基于物聯(lián)網(wǎng)機場噪聲感知節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)

楊東，袁家斌,金建龍

(南京航空天大學(xué) 自動化學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

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基于物聯(lián)網(wǎng)機場噪聲感知節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)

楊東，袁家斌,金建龍

(南京航空天大學(xué) 自動化學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

摘要：傳統(tǒng)的機場噪聲測量一般通過聲級計鋪設(shè)電纜或者數(shù)據(jù)記錄儀來記錄機場噪聲數(shù)據(jù)。提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的機場噪聲感知節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)方案，介紹了該節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)以及軟件設(shè)計流程。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；機場噪聲；感知節(jié)點；硬件；軟件

0引言

隨著我國民航的快速發(fā)展，不斷新建、擴建的機場和持續(xù)增長的航空運輸量，使得機場噪聲問題愈發(fā)嚴(yán)重，機場的噪聲成為困擾我國民航快速發(fā)展的一個重要問題。傳統(tǒng)的機場噪聲測量，由于測量節(jié)點成本高，節(jié)點安裝布局要求嚴(yán)格，使得測量節(jié)點無法在機場及其周邊進行大規(guī)模部署，從而影響了整個機場噪聲環(huán)境監(jiān)測的準(zhǔn)確性，進而影響到對機場噪聲的評估和預(yù)測。

基于物聯(lián)網(wǎng)的機場噪聲監(jiān)測感知平臺，如圖1，通過短距離無線通信將感知節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點發(fā)送至中心控制平臺。

圖1　平臺示意圖

本文主要闡述感知節(jié)點的設(shè)計方案?；谖锫?lián)網(wǎng)的機場噪聲感知節(jié)點使用鋰電池和太陽能進行能源供給，采用高性能低功耗的浮點DSP TMS320C6747作為核心運算模塊，通過Zigbee的短距離無線傳輸將噪聲數(shù)據(jù)發(fā)送至匯聚節(jié)點。由于節(jié)點成本低，設(shè)備安裝要求低，通過大規(guī)模的部署可以實現(xiàn)對機場噪聲環(huán)境的精確監(jiān)測。

1聲壓級

聲壓是聲波通過媒質(zhì)時，由于振動所產(chǎn)生的壓強改變量。它是隨時間變化的，單位是Pa或MPa， 聲壓級是表示聲壓大小的指標(biāo)。

式中：LP為聲壓級(dB)，P0為基準(zhǔn)聲壓2×10.5Pa，P為有效聲壓。

聲壓級只反映了聲音強度對響度的影響,，不能反應(yīng)聲音頻率對響度感覺的影響。為反映人們對聲音的主觀感覺提出了聲級，即計權(quán)聲壓級的概念。聲級是用一定的計權(quán)網(wǎng)絡(luò)對頻率進行計權(quán)后得到的聲壓級。為模擬人耳的響度感覺特性， 一般設(shè)有A、B、C、D 4種計權(quán)網(wǎng)絡(luò)[1,2]。

2感知節(jié)點的系統(tǒng)設(shè)計

感知節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)上分為信號調(diào)理模塊、數(shù)字處理模塊、Zigbee無線收發(fā)模塊、系統(tǒng)控制模塊以及電源模塊，如圖2。

圖2　系統(tǒng)模塊圖

信號調(diào)理模塊數(shù)字處理模塊無線傳輸模塊系統(tǒng)控制模塊電源模塊信號調(diào)理模塊實現(xiàn)對低信噪比的模擬信號進行放大濾波處理后經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號至數(shù)字處理模塊，數(shù)字信號處理模塊完成噪聲信號的處理，輸出噪聲數(shù)據(jù)至無線傳輸模塊，然后再通過無線傳輸模塊發(fā)送至匯聚節(jié)點，系統(tǒng)控制模塊完成整個系統(tǒng)的控制。

3主要硬件設(shè)計

信號調(diào)理模塊由前置放大電路、程控增益儀表放大器、ADC采集電路組成。

由于噪聲信號的聲級范圍比較寬，正常的測量范圍為30dB~130dB。為了實現(xiàn)精確測量，因而采用了程控增益儀表放大器。一方面能夠提高信噪比，降低電路本身的底噪；另一方面，可以自動調(diào)節(jié)增益大小。

AD8253是一款數(shù)字可編程增益儀表放大器，具有高輸入阻抗、低輸出噪聲、低失真特性，適合與傳感器進行接口，并驅(qū)動高采樣速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。采用差分輸入+IN、-IN，輸出端的參考電平接地，輸出電壓Vout=G×(V+IN-V-IN)；將WR接-5V，實現(xiàn)透明增益模式，通過DSP的GPIO控制A1、A0，實現(xiàn)增益的自動調(diào)節(jié)如表1。

表1　增益自動調(diào)節(jié)表

AD采集電路用來將調(diào)理放大后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。由于在信號的量化過程中會產(chǎn)生混疊效應(yīng)，所以需在信號的輸入端加入抗混疊濾波器。根據(jù)采樣定理，采樣頻率要大于信號最高頻率的2倍。

選用ADI公司的AD7606-4，它是16位4通道同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸同時支持高速串行和并行接口。

AD7606-4內(nèi)部集成的二階抗混疊濾波器，信號的3 dB截止頻率為15 kHz，>15 kHz的信號衰減比較明顯,因此無需設(shè)計抗混疊濾波電路，減少干擾信號的同時又簡化了電路的設(shè)計。

圖3　DSP控制模塊圖

ADC與DSP通過并口進行數(shù)據(jù)傳輸，本設(shè)計選用TMS320C6747這款低功耗浮點DSP如圖3所示，DSP片外地址線EMA_A12與片選EMA_CS4#同時作用時產(chǎn)生ADC片選信號，通過74LV139與AD7606-4的CS引腳相連。只有當(dāng)EMA_CS4#邏輯低電平，同時EMA_A12邏輯高電平時，74LV139才會在1Y1腳輸出邏輯低電平，此時AD7606-4才能進行數(shù)據(jù)傳輸。

無線傳輸模塊選用丘捷科技基于TI公司第二代2.4GHzIEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee的第二代片上系統(tǒng)解決方案的全功能模塊。集射頻收發(fā)及MCU控制功能與一體，接收靈敏度高，發(fā)送距離遠，空曠環(huán)境最大傳輸距離可達1 000m。DSP通過UART直接與CC2530相連，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o縫連接。

4軟件設(shè)計

4.1　聲壓級計算方法

1/3倍頻程頻譜分析是聲級測量中常用的方法，1/3倍頻程是兩個基頻相比為2的立方根的聲音或其他波動信號間的頻程。其數(shù)學(xué)表達式為：

f1/f2=21/3

式中：f1為基準(zhǔn)頻率；f2為與f1相隔1個1/3倍頻程的頻率。

通過數(shù)字濾波器將20Hz至20kHz的聲音信號細化成30個頻帶，對頻帶內(nèi)的噪聲進行計算，即可得到1/3倍頻程頻譜[3,4]。

根據(jù)沖激響應(yīng)的不同，將數(shù)字濾波器分為FIR和IIR。設(shè)計同樣參數(shù)的濾波器，F(xiàn)IR比IIR需要更多的參數(shù)，增加了DSP的計算量。由于噪聲測量對信號的實時性要求相對較高，因而選用IIR濾波器進設(shè)計[4]。

使用MATLAB的FDATOOL可以很輕松的設(shè)計出30個帶通濾波器，同時可模擬DSP算法。對濾波器結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行優(yōu)化，使設(shè)計得到的濾波器在DSP上能夠?qū)崿F(xiàn)高效的算法。

使用FADTOOL生成八階巴特伍茲濾波器，得到用4個二階直接II型IIR濾波器級聯(lián)組成的八階濾波器，圖4為直接II型IIR濾波器的結(jié)構(gòu)圖[5]。

圖4　直接II型IIR濾波器

組成的八階濾波器傳遞函數(shù)為：

H(Z)=H1(Z)×H2(Z)×H3(Z)×H4(Z)=

每個直接II型濾波器的差分方程為[6]：

d(n)=x(n)-a1×d(n-1)-a2×d(n-2)

y(n)=b0×d(n)-b1×d(n-1)-b2×d(n-2)

分別對30個濾波器的序列進行計算，得出1/3位頻程頻譜。

4.2　數(shù)字處理的流程(圖5)

圖5　軟件流程圖

5結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)的機場噪聲感知節(jié)點由于其低功耗低成本布局方便的特性，使之在機場進行大規(guī)模的進行部署成為可能，為機場噪聲的監(jiān)測系統(tǒng)提供的硬件基礎(chǔ)。同時由于噪聲的測量采用數(shù)字處理的方法，方便了算法的改進和升級，因而有很廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻:

[1] 張紹棟，孫家麒. 聲級計的原理和應(yīng)用[M]. 北京：計量出版社，1986.

[2] 姜志鵬. 一種基于DSP的數(shù)字聲級計設(shè)計[J]. 價值工程，2010(32)：204-205.

[3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. JJG449-2001倍頻程和1/3倍頻程濾波器[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[4] 沈秋霞. 基于DSP的1/3oct濾波器在聲級計中的設(shè)計和實現(xiàn)[J]. 電聲技術(shù)，2008(07)，33-35.

[5] 程佩青. 數(shù)字信號處理教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1995.

[6] 陳亮，楊吉斌，張雄偉. 信號處理算法的實時DSP算法[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008.

Design and Implementation of Node of Airport Noise Awareness Based on IOT

YANG Dong, YUAN Jia-bing, JIN Jian-long

(Nanjing University Of Aeronautics And Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:Airport noise is measured tradition ally by the sound level meter which needs to lay its cable and the airport noise data is recorded by the data reconder. This paper proposes a proposal of designing and implementing the node of airport noise awareness based on IOT and introduces its node hardware structure and software design process.

Keywords:IOT; noise of airport; node of noise awareness; hardware; software

中圖分類號：TP274.+2

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0212-03

作者簡介：楊東(1984-)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要研究方向為機場噪聲的測量。

基金項目：國家自然科學(xué)基金重點項目(61139002)

收稿日期：2014-10-21 2014-10-30