基于DSP與無線通信技術(shù)的環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

姚健東，姜志鵬，張 燕

(金陵科技學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211169)

·信息應(yīng)用·

基于DSP與無線通信技術(shù)的環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

姚健東，姜志鵬，張 燕

(金陵科技學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211169)

針對當(dāng)前環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，在分析多種監(jiān)測方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于DSP與無線通信技術(shù)的環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并將其應(yīng)用于校園環(huán)境噪聲監(jiān)測中，達(dá)到了監(jiān)測的實(shí)時(shí)性、全天候和穩(wěn)定性的要求。該設(shè)計(jì)方法可為同類應(yīng)用提供借鑒。

環(huán)境噪聲監(jiān)測;DSP;無線通信技術(shù)

1 環(huán)境噪聲及監(jiān)測

噪聲與水、大氣、固體廢物污染并稱為城市環(huán)境問題的四大公害。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模和城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城市環(huán)境噪聲問題也日益突出。如何有效地對城市環(huán)境噪聲進(jìn)行監(jiān)測，更好地為環(huán)境管理服務(wù)，已成為環(huán)境熱點(diǎn)問題［1］。目前常用的環(huán)境噪聲監(jiān)測方法有以下幾種:人工實(shí)地監(jiān)測、有線方式監(jiān)測和無線方式監(jiān)測。

1.1 人工實(shí)地監(jiān)測

人工實(shí)地監(jiān)測指的是監(jiān)測人員使用聲級計(jì)等噪聲測量儀器，前往待測地點(diǎn)進(jìn)行噪聲的實(shí)地監(jiān)測，并記錄噪聲數(shù)據(jù)信息。這種方法不可能做到全天候監(jiān)測，往往對突發(fā)性環(huán)境噪聲沒有監(jiān)測力度，并且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，實(shí)時(shí)性較差。

1.2 有線方式監(jiān)測

在區(qū)域的關(guān)鍵點(diǎn)安裝噪聲傳感器，傳感器通過預(yù)先鋪設(shè)的電纜或光纜將采集到的環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心，由專業(yè)人士分析并給出監(jiān)測結(jié)果。但是由于監(jiān)測點(diǎn)位往往分布范圍廣并且周邊地形復(fù)雜，這為電纜或光纜的鋪設(shè)帶來困難，增加投資成本［2］。在實(shí)際應(yīng)用中，往往會受到人為破壞等因素的影響，無法實(shí)時(shí)獲得環(huán)境噪聲信息，且系統(tǒng)靈活性較差。

1.3 無線方式監(jiān)測

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，使用GPRS或者3G網(wǎng)絡(luò)作為環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)的傳輸載體，可以降低因鋪設(shè)電纜或光纜帶來的成本，并且抗干擾性較好，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)靈活，可以有效提高噪聲監(jiān)測的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，是環(huán)境噪聲監(jiān)測未來發(fā)展的一個(gè)方向。

2 環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于DSP與無線通信技術(shù)的環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱“環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)”)是實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換、噪聲電信號采集、噪聲事件監(jiān)測和報(bào)告及噪聲數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程分析等功能于一體的綜合噪聲監(jiān)測系統(tǒng)，具有無人值守、全天候戶外穩(wěn)定連續(xù)工作、多點(diǎn)組網(wǎng)測量和傳輸?shù)忍攸c(diǎn)［3］，能夠滿足中國《聲學(xué)環(huán)境噪聲測量方法》(GB/T 3222—94)中環(huán)境噪聲長期連續(xù)監(jiān)測的要求。

2.1 環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)主要由3部分組成:噪聲檢測終端、GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

噪聲檢測終端使用高性能數(shù)字信號處理器完成噪聲的電信號轉(zhuǎn)換、采集和分貝值計(jì)算等功能;GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)將與噪聲相關(guān)的數(shù)據(jù)通過GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)由Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心服務(wù)器;數(shù)據(jù)中心服務(wù)器負(fù)責(zé)噪聲數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析、存儲和噪聲事件報(bào)告等任務(wù)。在設(shè)計(jì)時(shí)，將GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)融合在噪聲檢測終端中，達(dá)到提高環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。

2.2 噪聲檢測終端的設(shè)計(jì)

噪聲檢測終端由噪聲檢測單元和無線傳輸單元組成。為了達(dá)到噪聲數(shù)據(jù)采集和分貝值計(jì)算的實(shí)時(shí)性要求，噪聲檢測終端使用德州儀器公司(TI)制造的高性能DSP TMS320C5416作為主控芯片，外圍輔助測聲傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊、GPRS/3G模塊和GPS全球定位模塊，完成環(huán)境噪聲的采集、分貝值計(jì)算和傳輸?shù)裙δ?。在?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，同樣的噪聲分貝值計(jì)算算法，使用DSP芯片進(jìn)行計(jì)算比使用普通的單片機(jī)在計(jì)算速度上提高了6.4倍，較好地滿足了實(shí)時(shí)性的要求。噪聲檢測終端的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 噪聲檢測終端結(jié)構(gòu)

測聲傳感器將環(huán)境噪聲的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大后，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入TMS320C5416。該芯片按照噪聲分貝值的計(jì)算方法計(jì)算出環(huán)境噪聲的分貝值，并在液晶顯示器上實(shí)時(shí)顯示環(huán)境噪聲的分貝值，同時(shí)通過GPRS/3G模塊將環(huán)境噪聲分貝值傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。為了能夠在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中顯示噪聲檢測終端的位置，該終端集成了GPS全球定位模塊來向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上傳相關(guān)的經(jīng)緯度位置信息。

在設(shè)計(jì)時(shí)，主控芯片TMS320C5416使用高速串行外設(shè)接口(SPI)與GPRS/3G模塊互連，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣饶軌驖M足實(shí)時(shí)性的要求。在通過GPRS/3G模塊進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，兼顧實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求，采用計(jì)算量相對較小的異或求和校驗(yàn)方法，既可以提高無線傳輸?shù)乃俣?，也能在一定程度上保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測得，GPRS/3G模塊的無線傳輸丟包率在5%以內(nèi)，基本滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.3 數(shù)據(jù)中心服務(wù)器軟件的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器軟件主要對各個(gè)噪聲檢測終端傳送來的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、存儲和報(bào)警等功能，達(dá)到全天候進(jìn)行環(huán)境噪聲監(jiān)測的目的。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器軟件主要由4部分組成:多線程TCP/IP傳輸單元、人機(jī)界面單元、地理信息系統(tǒng)(GIS)單元和數(shù)據(jù)庫單元。

多線程TCP/IP傳輸單元通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接收各個(gè)噪聲檢測終端發(fā)送的噪聲數(shù)據(jù)，并保存在相應(yīng)的內(nèi)存區(qū)域中，以便后續(xù)的分析存檔使用。由于噪聲檢測終端數(shù)量眾多，在一段時(shí)間內(nèi)可能有多個(gè)噪聲檢測終端的數(shù)據(jù)需要接收，如果采用單線程的TCP/IP傳輸可能會造成數(shù)據(jù)丟失進(jìn)而影響數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)采用多線程的方式來進(jìn)行TCP/IP傳輸，使得各個(gè)傳輸線程之間達(dá)到并發(fā)執(zhí)行的效果，可以有效解決數(shù)據(jù)量較大的問題。

人機(jī)界面單元使用GUI技術(shù)，利用圖表的方式實(shí)時(shí)顯示各個(gè)噪聲檢測終端的噪聲數(shù)據(jù)，并能夠按照用戶的要求完成對噪聲數(shù)據(jù)的分析，給出噪聲數(shù)據(jù)變化曲線等相關(guān)的統(tǒng)計(jì)匯總功能。當(dāng)某個(gè)噪聲檢測終端的數(shù)據(jù)異常時(shí)，能夠給出提示。

地理信息系統(tǒng)(GIS)單元可以在區(qū)域地圖上實(shí)時(shí)顯示各個(gè)噪聲檢測終端的位置，并顯示出當(dāng)前的噪聲數(shù)據(jù)信息，方便用戶查看區(qū)域內(nèi)的環(huán)境噪聲狀況。數(shù)據(jù)庫單元提供噪聲數(shù)據(jù)的存檔、查詢和打印等功能。

3 環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

通過在校園的關(guān)鍵地點(diǎn)安裝噪聲檢測終端，可以驗(yàn)證環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)用性。圖3為安裝了8個(gè)噪聲檢測終端(圖中黑點(diǎn))的校園區(qū)域圖，通過單擊這8個(gè)噪聲檢測終端可以查看實(shí)時(shí)的噪聲數(shù)據(jù)信息，為進(jìn)一步研究校園的環(huán)境噪聲分布提供了原始數(shù)據(jù)信息。

圖3 環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)在校園中的應(yīng)用

圖4為校園8個(gè)噪聲檢測終端一天中平均噪聲分貝值，從中可以看出校園環(huán)境噪聲的主要來源是學(xué)校門口的交通噪聲、學(xué)生宿舍區(qū)域和食堂附近的生活噪聲。這為有效控制校園環(huán)境噪聲提供了依據(jù)。

圖4 校園噪聲分布狀況

圖5為安裝在校園宿舍區(qū)的噪聲檢測終端24 h內(nèi)的噪聲數(shù)據(jù)曲線圖。由圖5可以看出，半夜12點(diǎn)到凌晨6點(diǎn)之間的噪聲分貝值較小，中午12點(diǎn)左右、晚間6點(diǎn)到10點(diǎn)的噪聲分貝值較大，由此可以判斷出學(xué)生在宿舍區(qū)的生活規(guī)律。

圖5 校園宿舍區(qū)噪聲狀況

通過上述應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)在研究校園環(huán)境噪聲的分布、學(xué)生的日常生活習(xí)慣等方面有很大的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

基于DSP與無線通信技術(shù)的環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)，可以克服傳統(tǒng)人工監(jiān)測和有線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和靈活性差等缺點(diǎn)，滿足現(xiàn)代環(huán)境噪聲監(jiān)測實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和易用性的要求。本系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用與改進(jìn)，可以達(dá)到快速準(zhǔn)確監(jiān)測、實(shí)時(shí)響應(yīng)的要求。使用DSP進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)的采集與分析，在實(shí)時(shí)性上作出了重大改進(jìn)，可以為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供借鑒。

［1］楊光.關(guān)于城市環(huán)境噪聲監(jiān)測工作的思考［J］.環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2009，21(4):9-11.

［2］徐志國.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.皖西學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，25(5):69-71.

［3］樊冬毅.基于GPRS的環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電聲技術(shù)，2008，32(11):64-66.

［4］GB/T 3222-94 聲學(xué)環(huán)境噪聲測量方法［S］.

Design and Applications of Environmental Noise Monitoring System Based on DSP and Wireless Communication Technology

YAO Jian-dong，JIANG Zhi-peng，ZHANG Yan
(Jinling Institute of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 211169，China)

On the basis of the development trends of current environmental noise monitoring system，put forward a design method of environmental noise monitoring system using DSP and wireless communication technology，which is based on analyzing the advantages and disadvantages of many monitoring methods.This system has been used in campus environmental noise monitoring，and has already reached the requirements of real-time，all-day and stability.The designed method can be used in similar application.

environmental noise monitoring;DSP;wireless communication technology

X84

B

1674-6732(2011)-06-0025-03

10.3969/j.issn.1674-6732.2011.06.008

2010-11-30

江蘇省環(huán)境監(jiān)測科研基金項(xiàng)目(803)。

姚健東(1985—)，男，助教，碩士，從事嵌入式系統(tǒng)研究。

(本欄目編輯 黃 珊)