基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)研究*

劉向舉， 李敬兆， 劉麗娜

(1.安徽理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 測繪學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

噪聲與廢氣、廢水、固體廢物并稱為城市環(huán)境的四大污染源。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市環(huán)境噪聲污染也日益突出。環(huán)境噪聲已經(jīng)成為世界各大城市面臨的一個重要環(huán)境保護(hù)問題，環(huán)境噪聲控制已成為環(huán)保工作的重要內(nèi)容。目前世界上許多大城市都已實(shí)現(xiàn)了噪聲監(jiān)測自動化，像歐美多個國家，以及日本、韓國等[1]。在我國，噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展還比較滯后，只有少數(shù)發(fā)達(dá)城市使用了噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)[2]。

傳統(tǒng)的監(jiān)測方式主要有人工監(jiān)測和有線方式監(jiān)測[3,4]。但噪聲污染屬于物理污染，具有即時(shí)性和隨機(jī)性，不像水和大氣等化學(xué)污染，存在滯留性和擴(kuò)散性。因此，人工監(jiān)測有時(shí)不可避免地受到各種非技術(shù)因素的干擾，產(chǎn)生與實(shí)際情況相悖的數(shù)據(jù)，而且無法對噪聲實(shí)行24小時(shí)監(jiān)測，難以實(shí)現(xiàn)噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，給環(huán)境執(zhí)法部門和環(huán)境治理帶來很大的難度；有線方式監(jiān)測存在著布網(wǎng)困難、成本高、靈活性差和易被破壞等缺點(diǎn)[5]。

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的噪聲監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)噪聲的24小時(shí)連續(xù)、準(zhǔn)確監(jiān)測并無需人員值守監(jiān)測點(diǎn)，而且能夠給出噪聲源的具體位置，克服了傳統(tǒng)監(jiān)測方式的局限性，可有效提高噪聲監(jiān)測的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)總體框架

整個系統(tǒng)由監(jiān)控終端、區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)，管理控制中心組成。監(jiān)控終端負(fù)責(zé)信號的采集和轉(zhuǎn)發(fā)，并以無線的方式傳送到具有數(shù)據(jù)融合能力的路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將這些數(shù)據(jù)傳送到區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)，并接收中心節(jié)點(diǎn)發(fā)出的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)測終端。中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并傳送到管理控制中心。管理中心對數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行發(fā)布，繪制噪聲地圖等。噪聲監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測終端主要包括微控制器、無線通信模塊、GPS定位模塊、傳感器模塊、現(xiàn)場顯示模塊和電源模塊,負(fù)責(zé)噪聲數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的采集，并將這些數(shù)據(jù)綁定后上傳至區(qū)域中心控制節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)由計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)組成。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)[6]和監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)基本相同，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)通過串口或USB口與計(jì)算機(jī)相連，將采集的噪聲數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽^(qū)域處理計(jì)算機(jī)。

2.1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)備的選擇

1)微控制器：微控制器采用三星公司推出的微處理器S3C2440A，以ARM920T的RISC作為S3C2440A核心處理器(CPU)，具有低價(jià)格、低功耗、高性能的特點(diǎn);并且提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，減少整體系統(tǒng)成本。

2)無線通信模塊：無線通信模塊選用CC2530。CC2530集成了IEEE 802.15.4,Zig Bee和RF4CE應(yīng)用,2.4 GHz的CC253x片上系統(tǒng)解決方案適用于各種Zig Bee和Zig Bee PRO的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[7]，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)[8]。

3)傳感器模塊：噪聲測量儀選用袖珍式HS5633T型聲級計(jì)，測量范圍為30～130 dB (A)/35～130 dB(C)，靈敏度為30 mV/Pa，性能符合GB 3785和IEC 61672標(biāo)準(zhǔn)對2級聲級計(jì)的要求。能瞬時(shí)輸出聲級數(shù)據(jù)，整機(jī)耗電小于25 mA，符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求[9]。提供標(biāo)準(zhǔn)RS—232/RS—485輸出接口，可直接連接串口設(shè)備。

4)GPS定位模塊：GPS接收器采用韓國Gstar GS—216，該接收設(shè)備采用最新MTK 3329芯片，靈敏度高和功耗低，定位精度小于10 m，具備快速定位和追蹤32顆衛(wèi)星的能力。采用緊湊型防水設(shè)計(jì)，GPS與天線一體式解決方案，適合安裝戶外而且減少了GPS天線走線的復(fù)雜度和長距離的信號衰減。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，程序流程圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)控終端軟件流程圖

為了最大限度地減少功耗節(jié)省通信帶寬，終端節(jié)點(diǎn)采用數(shù)據(jù)離散采集方式，即設(shè)定噪聲采集時(shí)間間隔，每隔一段時(shí)間采集一次噪聲數(shù)據(jù)。而且這個時(shí)間間隔可以不等，在高峰期時(shí)可以設(shè)定時(shí)間間隔小，低谷期時(shí)設(shè)定時(shí)間間隔大。另外，終端節(jié)點(diǎn)并不是將每次采集的數(shù)據(jù)都傳送到數(shù)據(jù)中心，而是首先對采集的數(shù)據(jù)要進(jìn)行超限判斷，只有超限的數(shù)據(jù)才發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn);否則,不發(fā)送。最后，終端節(jié)點(diǎn)還要判斷是否有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的任務(wù)，如果有，則接收并轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)；若沒有，則關(guān)閉無線收發(fā)單元，使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待新一輪的數(shù)據(jù)采集。

2.2.2 區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)組網(wǎng)，監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備的加入。與加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備通信，判斷是否有數(shù)據(jù)收到并檢查數(shù)據(jù)格式是否符合標(biāo)準(zhǔn)，如果滿足條件則執(zhí)行數(shù)據(jù)接收。監(jiān)測串行端口，如果收到數(shù)據(jù)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，并按照要求，上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器；如沒有數(shù)據(jù)，則繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。另外區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)還負(fù)責(zé)向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信號，控制終端節(jié)點(diǎn)。區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

2.2.3 GPS模塊軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所采集的GPS數(shù)據(jù)遵循NMEA—0183標(biāo)準(zhǔn) ，輸出GPS定位信息的包括$GPGGA，$GPGSA，$GPGSV，$GPRMC，$GPVTG，$GPGLL，$GPZDA格式供選擇，本系統(tǒng)選用最小GPS數(shù)據(jù)格式$GPRMC[10]。

GPS導(dǎo)航定位信息通過串口傳送到計(jì)算機(jī)中，但這些信息在沒有經(jīng)過分類提取之前是一串無法加以利用的字節(jié)流，必須通過程序?qū)⒏鱾€字段的信息提取出來，將其轉(zhuǎn)換成有實(shí)際意義的定位信息數(shù)據(jù)[11]。

GPS信息提取程序主要函數(shù)如下：

1)HANDLE OpenCom(CString strCom,DWORD BaudRate,BYTE ByteSize,BYTE StopBits,BYTE Parity,int FlowControl)

∥打開串口

2)int GetSubStringCount(CString str,charcFlag)

∥ 獲取子字符串個數(shù)

3)CString GetSubString(CString str,int i,char cFlag)

∥獲取子字符串

4)CStringCGpsDataView::Analyzing(CStringstr)

∥數(shù)據(jù)解析，提取時(shí)間、經(jīng)緯度并將數(shù)據(jù)寫入文件

5)void RGpsDataView::OnFileRead()

∥讀取文件數(shù)據(jù)并解析

6)bool GpsPoint::SetBL(double dB,double dL)

∥將度分秒經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為弧度后再轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)

7)bool GpsPoint::Setxy(double dx,double dy)

∥將平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為(弧度)經(jīng)緯度

3 系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)

本系統(tǒng)在某高校校園進(jìn)行測試，按照聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[12]，該測試區(qū)域?yàn)?類環(huán)境功能區(qū)，晝間噪聲不能超過55 dB(A)，夜間噪聲不能超過45 dB(A)，該高校的重要區(qū)域布置了6個終端節(jié)點(diǎn)、2個路由節(jié)點(diǎn)、1個區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)分布圖如圖5所示，測試時(shí)間為6：40～11:00。需要說明的是由于是系統(tǒng)測試，數(shù)據(jù)量又不是很大，所以，表中給出的是所有噪聲數(shù)據(jù)，沒有進(jìn)行超限設(shè)定限制。測得等效連續(xù)聲級數(shù)據(jù)如表1所示，測試點(diǎn)坐標(biāo)如表2所示。

圖5 測試點(diǎn)分布圖

從表1和表2的5組自動監(jiān)測與手工監(jiān)測對比數(shù)據(jù)可以看出:手工監(jiān)測和自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)無顯著性差異，只要監(jiān)測點(diǎn)位和儀器選擇恰當(dāng)，噪聲自動監(jiān)測替完全可以替代手工監(jiān)測。

將監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果結(jié)合地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)制圖分析技術(shù)，得到學(xué)校噪聲分析圖，以7：40～8:00的這個時(shí)間段為例，其噪聲情況如圖6所示。該圖可以直觀地反映出測試區(qū)域內(nèi)的噪聲污染情況。管理部門可根據(jù)實(shí)際情況，對于不同的噪聲區(qū)域，采取相應(yīng)的管理對策。

表1 等效連續(xù)聲級(dB)

表2 測試點(diǎn)坐標(biāo)

圖6 噪聲分析圖

4 結(jié) 論

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并結(jié)合GPS技術(shù)和GIS技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種噪聲監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了噪聲的連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控，工作人員不到現(xiàn)場便可監(jiān)測現(xiàn)場噪聲環(huán)境情況，并對出現(xiàn)的噪聲超標(biāo)情況及時(shí)做出相應(yīng)的處理，為監(jiān)測噪聲污染，提供了一個便捷的手段，針對噪聲的執(zhí)法提供有力的證據(jù)。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表明:該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集噪聲數(shù)據(jù)并鎖定噪聲的具體位置，而且該系統(tǒng)安裝比較簡單，可移動性強(qiáng)，與傳統(tǒng)的噪聲監(jiān)測系統(tǒng)相比具有無法比擬的優(yōu)勢。

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