基于WSN的分布式城市噪聲監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

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。

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)備的分布式定點監(jiān)測。移動監(jiān)測機動性強、設(shè)備性能優(yōu)良、監(jiān)測數(shù)據(jù)精確，但需要耗費大量的人力物力，而且不具備實時性。而現(xiàn)有的分布式定點監(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)線路和接口進行連接。本文所設(shè)計的基于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)點供電受限問題［5］。結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，本系統(tǒng)設(shè)計了友好的人機交互平臺，并且與城市地圖數(shù)據(jù)庫連接，實現(xiàn)了城市噪聲強度分布的實時顯示。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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(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。WSN由8個無線節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成，其通信基于IEEE 802.15.4/ZigBee通用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。節(jié)點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)點通過COM口與計算機實現(xiàn)通信。在LabVIEW環(huán)境下通過VISA模塊實現(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，可以實現(xiàn)過限報警，噪聲數(shù)據(jù)的動態(tài)存儲與調(diào)用。工作人員通過人機交互平臺可以實時監(jiān)測城市各個區(qū)域的噪聲分布情況，并結(jié)合城市地圖迅速定位噪聲源，及時進行處理。

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

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］，由一個主協(xié)調(diào)器(網(wǎng)關(guān)節(jié)點)及多個從設(shè)備(無線節(jié)點)組成，從設(shè)備只與主協(xié)調(diào)器進行通信，節(jié)點之間不進行通信。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成簡單，從設(shè)備采用無時槽信道競爭機制(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為節(jié)點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)點以及 IRIS“智能塵?！?。MIB520網(wǎng)關(guān)節(jié)點自帶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)點由IRIS平臺加MIB520網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，網(wǎng)關(guān)節(jié)點集中了網(wǎng)絡(luò)的主要能耗，由USB接口直接供電。節(jié)點由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)供電獨立工作。

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

IRIS是一個微型嵌入式系統(tǒng)，平臺采用TinyOS操作系統(tǒng)［9－10］進行應(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，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。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語言實現(xiàn)，IRIS的應(yīng)用程序在計算機上編寫好后通過MIB520進行燒寫。

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

由于8路無線節(jié)點工作在同一信道，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)點采用無時槽信道競爭機制(Unslotted)CSMA/CA。當(dāng)一個節(jié)點準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先偵聽信道狀態(tài)，如果信道空閑則傳遞數(shù)據(jù)包，如果信道繁忙則進行有限延時等待后再次進行偵聽，直到數(shù)據(jù)包發(fā)送成功為止。節(jié)點發(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)點數(shù)據(jù)發(fā)送與網(wǎng)關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)接收流程圖

3 LabVIEW環(huán)境下監(jiān)控軟件設(shè)計

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

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)與主機通過COM口連接。網(wǎng)關(guān)接收節(jié)點的每一個消息包包括以下內(nèi)容:FFFF(目標(biāo)節(jié)點地址);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)點編號;03 30噪聲數(shù)據(jù)(十六進制)。LabVIEW通過VISA模塊讀取串口數(shù)據(jù)并進行數(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聲源評價量，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表示點聲源與受聲點的距離。

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/消費者”結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是多線程編程模式是時間處理器和隊列消息處理器相結(jié)合而構(gòu)成的復(fù)合設(shè)計模式。在系統(tǒng)設(shè)計中，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列。消費者循環(huán)讀取消息隊列噪聲分貝值與相應(yīng)節(jié)點標(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)點標(biāo)示符，在相應(yīng)的節(jié)點位置上顯示區(qū)域噪聲三維強度圖。

噪聲過限報警功能根據(jù)預(yù)設(shè)噪聲分貝閾值進行判定。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)位置上點亮紅燈報警。

數(shù)據(jù)存儲功能實現(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。

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

軟件工作界面如圖3所示。左半部分顯示分布式噪聲強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)實驗

在實驗室環(huán)境下，通過沙盤模擬城市主要路段情況，對該系統(tǒng)進行了實驗驗證與可行性測試。8個無線傳感器節(jié)點分布在不同的路段，與網(wǎng)關(guān)及監(jiān)控平臺距離大于等于30 m。

實驗開始前，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亮紅燈報警。

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

在功能選項中，點擊“顯示地圖”按鈕，工作人員可以實時查看監(jiān)控路段地圖與節(jié)點布點情況，如圖5所示。

對該系統(tǒng)進行了3次長時間實驗，實驗持續(xù)時間分別為5 h，8 h，20 h。實驗結(jié)果表明，WSN工作正常穩(wěn)定，監(jiān)測界面的實時動態(tài)顯示正常，報警靈敏，結(jié)果正確，軟件各項功能運行成功。噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的測試實驗結(jié)果表明無線通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)實現(xiàn)了設(shè)計目的。

圖4 監(jiān)測結(jié)果

圖5 監(jiān)控路段地圖與節(jié)點分布情況

5 總結(jié)

使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集是未來對噪聲進行檢測與分析的有效途徑。筆者提供了TinyOS環(huán)境下設(shè)計開發(fā)WSN的方法，提出了基于LabVIEW的軟件系統(tǒng)及人機交互設(shè)計。VISA通信與生產(chǎn)者/消費者模式結(jié)構(gòu)的使用大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜程度，增強了程序的魯棒性，降低內(nèi)存資源占用。實驗結(jié)果證實，系統(tǒng)可以長時間穩(wěn)定的實現(xiàn)噪聲動態(tài)監(jiān)測與報警、噪聲數(shù)據(jù)保存、地圖及節(jié)點布點情況查看等。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)用價值。

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