基于碰撞聲音的氧化鋁熟料質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

莫正鵬, 張常年, 王澤來(lái)

(北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院, 北京 100041)

0 引 言

熟料窯是燒結(jié)法制氧化鋁的主體設(shè)備，熟料質(zhì)量對(duì)氧化鋁的產(chǎn)能有極大影響.目前，對(duì)氧化鋁熟料質(zhì)量的檢測(cè)主要是通過(guò)工人聽(tīng)覺(jué)和現(xiàn)場(chǎng)觀察，雖然熟料窯周圍的聲音包含熟料質(zhì)量的信息，可以通過(guò)聲音來(lái)區(qū)分聲源的質(zhì)量情況，但是人的主觀因素起著很大的作用，而且不同的判別者有著不同的經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以存在著很大的誤差.

隨著自動(dòng)化程度的提高，人們希望能利用儀器設(shè)備來(lái)判別熟料燃燒的是否正常，因此本文將設(shè)計(jì)一種新型的氧化鋁熟料質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)采集到的成品熟料與滾筒窯撞擊的聲音的頻譜、幅度等數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，自動(dòng)判斷出熟料的3種狀態(tài)：正常、過(guò)燒或欠燒.

圖1 系統(tǒng)硬件模塊整體框圖

1 硬件模塊搭建

利用2440開(kāi)發(fā)板和外置的聲音采集器來(lái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的聲音進(jìn)行采集，聲音采集器通過(guò)一個(gè)監(jiān)控拾音頭來(lái)實(shí)現(xiàn)，另外為防止現(xiàn)場(chǎng)粉塵的落入和避免受潮，將聲音采集器加一外罩[1]，然后通過(guò)WINCE6.0系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)板上用MFC做一個(gè)人機(jī)交互界面[2].設(shè)定錄音的時(shí)間長(zhǎng)度、錄音文件的保存地址，并設(shè)定要傳輸?shù)倪h(yuǎn)程服務(wù)器的IP地址等，然后將錄音生成的wave文件自動(dòng)發(fā)送給遠(yuǎn)程的服務(wù)器，在服務(wù)器上對(duì)讀入的聲音文件數(shù)據(jù)進(jìn)行Fourier變換，在頻域內(nèi)觀察3種狀態(tài)的區(qū)別，提取其特征，讓計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別熟料燃燒的3種狀態(tài)(正常、過(guò)燒或欠燒).系統(tǒng)的硬件模塊整體框圖如圖1所示.

2 軟件模塊的設(shè)計(jì)

2.1 操作系統(tǒng)定制

WINCE 6.0是Microsoft公司針對(duì)有限資源的平臺(tái)而設(shè)計(jì)的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)及可裁減的32位嵌入式操作系統(tǒng).它由許多離散模塊構(gòu)成, 每一模塊提供特定的功能, 這使WINCE變得非常緊湊, 完全可以在內(nèi)存中運(yùn)行.采用Platform Builder軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定制, 其流程為定制內(nèi)核、導(dǎo)入硬件BSP、裁剪模塊、生成NK鏡像文件和導(dǎo)出SDK[3,4].

圖2 應(yīng)用程序整體框圖

2.2 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用程序基于WINCE6.0操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā), 用于實(shí)現(xiàn)聲音數(shù)據(jù)的保存和聲音數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?軟件使用VS2005編寫(xiě), 編程環(huán)境為MFC.應(yīng)用程序整體框圖如圖2所示.

2.2.1 WAV聲音文件格式設(shè)置

為了獲得良好的音質(zhì)便于后期的處理，系統(tǒng)采集的聲音設(shè)置成wave的文件格式.wave文件作為多媒體使用的聲波文件之一，是以RIFF格式為標(biāo)準(zhǔn)的，RIFF又包含兩個(gè)子塊，分別為“fmt”和“data”,其中“fmt”子塊由WAVEFORMATEX所組成.該系統(tǒng)當(dāng)中的wave文件WAVEFORMATEX結(jié)構(gòu)設(shè)置為PCM編碼，聲道數(shù)為1，采樣率設(shè)為11.025 kHz.

2.2.2 錄入聲音的保存

WINCE6.0系統(tǒng)通過(guò)MFC的Edit控件，將錄音時(shí)間設(shè)置為60 s，并調(diào)用windows提供的一些API接口函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控件的消息響應(yīng)和聲音的保存，其中最主要的是一組wave的函數(shù)： waveInOpen();waveInPrepareHeader(); waveInAddBuffer(); waveInStart(); waveInUnprepareHeader(); waveInReset(); waveInClose(); 利用這些接口函數(shù)對(duì)應(yīng)的相關(guān)消息：MM_WIM_OPEN，打開(kāi)設(shè)備時(shí)消息；MM_WIM_DATA，當(dāng)緩存已滿或者停止錄音時(shí)的消息；MM_WIM_CLOSE，關(guān)閉錄音設(shè)備時(shí)的消息等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)錄音的操作.錄音程序框架如圖3所示.

圖3 錄音程序框架

每當(dāng)設(shè)置的buffer已滿時(shí)，將收到MM_WIM_DATA消息，然后處理該消息可以保存已錄好數(shù)據(jù).

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

WINCE6.0系統(tǒng)可以調(diào)用Windows提供的Socket套接字進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)[5].把2440開(kāi)發(fā)板作為客戶端，在客戶端設(shè)定好服務(wù)器的IP地址及端口號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接，這樣把每次錄音完生成的wave音頻文件自動(dòng)由客戶端發(fā)送給服務(wù)器，并在服務(wù)器端自動(dòng)接收傳來(lái)的wave文件，同時(shí)在客戶端發(fā)送完畢后自動(dòng)清除已經(jīng)保存過(guò)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行下一次錄音.

3 服務(wù)器后臺(tái)處理

為了便于比較,在服務(wù)器端通過(guò)Matlab編程對(duì)已讀入的60 s的聲音文件進(jìn)行數(shù)據(jù)分割，變?yōu)槊坎糠?0 s的數(shù)據(jù)，接著對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行FFT變化，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑去噪處理，去掉頻譜上幅度值特別大的幾處噪聲，并將窗口進(jìn)行歸一化顯示[6]，如圖4～圖6所示，頻率域內(nèi)的波形大體呈3種狀態(tài). 從圖4～圖6中可以看出：

圖4 頻譜圖 圖5 頻譜圖 圖6 頻譜圖

(1)圖4中頻域內(nèi)低頻部分的幅度值比較高，而高頻部分幅度值很低，高頻和低頻部分幅值明顯差別很大，與對(duì)應(yīng)的工廠實(shí)際觀測(cè)的燃燒狀況時(shí)間表進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)此種狀態(tài)為過(guò)燒；

(2)圖5中頻域內(nèi)總體的幅度值比較平穩(wěn)，高頻和低頻部分幅值差距比較小，與對(duì)應(yīng)的燃燒狀況時(shí)間表進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)此種狀態(tài)為正常；

(3)圖6中頻域內(nèi)總的幅度值都比較高，與圖4相比高頻和低頻部分幅值也有一定差距，但差別不大，與對(duì)應(yīng)的燃燒狀況時(shí)間表進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)此種狀態(tài)為欠燒.

根據(jù)以上頻譜幅值的特點(diǎn)進(jìn)行處理，考慮到現(xiàn)場(chǎng)聲音采集器放置的位置不同則采集到的聲音整體幅度可能不同，我們采用比值的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.我們?nèi)∶恳环鶊D頻譜幅值差距最大的5 k到10 k之間的數(shù)據(jù)之和為sum1，15 k到20 k之間的數(shù)據(jù)之和為sum2，然后將這兩段頻率內(nèi)的數(shù)據(jù)求平均avr1、avr2，然后取其比值：

表1 3種狀態(tài)的比值統(tǒng)計(jì)分布

這樣處理后3種狀態(tài)的比值統(tǒng)計(jì)分布如表1所示.

從表1中可以看出過(guò)燒的比值會(huì)明顯大于2，正常的比值最小，集中于1.42以下，欠燒的在1.42和2之間.但是觀察發(fā)現(xiàn)在1.4和2之間在圖像上也有一部分屬于正常的狀態(tài)，這一段區(qū)分的比較模糊，所以將比值落在1.4和2之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化，再加一個(gè)絕對(duì)值，取前5 k到10 k幅度值比較小的作為正常的情況.同樣在1.42以下也有一部分是欠燒的狀態(tài)，所以也取5 k到10 k的幅度值，把這時(shí)幅度值比較大的作為欠燒狀態(tài).運(yùn)用這種方法將其它時(shí)間段的數(shù)據(jù)同樣進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)基本可以比較準(zhǔn)確地判斷出不同的燃燒狀態(tài).

4 結(jié)束語(yǔ)

我們?cè)O(shè)計(jì)該系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)熟料質(zhì)量的自動(dòng)檢測(cè)，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，該系統(tǒng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)并且準(zhǔn)確率較高，而且可以將該系統(tǒng)應(yīng)用于其它的能夠通過(guò)聲音來(lái)判斷狀態(tài)的系統(tǒng).但是，由于在短時(shí)間內(nèi)熟料的狀態(tài)可能連續(xù)發(fā)生多次變化，所以這里只是建立了一個(gè)在一定時(shí)間內(nèi)狀態(tài)穩(wěn)定的檢測(cè)系統(tǒng)框架，但這樣的框架是可行的.對(duì)某一段時(shí)間狀態(tài)穩(wěn)定的情況，只要對(duì)它的頻譜稍作分析，建立數(shù)據(jù)庫(kù)就可對(duì)熟料燃燒狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè).

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