基于WSN的分布式城市噪聲監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹曉歡，楊建華，陳立偉

(西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安710129)

隨著工業(yè)發(fā)展、文明進(jìn)步，人們的生活日益豐富。伴隨著我國城市的快速發(fā)展與擴(kuò)張，交通、生活、建筑等噪聲污染日益嚴(yán)重，干擾市民生活，同時(shí)誘發(fā)多種疾病，帶來聽力損傷。因而，對于城市噪聲的監(jiān)測與防治研究一直是環(huán)境［1］、交通［2］、建筑和聲學(xué)［3］等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

現(xiàn)有的噪聲監(jiān)測手段主要包括依靠車載監(jiān)測設(shè)備或手持設(shè)備的移動監(jiān)測以及采用固定設(shè)備的分布式定點(diǎn)監(jiān)測。移動監(jiān)測機(jī)動性強(qiáng)、設(shè)備性能優(yōu)良、監(jiān)測數(shù)據(jù)精確，但需要耗費(fèi)大量的人力物力，而且不具備實(shí)時(shí)性。而現(xiàn)有的分布式定點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)一般需要建立有線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，即使利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也需要預(yù)設(shè)線路和接口進(jìn)行連接。本文所設(shè)計(jì)的基于WSN的噪聲監(jiān)測系統(tǒng)利用成熟的WSN技術(shù)［4］搭建無線通訊網(wǎng)絡(luò)，不需要鋪設(shè)通訊線路也無需在外網(wǎng)預(yù)設(shè)接口，節(jié)點(diǎn)的分布、移動、增加和刪減更加靈活。利用城市環(huán)境中豐富的供電線路搭配太陽能電池板，系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)WSN的節(jié)點(diǎn)供電受限問題［5］。結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互平臺，并且與城市地圖數(shù)據(jù)庫連接，實(shí)現(xiàn)了城市噪聲強(qiáng)度分布的實(shí)時(shí)顯示。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。噪聲采集模塊與無線射頻模塊構(gòu)成無線傳感器節(jié)點(diǎn)(Node)，傳聲器將采集到的噪聲模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過無線射頻模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。WSN由8個(gè)無線節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成，其通信基于IEEE 802.15.4/ZigBee通用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。節(jié)點(diǎn)由太陽能蓄電池配合有線輸電線路供電。WSN的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過COM口與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。在LabVIEW環(huán)境下通過VISA模塊實(shí)現(xiàn)COM口的驅(qū)動與數(shù)據(jù)讀寫，噪聲數(shù)據(jù)以三維動態(tài)噪聲分布圖的形式顯示在軟件界面上，可以實(shí)現(xiàn)過限報(bào)警，噪聲數(shù)據(jù)的動態(tài)存儲與調(diào)用。工作人員通過人機(jī)交互平臺可以實(shí)時(shí)監(jiān)測城市各個(gè)區(qū)域的噪聲分布情況，并結(jié)合城市地圖迅速定位噪聲源，及時(shí)進(jìn)行處理。

圖1 分布式城市噪聲監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 基于Zigbee的WSN設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

噪聲監(jiān)控系統(tǒng)所建立的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［6－7］，由一個(gè)主協(xié)調(diào)器(網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn))及多個(gè)從設(shè)備(無線節(jié)點(diǎn))組成，從設(shè)備只與主協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，節(jié)點(diǎn)之間不進(jìn)行通信。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成簡單，從設(shè)備采用無時(shí)槽信道競爭機(jī)制(Unslotted)CSMA/CA，網(wǎng)絡(luò)主要能耗集中在可以有線供電的主協(xié)調(diào)器上，相較于其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以大大降低節(jié)點(diǎn)能耗，使依靠電池供電情況的從設(shè)備可以擁有更長的工作時(shí)間，以便太陽能蓄電池供電系統(tǒng)在夜晚或陰天的情況下能夠?yàn)楣?jié)點(diǎn)工作提供足夠的能量。無線傳感器設(shè)備選用Memsic公司的MIB520網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及 IRIS“智能塵?！?。MIB520網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)自帶USB接口用以數(shù)據(jù)傳輸和在線編程。

IRIS平臺支持 IEEE 802.15.4/ZigBee通用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議［8］，工作在 2.4 GHz波段并自帶 10 bit 8 通道ADC。系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由IRIS平臺加MIB520網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)集中了網(wǎng)絡(luò)的主要能耗，由USB接口直接供電。節(jié)點(diǎn)由IRIS平臺與自制的傳聲器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，依靠太陽能蓄電池系統(tǒng)供電獨(dú)立工作。

2.2 星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下IRIS平臺軟件設(shè)計(jì)

IRIS是一個(gè)微型嵌入式系統(tǒng)，平臺采用TinyOS操作系統(tǒng)［9－10］進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。TinyOS是加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的開源嵌入式操作系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，程序核心較小，適用于處理能力與存儲空間都有限的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。TinyOS是基于組件的操作系統(tǒng)，主要部分包括:main組件、應(yīng)用組件、系統(tǒng)組件以及硬件描述層(HPL)，便于操作系統(tǒng)的移植以及程序的復(fù)用。TinyOS系統(tǒng)的片上程序開發(fā)由NesC語言實(shí)現(xiàn)，IRIS的應(yīng)用程序在計(jì)算機(jī)上編寫好后通過MIB520進(jìn)行燒寫。

TinyOS系統(tǒng)中基于主動消息模式的通信模型是一個(gè)面向消息通信的高性能通信模式。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用主動消息機(jī)制的主要目的是使無線傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和通信重疊，讓軟件層的通信原語能夠與節(jié)點(diǎn)的硬件能力匹配，充分節(jié)省無線傳感器節(jié)點(diǎn)的有限存儲空間。系統(tǒng)采用主動消息中“帶確認(rèn)信息的消息傳遞”的通信機(jī)制。

由于8路無線節(jié)點(diǎn)工作在同一信道，在IEEE 802.15.4/Zigbee通信協(xié)議中制定了CSMA/CA競爭機(jī)制，并制定了信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)(Beacon-Enabled Network)及無信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)(Nonbeacon-Enabled Network)［11］。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的WSN采用了無信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，系統(tǒng)啟動后網(wǎng)關(guān)處于監(jiān)聽狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)采用無時(shí)槽信道競爭機(jī)制(Unslotted)CSMA/CA。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先偵聽信道狀態(tài)，如果信道空閑則傳遞數(shù)據(jù)包，如果信道繁忙則進(jìn)行有限延時(shí)等待后再次進(jìn)行偵聽，直到數(shù)據(jù)包發(fā)送成功為止。節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)流程與網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收流程圖

3 LabVIEW環(huán)境下監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控平臺與網(wǎng)關(guān)接口設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)與主機(jī)通過COM口連接。網(wǎng)關(guān)接收節(jié)點(diǎn)的每一個(gè)消息包包括以下內(nèi)容:FFFF(目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址);00 01(鏈路層源地址);04(消息包有效載荷區(qū)長度);00(網(wǎng)絡(luò)組號);06(AM類型);以下為消息包有效載荷區(qū):00 01/00 02/…:節(jié)點(diǎn)編號;03 30噪聲數(shù)據(jù)(十六進(jìn)制)。LabVIEW通過VISA模塊讀取串口數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與顯示。

虛擬儀器軟件規(guī)范VISA(Virtual Instrument software Architecture)是LabVIEW中提供的用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。其實(shí)質(zhì)是虛擬儀器系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)API。VISA通過調(diào)用底層驅(qū)動程序來實(shí)現(xiàn)LabVIEW與網(wǎng)關(guān)串口通信。串口通信操作的基本過程為:配置串口參數(shù)(打開串口)→發(fā)送或接收數(shù)據(jù)→關(guān)閉串口［12］。其中參數(shù)的配置非常重要，它直接關(guān)系到串口通信是否正常。本系統(tǒng)串口通信的波特率為57 600 bit/s。

3.2 噪聲監(jiān)測程序設(shè)計(jì)及其三維動態(tài)顯示

通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)回的噪聲數(shù)據(jù)是節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域的噪聲信號，而分布式三維動態(tài)顯示噪聲是這一區(qū)域噪聲的覆蓋情況。在自由聲場條件下，點(diǎn)生源的聲波遵循球面發(fā)散的規(guī)律，按照聲功率級作為點(diǎn)聲源評價(jià)量，其衰減模型為:

其中，Ew表示聲音能量因距離增加產(chǎn)生的衰減值;r表示點(diǎn)聲源與受聲點(diǎn)的距離。

噪聲三維圖顯示于OXYZ空間，其中，OXY平面模擬城市路面坐標(biāo)信息，Z軸表示噪聲分貝值。不同路段的傳感器節(jié)點(diǎn)將根據(jù)其路面坐標(biāo)位置顯示在三維等高線圖上

3.3 軟件整體結(jié)構(gòu)及主要功能

軟件整體結(jié)構(gòu)采用“生產(chǎn)者/消費(fèi)者”結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是多線程編程模式是時(shí)間處理器和隊(duì)列消息處理器相結(jié)合而構(gòu)成的復(fù)合設(shè)計(jì)模式。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，生產(chǎn)者負(fù)責(zé)循環(huán)不間斷的通過VISA模塊讀取網(wǎng)關(guān)串口發(fā)回的數(shù)據(jù)，提取出有用的噪聲信號后將其轉(zhuǎn)化為分貝值寫入消息隊(duì)列。消費(fèi)者循環(huán)讀取消息隊(duì)列噪聲分貝值與相應(yīng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)示符，根據(jù)聲音衰減模型將噪聲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維數(shù)組，根據(jù)節(jié)點(diǎn)標(biāo)示符，在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置上顯示區(qū)域噪聲三維強(qiáng)度圖。

噪聲過限報(bào)警功能根據(jù)預(yù)設(shè)噪聲分貝閾值進(jìn)行判定。預(yù)設(shè)噪聲分布閾值分為白天和夜晚兩種工作模式，超過預(yù)設(shè)噪聲限，自動在相應(yīng)位置上點(diǎn)亮紅燈報(bào)警。

數(shù)據(jù)存儲功能實(shí)現(xiàn)了噪聲過限數(shù)據(jù)選擇性存儲。數(shù)據(jù)存儲采用TDMS技術(shù)，這是LabVIEW中專為存儲數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)模型，具有速度快，占用內(nèi)存小，方便讀寫的特點(diǎn)。

顯示地圖功能可以調(diào)用城市地圖信息，并查看無線節(jié)點(diǎn)的布點(diǎn)情況，方便噪聲分析處理與硬件維護(hù)。

軟件工作界面如圖3所示。左半部分顯示分布式噪聲強(qiáng)度圖及噪聲過限指示，右半部分為軟件主要功能區(qū)域。

圖3 軟件系統(tǒng)界面

4 分布式城市噪聲監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，通過沙盤模擬城市主要路段情況，對該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與可行性測試。8個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布在不同的路段，與網(wǎng)關(guān)及監(jiān)控平臺距離大于等于30 m。

實(shí)驗(yàn)開始前，將過限噪聲閾值設(shè)為白天80 dB，夜晚40 dB。噪聲超過這一分貝值過限指示中就會點(diǎn)亮紅燈報(bào)警。

實(shí)驗(yàn)開始，在白天工作模式下，各個(gè)監(jiān)測區(qū)域處于安靜狀態(tài)，如圖3所示。人為在第4個(gè)，第7個(gè)節(jié)點(diǎn)附近播放高分貝噪聲，在其余點(diǎn)播放低分貝噪聲，監(jiān)測界面顯示如圖4(a)所示，超過80 dB的兩個(gè)位置點(diǎn)亮紅燈報(bào)警。在夜晚工作模式下，只在第4個(gè)節(jié)點(diǎn)處播放高分貝噪聲，在第3，5，7節(jié)點(diǎn)處播放與上一實(shí)驗(yàn)相同的低分貝噪聲，其余節(jié)點(diǎn)沒有人為播放噪聲。由圖4(b)所示，夜晚模式下，噪聲在相對低的分貝下同樣進(jìn)行過限報(bào)警。同時(shí)，此次試驗(yàn)開啟過限數(shù)據(jù)保存，界面右半部分?jǐn)?shù)據(jù)保存指示燈點(diǎn)亮，數(shù)據(jù)成功保存。

在功能選項(xiàng)中，點(diǎn)擊“顯示地圖”按鈕，工作人員可以實(shí)時(shí)查看監(jiān)控路段地圖與節(jié)點(diǎn)布點(diǎn)情況，如圖5所示。

對該系統(tǒng)進(jìn)行了3次長時(shí)間實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間分別為5 h，8 h，20 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，WSN工作正常穩(wěn)定，監(jiān)測界面的實(shí)時(shí)動態(tài)顯示正常，報(bào)警靈敏，結(jié)果正確，軟件各項(xiàng)功能運(yùn)行成功。噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明無線通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的。

圖4 監(jiān)測結(jié)果

圖5 監(jiān)控路段地圖與節(jié)點(diǎn)分布情況

5 總結(jié)

使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集是未來對噪聲進(jìn)行檢測與分析的有效途徑。筆者提供了TinyOS環(huán)境下設(shè)計(jì)開發(fā)WSN的方法，提出了基于LabVIEW的軟件系統(tǒng)及人機(jī)交互設(shè)計(jì)。VISA通信與生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式結(jié)構(gòu)的使用大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜程度，增強(qiáng)了程序的魯棒性，降低內(nèi)存資源占用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，系統(tǒng)可以長時(shí)間穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)噪聲動態(tài)監(jiān)測與報(bào)警、噪聲數(shù)據(jù)保存、地圖及節(jié)點(diǎn)布點(diǎn)情況查看等。該系統(tǒng)為噪聲治理，智能交通等領(lǐng)域提供了理論依據(jù)與參考，具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。

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