲信號(hào)傳輸速率達(dá)到最大數(shù)值水平之后，該元件才會(huì)停止對(duì)信號(hào)參量的轉(zhuǎn)存與處理[9-10]。

圖3 信號(hào)處理單元結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee拓?fù)鋮f(xié)議

ZigBee 拓?fù)鋮f(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要通信促進(jìn)技術(shù)，可在信號(hào)處理單元與系統(tǒng)校準(zhǔn)設(shè)備之間形成獨(dú)立的數(shù)據(jù)通信空間，從而使得噪聲數(shù)據(jù)信息得到準(zhǔn)確的辨別與存儲(chǔ)。整個(gè)協(xié)議體系由協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)三類應(yīng)用結(jié)構(gòu)共同組成，其組成形式如表1 所示。其中，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)可表示為.Device的編碼形式，能夠根據(jù)噪聲信號(hào)所處的傳輸位置，對(duì)其應(yīng)用能力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再將與之相關(guān)的數(shù)據(jù)信息校準(zhǔn)條件，反饋至系統(tǒng)應(yīng)用主機(jī)中。路由節(jié)點(diǎn)可表示為.Mesh 的編碼形式，可對(duì)噪聲信號(hào)所具備的傳輸能力進(jìn)行分辨，從而使得系統(tǒng)主機(jī)的監(jiān)測(cè)與校準(zhǔn)需求得到較好的滿足[11-12]。終端節(jié)點(diǎn)可表示為.Cluster 的編碼形式，可按照無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中噪聲信號(hào)數(shù)據(jù)所屬的傳輸級(jí)別，對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，從而為信號(hào)處理單元提供大量的數(shù)據(jù)信息參量。

表1 ZigBee拓?fù)鋮f(xié)議組成形式

2.2 噪聲數(shù)據(jù)預(yù)處理

噪聲數(shù)據(jù)預(yù)處理是設(shè)計(jì)噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)的關(guān)鍵操作步驟，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可按照ZigBee 拓?fù)鋮f(xié)議的連接形式，將噪聲信號(hào)由大規(guī)模傳輸結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成小型的傳輸結(jié)構(gòu)，一方面避免噪聲信號(hào)在頻帶環(huán)境中出現(xiàn)不合理堆積行為，另一方面使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)應(yīng)用需求得到較好的滿足。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，待監(jiān)測(cè)的噪聲信號(hào)量越大，系統(tǒng)所需處理的校準(zhǔn)信息參量也就越多[13-14]。因此，為獲得較好的噪聲信號(hào)監(jiān)測(cè)與校準(zhǔn)效果，應(yīng)在遵循ZigBee拓?fù)鋮f(xié)議連接需求的前提下，對(duì)噪聲信號(hào)的現(xiàn)有傳輸能力進(jìn)行判別，再聯(lián)合數(shù)字濾波器、信號(hào)處理單元等多個(gè)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)體，計(jì)算個(gè)別校準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)處的信號(hào)監(jiān)測(cè)系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲傳輸信號(hào)的精準(zhǔn)預(yù)處理。設(shè)i代表噪聲信號(hào)傳輸系數(shù)，聯(lián)立上述物理量，可將自動(dòng)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)的噪聲數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果表示為：

式中，M代表噪聲信號(hào)的監(jiān)測(cè)判別基向量，p代表ZigBee 無線協(xié)議的拓?fù)湎禂?shù)，xi代表噪聲監(jiān)測(cè)信號(hào)的起始輸入值，xn代表噪聲監(jiān)測(cè)信號(hào)的終止輸入值。

2.3 PID校準(zhǔn)系數(shù)

PID 校準(zhǔn)系數(shù)決定了噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)所具備的信號(hào)處理能力，可在順承噪聲數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果的同時(shí)，限制ZigBee 拓?fù)鋮f(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際傳輸能力，從而使得噪聲信號(hào)得到準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)與識(shí)別[15-16]。由于PID 校準(zhǔn)系數(shù)的存在，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋延伸趨勢(shì)得到較好控制，一方面能夠較好地促進(jìn)噪聲信號(hào)的傳輸與轉(zhuǎn)存行為，另一方面也可為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主機(jī)提供足量的信號(hào)數(shù)據(jù)參量。設(shè)i代表噪聲信號(hào)處理系數(shù)，n代表無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的噪聲信號(hào)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)處理常數(shù)項(xiàng)，可將PID 校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算結(jié)果表示為：

式中，mi代表ZigBee 拓?fù)鋮f(xié)議的最初監(jiān)測(cè)特征值，mn代表ZigBee 拓?fù)鋮f(xié)議的最終監(jiān)測(cè)特征值。至此實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)軟、硬件執(zhí)行環(huán)境的搭建，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的支持下，完成噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選取圖4 所示應(yīng)用設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別以基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)和多功能型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行控制，其中前者作為實(shí)驗(yàn)組、后者作為對(duì)照組。規(guī)定在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中，只能截取超過60 分貝的噪聲信號(hào)。

圖4 噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)備

PES 指標(biāo)能夠反映噪聲信號(hào)在單一頻帶區(qū)域內(nèi)的分布均勻度水平，由于精確化校準(zhǔn)行為的存在，PES指標(biāo)所表現(xiàn)出的數(shù)值量越大，噪聲信號(hào)在單一頻帶區(qū)域內(nèi)的分布均勻度水平越高，反之則越低。表2 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組PES 指標(biāo)數(shù)值的具體變化情況。

表2 PES指標(biāo)數(shù)值對(duì)比表

分析表2 中的數(shù)值記錄結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)組PES 指標(biāo)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，始終保持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值波動(dòng)變化狀態(tài)；對(duì)照組PES 指標(biāo)在一段時(shí)間的上升變化狀態(tài)后，開始逐漸趨于小幅波動(dòng)的數(shù)值變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)組最大值72.37%與對(duì)照組最大值34.16%相比，上升了38.21%。

BUR 指標(biāo)則記錄了系統(tǒng)主機(jī)對(duì)于噪聲信號(hào)的測(cè)量精度水平，規(guī)定在60 分貝至120 分貝的數(shù)值區(qū)間內(nèi)，BUR 指標(biāo)數(shù)值越大，系統(tǒng)主機(jī)對(duì)于噪聲信號(hào)的測(cè)量精度水平越高，詳細(xì)數(shù)值記錄結(jié)果如表3 所示。

分析表3 可知，實(shí)驗(yàn)組BUR 指標(biāo)呈現(xiàn)先上升、再穩(wěn)定、最后下降的數(shù)值變化趨勢(shì)；而對(duì)照組BUR 指標(biāo)則在一段時(shí)間的數(shù)值穩(wěn)定狀態(tài)后，開始保持連續(xù)下降的數(shù)值變化趨勢(shì)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)組最大值64.91%遠(yuǎn)高于對(duì)照組最大數(shù)值。

表3 BUR指標(biāo)數(shù)值對(duì)比表

基于上述研究成果可知，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠在提高噪聲信號(hào)測(cè)量精度水平，促進(jìn)信號(hào)參量在頻帶區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)，幫助系統(tǒng)主機(jī)準(zhǔn)確掌握噪聲信號(hào)在各個(gè)頻帶內(nèi)的分布情況。

4 結(jié)束語

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支持下，噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)針對(duì)數(shù)字濾波器、信號(hào)采集電路等多個(gè)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)體的連接能力進(jìn)行改進(jìn)[17-18]，隨著ZigBee 拓?fù)鋮f(xié)議連接能力的增強(qiáng)，待傳輸?shù)脑肼晹?shù)據(jù)可得到有效預(yù)處理，從而增強(qiáng)PID 校準(zhǔn)系數(shù)的應(yīng)用可行性。與多功能型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，新型噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)的PES 指標(biāo)與BUR 指標(biāo)數(shù)值水平更高，能夠準(zhǔn)確分析噪聲信號(hào)在各個(gè)頻帶內(nèi)的具體分布情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于待傳輸噪聲信號(hào)的精準(zhǔn)測(cè)量。