基于STM32和LoRa技術(shù)的噪聲采集分析系統(tǒng)

吳禮福，吳佳偉，田朋溢

（1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

0 引言

隨著經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展，諸如交通、建筑、機械以及人類活動產(chǎn)生的噪聲不僅影響人們的正常工作和休息，甚至?xí)θ藗兊纳硇慕】诞a(chǎn)生危害[1]，因此，為了科學(xué)地保護在噪聲環(huán)境下工作和生活的人們，對環(huán)境噪聲的監(jiān)測越來越重要。

噪聲監(jiān)測可以使用手持式聲級計[2]，但手持聲級計需要人工操作、記錄和保存數(shù)據(jù)，當需要頻繁或連續(xù)地記錄一個地點的噪聲情況時，無疑會增加很多人力成本。因此，一款可以無人值守的噪聲采集分析設(shè)備就擁有很高的使用價值?，F(xiàn)有的無人值守噪聲采集分析設(shè)備多是為嚴苛的戶外環(huán)境而設(shè)計[3]，需要太陽能供電等外圍設(shè)備的支持，導(dǎo)致設(shè)備體積較大、不夠便攜。此外，諸如噪聲地圖繪制等應(yīng)用需要同時測量多點數(shù)據(jù)進行檢驗校正，如果采用有線連接的測試設(shè)備，當監(jiān)測點數(shù)量較多時，安裝布線的經(jīng)濟成本和時間成本將急劇上升。因此，設(shè)計一套分布式便攜無線噪聲采集分析系統(tǒng)具有迫切的現(xiàn)實需求和廣泛的應(yīng)用前景[4]。

本文設(shè)計了一款體積小、續(xù)航時間較長、能夠穩(wěn)定存儲和傳輸數(shù)據(jù)的分布式噪聲采集分析系統(tǒng)，且為了設(shè)備的使用方便，該設(shè)備實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)以無線的傳輸方式進行通信，從而便于多臺設(shè)備分布式監(jiān)測環(huán)境中的噪聲情況。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的分布式無線噪聲采集分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)包括用于采集噪聲、分析噪聲狀況并上傳噪聲數(shù)據(jù)的采集分析設(shè)備以及運行于PC機上用于存儲和監(jiān)測的軟件系統(tǒng)。分布在監(jiān)測場地的多個采集分析設(shè)備同時采集不同地點的噪聲數(shù)據(jù)，并實時完成聲學(xué)指標分析，再將分析的數(shù)據(jù)上傳至用于存儲的網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)庫。而個體用戶可以通過隨身攜帶的電腦或者手機及時訪問網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫獲取實時噪聲情況。因此，這套分布式無線噪聲采集分析系統(tǒng)可以方便且有效地運行于學(xué)校、工廠、機場等很多場合[5]。

2 采集分析設(shè)備

圖2是分布式噪聲采集分析設(shè)備的實物圖，其主要硬件組成如圖3所示，主要包括信號輸入與模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital Converter，ADC）模塊、信號處理模塊、指令和數(shù)據(jù)傳輸模塊。設(shè)備對聲信號進行采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)傳遞給微處理器控制單元（Micro Controller Unit，MCU），利用MCU的運算能力對時域信號進行分析，并利用豐富的片上外設(shè)對數(shù)據(jù)進行存儲和傳輸。指令和數(shù)據(jù)的傳輸采用LoRa（Long Range Radio）技術(shù)，這種低功耗的無線傳輸方式在傳輸距離上能得到一定的保障。同時，設(shè)備自帶鋰電池供電，工作時間長、續(xù)航能力強。

圖2 分布式噪聲采集分析設(shè)備實物圖

圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 信號輸入與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

傳聲器是將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，目前運用最廣、性能較好的傳聲器為電容式傳聲器。其中，駐極體電容傳聲器一側(cè)極板使用駐極體材料制成，在傳聲器內(nèi)部形成了工作需要的內(nèi)部電場，無需外部再提供一組48~52 V的極化電壓，因此結(jié)構(gòu)簡單、體積更小，符合設(shè)計需求。本文采用的傳聲器型號為北京聲科測聲學(xué)技術(shù)有限公司的SKC MP21，該傳聲器是1 2英寸（12.7 mm）預(yù)極化自由場測量傳聲器，無需極化電壓，其標稱輸出靈敏度為50 mV/Pa，動態(tài)范圍為17~136 dB，符合設(shè)計需求。

ADC需要將傳聲器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，而ADC的轉(zhuǎn)換速度、精度等參數(shù)關(guān)系到整個設(shè)備的精度。根據(jù)工作原理的不同，ADC的種類大致可以分為積分型、逐次逼近型、并行比較型和Σ-Δ調(diào)制型[6]。其中，Σ-Δ調(diào)制型的優(yōu)點在于以適中的價格可以獲得令人滿意的精度和轉(zhuǎn)換速度，被廣泛應(yīng)用于音頻信號的測量和處理中。本文采用Σ-Δ調(diào)制型ADC的型號為德州儀器公司的ADS1271，圖4是ADS1271模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖，這是一款24位寬頻帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器，擁有51 kHz的帶寬，可以覆蓋人的可聽域，滿足噪聲采集和分析的需求。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

2.2 信號處理模塊

ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號需傳遞給信號處理模塊做聲學(xué)分析，本設(shè)計使用的信號處理模塊核心芯片為意法半導(dǎo)體公司的STM32F103[7]，該芯片的內(nèi)核為ARM 32位的CortexTM-M3 CPU。

實際工程中通常采用倍頻程或1 3倍頻程分析聲信號的能量在各個頻帶的分布情況[8]。倍頻程分析是根據(jù)人耳對聲音頻率反應(yīng)的客觀規(guī)律將人的可聽頻率域分為若干個連續(xù)的頻帶，并按照聲音的強度對每一段進行分析。當頻帶的上限頻率f2與下限頻率f1的比值為2，即為一倍頻程，如1 000~2 000 Hz，而當比值為213時即為1 3倍頻程。定義倍頻程的中心頻率f0為：

通常有兩種方法實現(xiàn)噪聲的倍頻程分析，分別是濾波器組法和快速傅里葉變換法（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）[9]，考慮到單片機的計算能力，本文采用后者。頻域FFT法是根據(jù)帕塞瓦爾定理實現(xiàn)倍頻程分析，計算傅里葉變換模的平方在一個周期內(nèi)的平均，從而可以在頻域計算時域離散信號的能量，即：

考慮到奈奎斯特采樣定律，為完整地分析20 Hz~20 kHz頻率范圍的聲信號信息，在噪聲分析時采用48 kHz的采樣頻率，F(xiàn)FT分析的頻率范圍最大不超過采樣頻率的1 2，同時其分辨率與原始時間序列的采樣數(shù)N和信號采樣頻率fs有關(guān)，分辨率β為：

以fs=48 kHz，長度N為4 096點FFT為例，分辨率β為48 000 4 096≈11.72，因此倍頻程最低頻帶22.4~44.7 Hz內(nèi) 的譜線數(shù)k為：

因此，只用2根譜線不足以算出最低頻帶內(nèi)所有信號的總能量，為了提高最低頻帶內(nèi)的譜線數(shù)到合理的數(shù)量，可以采用降采樣的方式[10]。

如表1所示，1 3倍頻程的頻帶劃分大致可以分為三段，即25~200 Hz，250~2 000 Hz，2 500~20 000 Hz。根據(jù)奈奎斯特采樣定律，25~200 Hz的頻帶只要使用大于400 Hz的采樣頻率就能從該頻帶捕獲所有信息，因此可以對這個頻帶采用1∶100的比例抽樣，將采樣頻率降低至0.48 kHz。同理，對250~2 000 Hz頻帶，將采樣頻率降低至4.8 kHz，對2 500~20 000 Hz頻帶則依然采用48 kHz的采樣頻率。

表1 1 3倍頻程頻帶標稱中心頻率 Hz

2.3 指令和數(shù)據(jù)傳輸模塊

得到聲信號的分析數(shù)據(jù)后，MCU通過LoRa技術(shù)將處理好的數(shù)據(jù)傳遞給同樣連接了LoRa模塊并作為數(shù)據(jù)接收節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的PC機[11]。圖5是系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)與多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點之間通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

LoRa是一種基于線性擴頻技術(shù)的遠距離無線傳輸技術(shù)[12]，最早由美國Semtech公司推出并積極推廣。LoRa無線技術(shù)有組網(wǎng)靈活、傳輸距離遠、功耗低、易于部署等優(yōu)點[13]，通過網(wǎng)關(guān)可無線控制分布的各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點，從而實現(xiàn)一對多的定向傳輸，傳輸數(shù)據(jù)通常為控制指令和運算后的數(shù)據(jù)。

本文選用中國億佰特公司的E22-400M22S無線模塊，其是基于Semtech公司生產(chǎn)的LoRa射頻芯片SX1268為核心研發(fā)的。圖6為LoRa模塊與MCU的電路原理圖。

3 監(jiān)控軟件

監(jiān)控軟件運行于PC機上，對LoRa模塊接收到的數(shù)據(jù)進行顯示和處理。軟件功能是將多個分布式噪聲采集分析設(shè)備采集并處理完的數(shù)據(jù)分別按照采集的設(shè)備編號進行顯示和存儲，并能夠根據(jù)用戶需求導(dǎo)出相應(yīng)的測試報告。

軟件使用Visual C#語言，在Visual Studio 2015開發(fā)環(huán)境中編寫完成，基于.NET框架類庫（.NET Framework），它繼承保留了C/C++的強大功能，同時又以.NET框架類庫作為基礎(chǔ)，擁有開發(fā)快速、功能易擴展的特性。

3.1 軟件功能

軟件界面如圖7所示。軟件界面紅色邊框編號1區(qū)域顯示系統(tǒng)中所有已布置設(shè)備的編號和所在位置、可以選擇的計權(quán)類型以及接收到的數(shù)據(jù)大小；藍色邊框編號2區(qū)域包含異常記錄、加載設(shè)備信息、刪除設(shè)備信息以及連接設(shè)備、讀取數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)的開關(guān)按鈕；軟件界面黃色邊框編號3區(qū)域包括通信參數(shù)、測試參數(shù)、添加設(shè)備、校準設(shè)備和導(dǎo)出報告等功能按鈕；綠色邊框編號4區(qū)域可以查看1 3倍頻程和總聲壓級數(shù)據(jù)，可以選擇添加的任意設(shè)備來檢測該測點的實時噪聲數(shù)據(jù)。

圖7 軟件界面

圖8中通信參數(shù)為無線傳輸系統(tǒng)參數(shù)，圖9中測試參數(shù)為測點的基本信息，圖10中添加設(shè)備為增加測點并添加設(shè)備信息，圖11的導(dǎo)出報告中可選擇需要導(dǎo)出的時間段。

圖8 通信參數(shù)

圖9 測試參數(shù)

圖10 添加設(shè)備

圖11 導(dǎo)出報告

3.2 軟件操作流程

圖12是使用聲壓級為94 dB，頻率為1 000 Hz的標準聲源時的測試結(jié)果，其操作流程是：首先設(shè)置通信參數(shù)，通過串口建立連接在PC機的LoRa模塊與軟件之間的通信連接；然后設(shè)置測試參數(shù)，記錄本次監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)信息，便于完善生成報告時的報告信息，再逐個添加設(shè)備，將分布放置的監(jiān)測采集設(shè)備的設(shè)備編號和通信地址分別填入，再依次校準設(shè)備，校準可采用聲壓級94 dB或114 dB，頻率1 000 Hz的標準聲源。完成設(shè)備的相關(guān)信息的設(shè)置和校準后，依次打開圖7藍色邊框編號2區(qū)域中的加載設(shè)備信息，打開連接，讀取數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)。

圖12 使用聲源校準器時軟件界面

利用本系統(tǒng)在南京信息工程大學(xué)的教學(xué)樓明德樓、圖書館、食堂等10個監(jiān)控點布置了設(shè)備，圖13是在圖書館環(huán)境下，系統(tǒng)采集到的環(huán)境噪聲數(shù)值并顯示到軟件界面，可以看到，環(huán)境總聲壓級為37.3 dB。

圖13 圖書館監(jiān)測點的實時軟件界面

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一套分布式噪聲采集分析系統(tǒng)，采集分析設(shè)備體積小、便攜且容易安裝和使用，能夠在學(xué)校、工廠、機場等多種場合監(jiān)測噪聲情況，可以實時將采集到的噪聲做倍頻程分析并上傳到數(shù)據(jù)接收節(jié)點用于保存和記錄。該設(shè)計由于無需人員值守，對于分析固定地點長時間的噪聲分布狀況有很好的實用價值。