基于物联网机场噪声感知节点的设计与实现

杨东，袁家斌,金建龙

(南京航空天大学 自动化学院， 江苏 南京 210016)



基于物联网机场噪声感知节点的设计与实现

杨东，袁家斌,金建龙

(南京航空天大学 自动化学院， 江苏 南京 210016)

摘要：传统的机场噪声测量一般通过声级计铺设电缆或者数据记录仪来记录机场噪声数据。提出一种基于物联网的机场噪声感知节点的设计与实现方案，介绍了该节点的硬件结构以及软件设计流程。

关键词：物联网；机场噪声；感知节点；硬件；软件

0引言

随着我国民航的快速发展，不断新建、扩建的机场和持续增长的航空运输量，使得机场噪声问题愈发严重，机场的噪声成为困扰我国民航快速发展的一个重要问题。传统的机场噪声测量，由于测量节点成本高，节点安装布局要求严格，使得测量节点无法在机场及其周边进行大规模部署，从而影响了整个机场噪声环境监测的准确性，进而影响到对机场噪声的评估和预测。

基于物联网的机场噪声监测感知平台，如图1，通过短距离无线通信将感知节点的监测数据发送至汇聚节点，再由汇聚节点发送至中心控制平台。

图1　平台示意图

本文主要阐述感知节点的设计方案。基于物联网的机场噪声感知节点使用锂电池和太阳能进行能源供给，采用高性能低功耗的浮点DSP TMS320C6747作为核心运算模块，通过Zigbee的短距离无线传输将噪声数据发送至汇聚节点。由于节点成本低，设备安装要求低，通过大规模的部署可以实现对机场噪声环境的精确监测。

1声压级

声压是声波通过媒质时，由于振动所产生的压强改变量。它是随时间变化的，单位是Pa或MPa， 声压级是表示声压大小的指标。

式中：LP为声压级(dB)，P0为基准声压2×10.5Pa，P为有效声压。

声压级只反映了声音强度对响度的影响,，不能反应声音频率对响度感觉的影响。为反映人们对声音的主观感觉提出了声级，即计权声压级的概念。声级是用一定的计权网络对频率进行计权后得到的声压级。为模拟人耳的响度感觉特性， 一般设有A、B、C、D 4种计权网络[1,2]。

2感知节点的系统设计

感知节点硬件结构上分为信号调理模块、数字处理模块、Zigbee无线收发模块、系统控制模块以及电源模块，如图2。

图2　系统模块图

信号调理模块数字处理模块无线传输模块系统控制模块电源模块信号调理模块实现对低信噪比的模拟信号进行放大滤波处理后经ADC转换成数字信号至数字处理模块，数字信号处理模块完成噪声信号的处理，输出噪声数据至无线传输模块，然后再通过无线传输模块发送至汇聚节点，系统控制模块完成整个系统的控制。

3主要硬件设计

信号调理模块由前置放大电路、程控增益仪表放大器、ADC采集电路组成。

由于噪声信号的声级范围比较宽，正常的测量范围为30dB~130dB。为了实现精确测量，因而采用了程控增益仪表放大器。一方面能够提高信噪比，降低电路本身的底噪；另一方面，可以自动调节增益大小。

AD8253是一款数字可编程增益仪表放大器，具有高输入阻抗、低输出噪声、低失真特性，适合与传感器进行接口，并驱动高采样速率的模数转换器(ADC)。采用差分输入+IN、-IN，输出端的参考电平接地，输出电压Vout=G×(V+IN-V-IN)；将WR接-5V，实现透明增益模式，通过DSP的GPIO控制A1、A0，实现增益的自动调节如表1。

表1　增益自动调节表

AD采集电路用来将调理放大后的模拟信号转换成数字信号。由于在信号的量化过程中会产生混叠效应，所以需在信号的输入端加入抗混叠滤波器。根据采样定理，采样频率要大于信号最高频率的2倍。

选用ADI公司的AD7606-4，它是16位4通道同步采样模数数据采集系统。数据传输同时支持高速串行和并行接口。

AD7606-4内部集成的二阶抗混叠滤波器，信号的3 dB截止频率为15 kHz，>15 kHz的信号衰减比较明显,因此无需设计抗混叠滤波电路，减少干扰信号的同时又简化了电路的设计。

图3　DSP控制模块图

ADC与DSP通过并口进行数据传输，本设计选用TMS320C6747这款低功耗浮点DSP如图3所示，DSP片外地址线EMA_A12与片选EMA_CS4#同时作用时产生ADC片选信号，通过74LV139与AD7606-4的CS引脚相连。只有当EMA_CS4#逻辑低电平，同时EMA_A12逻辑高电平时，74LV139才会在1Y1脚输出逻辑低电平，此时AD7606-4才能进行数据传输。

无线传输模块选用丘捷科技基于TI公司第二代2.4GHzIEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee的第二代片上系统解决方案的全功能模块。集射频收发及MCU控制功能与一体，接收灵敏度高，发送距离远，空旷环境最大传输距离可达1 000m。DSP通过UART直接与CC2530相连，可实现数据传输的无缝连接。

4软件设计

4.1　声压级计算方法

1/3倍频程频谱分析是声级测量中常用的方法，1/3倍频程是两个基频相比为2的立方根的声音或其他波动信号间的频程。其数学表达式为：

f1/f2=21/3

式中：f1为基准频率；f2为与f1相隔1个1/3倍频程的频率。

通过数字滤波器将20Hz至20kHz的声音信号细化成30个频带，对频带内的噪声进行计算，即可得到1/3倍频程频谱[3,4]。

根据冲激响应的不同，将数字滤波器分为FIR和IIR。设计同样参数的滤波器，FIR比IIR需要更多的参数，增加了DSP的计算量。由于噪声测量对信号的实时性要求相对较高，因而选用IIR滤波器进设计[4]。

使用MATLAB的FDATOOL可以很轻松的设计出30个带通滤波器，同时可模拟DSP算法。对滤波器结构和参数进行优化，使设计得到的滤波器在DSP上能够实现高效的算法。

使用FADTOOL生成八阶巴特伍兹滤波器，得到用4个二阶直接II型IIR滤波器级联组成的八阶滤波器，图4为直接II型IIR滤波器的结构图[5]。

图4　直接II型IIR滤波器

组成的八阶滤波器传递函数为：

H(Z)=H1(Z)×H2(Z)×H3(Z)×H4(Z)=

每个直接II型滤波器的差分方程为[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)

分别对30个滤波器的序列进行计算，得出1/3位频程频谱。

4.2　数字处理的流程(图5)

图5　软件流程图

5结论

基于物联网的机场噪声感知节点由于其低功耗低成本布局方便的特性，使之在机场进行大规模的进行部署成为可能，为机场噪声的监测系统提供的硬件基础。同时由于噪声的测量采用数字处理的方法，方便了算法的改进和升级，因而有很广阔的应用前景。

参考文献:

[1] 张绍栋，孙家麒. 声级计的原理和应用[M]. 北京：计量出版社，1986.

[2] 姜志鹏. 一种基于DSP的数字声级计设计[J]. 价值工程，2010(32)：204-205.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. JJG449-2001倍频程和1/3倍频程滤波器[S]. 北京：中国标准出版社，2005.

[4] 沈秋霞. 基于DSP的1/3oct滤波器在声级计中的设计和实现[J]. 电声技术，2008(07)，33-35.

[5] 程佩青. 数字信号处理教程[M]. 北京：清华大学出版社，1995.

[6] 陈亮，杨吉斌，张雄伟. 信号处理算法的实时DSP算法[M]. 北京：电子工业出版社，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

中图分类号：TP274.+2

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)02-0212-03

作者简介：杨东(1984-)，男，江苏盐城人，硕士研究生，主要研究方向为机场噪声的测量。

基金项目：国家自然科学基金重点项目(61139002)

收稿日期：2014-10-21 2014-10-30