ENS3000噪聲監(jiān)測系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

浦云明，汪志華　，喬　峰，梁　軍

(1.集美大學(xué)計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021;2.廈門尚為科技有限公司，福建 廈門 361009)

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ENS3000噪聲監(jiān)測系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

浦云明1，汪志華1，喬峰2，梁軍2

(1.集美大學(xué)計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021;2.廈門尚為科技有限公司，福建 廈門 361009)

[摘要]噪聲監(jiān)測系統(tǒng)需要解決海量監(jiān)測數(shù)據(jù)定位、音頻數(shù)據(jù)與分貝數(shù)據(jù)同步采集等問題.在研制ENS3000噪聲監(jiān)測取證系統(tǒng)中，分析了噪聲音頻處理原理及編碼算法，包括一維離散余弦變換、小波變換等；提出了音頻數(shù)據(jù)分段存儲(chǔ)格式，解決了海量音頻數(shù)據(jù)的快速定位問題，保證音頻跨段連續(xù)處理；提出了分貝和音頻采集合并技術(shù)以簡化輸入信道，解決了音頻數(shù)據(jù)和分貝數(shù)據(jù)的同步采集問題；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用雙層散熱和隔離設(shè)計(jì)，解決了儀器散熱和防水問題.

[關(guān)鍵詞]噪聲；測試；小波變換；監(jiān)測系統(tǒng)；遠(yuǎn)程控制

0引言

噪聲影響人們的學(xué)習(xí)、工作和生活，但是現(xiàn)有噪聲的監(jiān)測方式、監(jiān)測布點(diǎn)密度和監(jiān)測頻度不能反應(yīng)城市噪聲環(huán)境的現(xiàn)狀[1].在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用能夠改善城市聲環(huán)境狀況,因此，噪聲在線、連續(xù)、自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的研制和應(yīng)用得到了環(huán)保部門高度重視[2].

從國內(nèi)外情況看，環(huán)境噪聲監(jiān)測儀器在噪聲測量、數(shù)據(jù)處理、傳輸技術(shù)方面比較成熟.監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建城市噪聲地圖、評(píng)估噪聲污染和優(yōu)化城市規(guī)劃[3].研究人員設(shè)計(jì)虛擬儀器監(jiān)測噪聲，應(yīng)用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析[4].噪聲監(jiān)測布點(diǎn)方面，采用自然路段布點(diǎn)和功能區(qū)噪聲定期監(jiān)測方法，并運(yùn)用無線網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測[5].

在噪聲評(píng)價(jià)方法上，一般采用計(jì)權(quán)等效連續(xù)聲級(jí)，并使用累積百分聲級(jí)(LN)、噪聲污染級(jí)(LNP)、晝夜等效聲級(jí)(LDN)加以輔助修正.航空噪聲評(píng)價(jià)采用等效連續(xù)感覺噪聲級(jí)(WECPNL)進(jìn)行評(píng)價(jià)，姚磊等人研究了監(jiān)測終端頻率計(jì)權(quán)參數(shù)、計(jì)量檢定方法和性能評(píng)價(jià)[6].噪聲監(jiān)測技術(shù)方面，注重環(huán)境噪聲預(yù)測方法和模型研究，用數(shù)據(jù)為環(huán)境噪聲治理和規(guī)劃提供依據(jù)；加強(qiáng)噪聲的實(shí)驗(yàn)研究，主要包括噪聲信息頻率成分、時(shí)間特性、空間特性、噪聲信息的模擬研究；實(shí)現(xiàn)噪聲自動(dòng)監(jiān)測、均衡時(shí)段監(jiān)測等研究[1].

對(duì)噪聲音頻通過采樣、量化和編碼三個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)了音頻數(shù)字化處理.常用的噪聲音頻編碼技術(shù)可分為波形編碼、參數(shù)編碼和混合編碼.波形編碼是將時(shí)間域上的信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，其原理是在時(shí)間軸上對(duì)模擬語音選取相應(yīng)速率進(jìn)行抽樣，然后選取幅度樣本進(jìn)行分層量化，并進(jìn)行編碼.在工程應(yīng)用上，波形編碼技術(shù)包括脈沖編碼調(diào)制PCM、差分DPCM和增量調(diào)制DM等.參數(shù)編碼(聲源編碼)，是在頻率域或相應(yīng)正交變換域上提取信號(hào)特征參數(shù)，變換為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行傳輸，該技術(shù)壓縮率較高，但算法復(fù)雜，合成語音的音質(zhì)和抗背景噪音較差.為獲得以上兩種編碼技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生了混合編碼技術(shù)，主要編碼方式包括：MPLPC、KPELPC、CELP等.

音頻變換最基本的思路是將時(shí)域變換轉(zhuǎn)換為頻域變換，音頻編碼通常采用塊變換技術(shù)，去除信號(hào)冗余度并提高了壓縮比[7]，主要的音頻編碼算法包括離散余弦變換、小波變換等.音頻編碼算法主要目的是去除信號(hào)冗余度以提高壓縮比，曲天書等人利用小波提升方法，對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行分帶處理增強(qiáng)了信號(hào)相關(guān)性，提高了信號(hào)的壓縮比[8].馬鴻飛等人研究了基于正交小波變換和音質(zhì)模型的自適應(yīng)比特分配音頻編碼算法，提高音頻編碼質(zhì)量[9].緱新科等人[10]在DCT變換基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)變步長LMS算法進(jìn)行自適應(yīng)噪聲抵消研究，在收斂速度、穩(wěn)態(tài)失調(diào)和算法復(fù)雜度方面仿真研究取得了較好的效果.小波變換的基本思想源于伸縮與平移，與傳統(tǒng)傅里葉變換由三角函數(shù)展開相比，小波基函數(shù)為快速衰減、充分平滑、能量緊致且相互經(jīng)由伸縮與平移所生成的函數(shù)集合.小波算法先對(duì)水平方向數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，然后對(duì)垂直方向數(shù)據(jù)進(jìn)行變換[11].因此，對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理可以去除信號(hào)噪聲，羅幼芝進(jìn)行了小波變換用于信號(hào)去噪方法的研究[12].與離散傅里葉變換和余弦變換不同，小波變換有很好的時(shí)頻特性，使用短時(shí)尺度支持高頻分析，長時(shí)尺度支持低頻分析，這種特性有利于音頻信號(hào)的處理和音質(zhì)的保證[9].何冬梅等人研究認(rèn)為小波變換解決了傅里葉變換在時(shí)-頻平面上固定的缺點(diǎn)，對(duì)時(shí)間軸和頻率軸進(jìn)行非均勻劃分，使得時(shí)頻分辨率隨著頻率變化，這種時(shí)頻特性更適合音頻信號(hào)特點(diǎn)和人的聽覺系統(tǒng)[13].

以上研究尚存在海量音頻數(shù)據(jù)的快速定位問題，以及如何實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)跨段連續(xù)處理問題，為實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的實(shí)時(shí)、在線、連續(xù)地監(jiān)測，解決音頻數(shù)據(jù)同步和存儲(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)，本文特研制ENS3000噪聲監(jiān)測系統(tǒng)，以期能夠?yàn)檎芾硖峁┛茖W(xué)依據(jù).

1噪聲音頻處理

1.1　一維離散余弦變換DCT

(1)

(2)

余弦變換后得到的系數(shù)矩陣為：XA= [Y(0)，Y(1)，…，Y(N-1)]T.

逆變換定義為：

(3)

DCT是一種正交變換方法，變換后的音頻信源去除了與Y之間的相關(guān)性，確保了音頻信源能量集中在變換系數(shù)Y(0)，Y(1)，…，Y(N-1))上，這些系數(shù)組成若干個(gè)系數(shù)帶，并對(duì)這些系數(shù)帶進(jìn)行編解碼.

1.2　小波變換

小波的設(shè)計(jì)基于這樣的考慮：對(duì)于信源的處理，高頻譜的信息，時(shí)間間隔要相對(duì)地小，以給出較高的精度；對(duì)于低頻譜的信息，時(shí)間間隔要相對(duì)地寬,以給出完全的信息.有一個(gè)靈活可變的時(shí)間頻率窗，在高中心頻率時(shí)自動(dòng)變窄，在低中心頻率時(shí)自動(dòng)變寬.在ENS3000系統(tǒng)中，從不同類型噪聲去噪處理仿真和測試效果看，小波變換去噪效果好于離散余弦變換.

1.3　噪聲評(píng)價(jià)

在測量儀器選擇上，噪聲計(jì)算使用頻率計(jì)權(quán)，其可劃分為A、B、C三種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)權(quán)，分別模擬人耳對(duì)40方純音、70方純音、100方純音的響應(yīng)，分別稱為A、B、C聲級(jí)計(jì).等效連續(xù)聲級(jí)Leq是以A聲級(jí)為基礎(chǔ)，用穩(wěn)態(tài)噪聲代替變動(dòng)噪聲，建立非穩(wěn)態(tài)噪聲評(píng)價(jià)量，用能量平均方法表示.等效連續(xù)聲級(jí)計(jì)算公式：

(4)

其中，LA為t時(shí)刻的A聲級(jí)，t為測量的連續(xù)時(shí)間.

2ENS噪聲監(jiān)測系統(tǒng)

2.1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ENS3000噪聲在線監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)全天候噪聲環(huán)境在線監(jiān)測，及時(shí)找到被監(jiān)測點(diǎn)位超標(biāo)噪聲的強(qiáng)度、類型和產(chǎn)生規(guī)律，使得執(zhí)法人員能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)入現(xiàn)場取證，有效地進(jìn)行噪聲超標(biāo)管理.監(jiān)測系統(tǒng)以全天候噪聲在線監(jiān)測儀為單元，根據(jù)監(jiān)測的需要將超標(biāo)噪聲數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳回環(huán)境監(jiān)測中心服務(wù)器.在環(huán)境監(jiān)測中心，執(zhí)法部門不僅能了解到整個(gè)城市的聲環(huán)境狀況，而且還可以了解到超標(biāo)噪聲的具體數(shù)值和類型.應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析可以為管理部門決策提供充分的支持，為環(huán)境立法和環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)制定提供根據(jù).圖1是噪聲監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu).

2.2　設(shè)計(jì)模塊

噪聲在線監(jiān)測識(shí)別系統(tǒng)是一個(gè)可配置、可定義的模塊化結(jié)構(gòu)，可配置的模塊間采用“消息隊(duì)列”為主的進(jìn)程間通訊方式.模塊是各自獨(dú)立的可執(zhí)行文件，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各模塊以獨(dú)立進(jìn)程的形式存在于系統(tǒng)中.模塊間采用進(jìn)程間通訊方式，模塊間的通訊關(guān)系可以由INI文件來配置.

2)音頻數(shù)據(jù)采集模塊：音頻數(shù)據(jù)采集模塊每次從聲卡讀取1575個(gè)16 bit音頻采樣(共3150字節(jié))，11 kHz音頻每秒讀取7次，22 kHz音頻每秒讀取14次，44 kHz音頻每秒讀取28次.每次從聲卡讀到1575個(gè)16 bit音頻采樣后，向相關(guān)模塊傳遞一次音頻數(shù)據(jù).音頻數(shù)據(jù)采集模塊處理聲校準(zhǔn)事件，在執(zhí)行聲校準(zhǔn)期間屏蔽所采集的音頻數(shù)據(jù).為簡化程序邏輯，無論系統(tǒng)是否需要采集音頻，聲卡始終處于工作狀態(tài).

3)超標(biāo)音頻處理和傳輸模塊：超標(biāo)音頻處理和傳輸模塊負(fù)責(zé)對(duì)音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行OGG編碼壓縮，音頻5 min邏輯段分段處理，根據(jù)閥值采集規(guī)則判斷超標(biāo)事件.該模塊每收集5 min(1個(gè)邏輯時(shí)間段)的音頻和分貝數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)推入發(fā)送緩沖區(qū)并由數(shù)據(jù)傳輸模塊將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器.

4)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和傳輸模塊：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和傳輸模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)分貝數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)音頻數(shù)據(jù)的處理和傳輸.該模塊偵聽并根據(jù)服務(wù)器發(fā)送的“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集”控制信號(hào)決定是否處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).

5)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算和傳輸模塊：統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算和傳輸模塊負(fù)責(zé)10 min、1 h和24 h統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果推入發(fā)送緩沖區(qū)并由數(shù)據(jù)傳輸模塊將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器.

6)噪聲系統(tǒng)其他功能模塊：軟件看門狗模塊、LED控制模塊、液晶屏控制模塊、LOG處理和傳輸模塊、調(diào)試信息處理和傳輸模塊、在線升級(jí)模塊、時(shí)間同步模塊、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)維護(hù)模塊、服務(wù)器通知處理模塊.

2.3　監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1)連續(xù)無間斷音頻記錄技術(shù).連續(xù)無間斷的音頻記錄是無法用一個(gè)音頻文件來存儲(chǔ)的，因?yàn)楫?dāng)音頻增長到一定程度后，會(huì)給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、音頻解壓縮和音頻定位帶來很大的困難.為了解決音頻數(shù)據(jù)可以連續(xù)無間斷地被記錄下來、能快速定位到任意一個(gè)時(shí)間點(diǎn)并從該時(shí)間點(diǎn)往后提取任意長度的音頻數(shù)據(jù)，技術(shù)上通過音頻分段存儲(chǔ)和壓縮來達(dá)到預(yù)期的目的，實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)連續(xù)處理.

2)儀器散熱和防塵防水技術(shù).封閉式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然可以有效解決防塵、防水的問題，但不利于儀器散熱；在箱體上布置散熱孔雖然可以使箱體內(nèi)部空氣流通，但又會(huì)帶來防塵的問題.通過反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn)，最終使用隔離和雙層散熱的設(shè)計(jì)解決了儀器散熱、防塵和防水的問題.

3)噪聲分貝與音頻信號(hào)從單一傳感器輸出的技術(shù).選擇單一傳感器輸入有三個(gè)原因：簡化信號(hào)輸入通道；簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)；提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.為了使聲級(jí)計(jì)和聲卡共用一個(gè)聲音傳感器，筆者通過增加相應(yīng)的電路，屏蔽和隔離措施解決了因共用傳感器而帶來的干擾問題.

2.4　監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊

1)噪聲統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：噪聲統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包含固定統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和即時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).固定統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括10 min統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，1 h統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，晝夜統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；即時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括5組可配置的時(shí)間段統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).

2)設(shè)備運(yùn)行日志：設(shè)備運(yùn)行日志包括系統(tǒng)日志信息、網(wǎng)絡(luò)日志信息、錯(cuò)誤日志信息、普通日志信息等.

3)基本參數(shù)設(shè)置：基本參數(shù)設(shè)置頁面為用戶提供對(duì)噪聲在線監(jiān)測儀的基本參數(shù)配置項(xiàng)，包括本機(jī)網(wǎng)絡(luò)IP，掩碼，噪聲數(shù)據(jù)服務(wù)器IP、端口，站點(diǎn)編號(hào)及站點(diǎn)名稱，修改配置項(xiàng)重啟等功能.

4)晝夜、小時(shí)、10 min數(shù)據(jù)：顯示監(jiān)測點(diǎn)的晝夜統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).用戶可設(shè)置客戶端下方的日期，查詢站點(diǎn)的歷史晝夜數(shù)據(jù)、小時(shí)數(shù)據(jù)、10 min數(shù)據(jù).

5)實(shí)時(shí)監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)查詢：實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測點(diǎn)的分貝數(shù)據(jù)和背景音頻.用戶可通過客戶端實(shí)時(shí)獲取噪聲在線監(jiān)測儀當(dāng)前的分貝數(shù)據(jù)及音頻數(shù)據(jù).

6)音頻數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：系統(tǒng)顯示監(jiān)測點(diǎn)的歷史音頻數(shù)據(jù).用戶可設(shè)置客戶端下方的日期時(shí)間，查詢站點(diǎn)歷史音頻數(shù)據(jù).顯示監(jiān)測點(diǎn)即時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，查詢站點(diǎn)歷史數(shù)據(jù).提供對(duì)監(jiān)測點(diǎn)固定統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)按時(shí)間段查詢.顯示監(jiān)測點(diǎn)的日志數(shù)據(jù)及查詢站點(diǎn)的日志數(shù)據(jù).

3結(jié)論

ENS3000噪聲監(jiān)測系統(tǒng)能可靠地實(shí)時(shí)監(jiān)測與報(bào)警，具備數(shù)據(jù)保存和連續(xù)處理功能.為噪聲治理、智能交通、環(huán)保等領(lǐng)域提供科學(xué)依據(jù)和決策.在安靜小區(qū)應(yīng)用可以提高小區(qū)居民參與管理和維護(hù)小區(qū)寧靜環(huán)境的自覺性，適應(yīng)和諧社會(huì)發(fā)展需求.系統(tǒng)在噪聲的頻譜輸出功能、監(jiān)測單元的自動(dòng)遠(yuǎn)程校正技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用方面還需進(jìn)一步研究.

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(責(zé)任編輯朱雪蓮英文審校黃振坤)

The Research and Implementation of ENS3000 Noise Monitoring System

PU Yun-ming1,WANG Zhi-hua1,QIAO Feng2,LIANG Jun2

(1．School of Computer Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China；

2.Xiamen Sunwei Science and Technology Co.,Xiamen 361009,China)

Abstract:The noise monitoring system needs to solve several problems,such as how to locate the massive monitoring data,how to collect the audio data and noise decibel synchronous.In ENS3000 system,the principle of noise audio frequency processing and coding algorithm was analyzed,including Discrete Cosine Transform and wavelet transform.The synchronous problem between the audio data and noise decibel was solved,the special storage format which separated the audio data was used to find item in massive data,and insure audio data across segments to be processed continually,the technology combined noise decibel and audio data simplify the signal input channel,and insure the audio data and noise decibel collected synchronous.For the system was setup outdoor,the problem of heat dissipating,waterproof and ingress protection was solved by double-layer structure and isolating design.

Key words:noise;testing;wavelet transform;monitoring system;remote control

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[中圖分類號(hào)]TP 311

[文章編號(hào)]1007-7405(2015)03-0236-05

[作者簡介]浦云明(1966—)，男，教授，從事軟件測試技術(shù)和面向?qū)ο蠹夹g(shù)的研究.

[基金項(xiàng)目]福建省科技重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2013H0032);福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助項(xiàng)目(2013J01243)

[收稿日期]2014-10-16[修回日期]2014-12-30