立體車庫無線振動噪聲監測系統的研究

董晨晨 ，李威霖 ，周杭超 ，孫 琳 ，駱達偉 ，厲樂樂

（1.浙江方圓檢測集團股份有限公司，浙江 杭州310018；2.浙江省產品質量安全檢測研究院，浙江 杭州310018；3.浙江省特種設備科學研究院浙江，浙江 杭州310018）

0 引言

隨著我國經濟的發展汽車制造成本的下降，私家汽車保有量持續增長，這使得城市停車位嚴重不足。據統計，我國城市汽車與停車位的比值約為1∶0.8到1∶0.5，停車位十分緊缺[1-2]。但是城市土地使用成本也是逐年攀升，這就必須提升停車位的利用率，立體車庫在此環境下得到了飛速的發展。

隨著越來越多的立體車庫進入居民小區，立體車庫的振動和噪聲逐步成為影響居民生活主要原因之一[3]。對于停車設備的噪聲而言，JB/T 10215-2000《垂直循環類機械式停車設備》規定“設備等效連續A聲級的噪聲應不大于75 dB（A）”；GB/T 27545-2011《水平循環類機械式停車設備》、JB/T 10475-2015《垂直升降類機械式停車設備》、JB/T 10474-2015《巷道堆垛類機械式停車設備》、JB/T 11455-2013《多層循環類機械式停車設備》和JB/T 10545-201《平面移動類機械式停車設備》規定“設備的聲壓級噪聲不應大于 70B（A）”；JB/T 8910-2013《升降橫移類機械式停車設備》和JB/T 8909-2013《簡易升降類機械式停車設備》規定“停車設備聲壓級噪聲不應大于70 dB（A）；安裝在地下室時，停車設備聲壓級噪聲不應大于75 dB（A）”。從上述主要國家和行業的標準可知：立體車庫的噪聲在70 dB以下是合格的[4]。但是實際上在夜間只要超過50 dB的噪聲就會造成人們生活的很大影響。

對于停車設備的振動而言，參考GB 10070-1988《城市區域環境振動標準》，城市主要鉛垂向Z振級標準值如表1所示。可見，對于立體停車庫晝間的振動等級不能大于75 dB。

表1 Z振級標準值

如何避免振動及噪聲問題影響人們的正常生活成為立體車庫投資者和建設者需要正視的因素。因此亟需對立體車庫噪聲振動進行有效的監測。

傳統的監測方法通常是在關鍵點安裝傳感器，采用有線連接方式傳到上位機。但是對于立體車庫而言，噪聲及振動監控點分布范圍大、結構復雜，信號線鋪設難、運行過程中容易被破壞等因素影響，無法建立可靠的噪聲振動監測方案。

本文提出采用ZigBee無線通信技術構建無線傳感器網絡的無線傳感方案，通過對立體車庫的運行噪聲與振動信號進行無線采集，并對其振動信號進行1/3倍頻及功率譜分析，最終利用LabVIEW平臺進行軟件編程，實現了振動噪聲的無線監測。

1 算法原理

1.1 等效聲級

立體車庫的噪聲采用等效聲級進行衡量，該指標是可有效的反映人實際能接受噪聲能量的大小。在立體車庫的某一指定位置上，用某一段時間內間歇的幾個不同A聲級噪聲采用能量平均的方法來計算和表示該段時間的噪聲大小[5]。

式（1）中：LPA指的瞬間的聲級，T指的測量所用的時間。

立體車庫噪聲監測，使用無線噪聲傳感器，所以測量時間 T 為 1 s，則式（1）離散化后如式（2）。

式（2）中，LPA（i）指的是編號 i對應的瞬間聲級，N=200，i=1，2，…，200。

1.2 Z振級及1/3倍頻程

在聲學及機械振動的測試分析中常用1/3倍頻程分析方法，具有譜線少頻帶寬的特點，本文將其用在立體車庫振動信號監測中。

倍頻程表示指定頻率點上下頻帶內信號的有效值（平均幅值）大小。制定的頻率點稱作中心頻率，頻率點上下頻帶稱作上限頻率和下限頻率，上下限頻率之間的頻率范圍稱為頻帶寬度[6]。如果在一個倍頻程的上、下限頻率之間再插入兩個頻率點，那么就會有4個頻率值，3個頻帶，如果使得他們之間的比值相同，稱這種頻程為1/3倍頻程。

對于振動加速度信號，對其進行時域以及頻域分析，在頻域內采用Z計權振動加速度級進行三分之一倍頻程分析[7]。根據國際標準ISO2631，Z振級（VLZ）的計算公式為：

式中，a0為基準加速度，值為10-6m/s2；aw為計權加速度均方根，由式（4）計算：

式中：T為振動測量的平均時間（s）；ai為經過三分之一倍頻程譜分析逆變換得到的加速度信號。

2 總體結構

監測系統主要分為3個部分，即傳感信號采集模塊。數據傳輸模塊及數據分析模塊。

（1）傳感信號采集模塊：負責振動噪聲采集及預處理，并將處理后的數據采用ZigBee的無線傳輸方式進行傳輸。具體包括振動及噪聲敏感元件、電源單元、控制及數據預處理、無線發送單元等。

（2）數據接收模塊：負責多傳感信號的無線接收，并將接收數據采用modbus協議上傳到上位機，主要包括電源單元、控制及數據處理、無線接收單元及數據發送單元等。

（3）數據分析模塊：負責數據接收模塊發送的數據的監測及處理分析。主包括要上位機及檢測軟件，軟件負責完成數據的接收傳輸及結果展示。

3 硬件系統

整個系統硬件結構如圖1所示。

圖1 硬件結構圖

3.1 無線傳輸方案選擇

目前無線傳輸方式主要有WiFi、ZigBee、藍牙等。其中藍牙數據傳輸速率較快，但存在傳輸數據小距離較；WiFi傳輸距離較遠，但功耗較高；相比而言，ZigBee功耗低，但在數據傳輸速率較慢[8]。立體振動及噪聲的監測因需要長期在線，通信距離適中，故滿足采樣參數的情況下，需要滿足功耗低、體積小及實時性高的要求。故本設計選用ZigBee的無線通信方式。

ZigBee收發單元采用CC2420無線射頻芯片，最高數據傳輸率高達250 kbit/s，可以實現多點對多點的快速組網，接口簡單，功耗低，滿足本項目振動噪聲數據傳輸需求。

3.2 振動傳感器

選取高靈敏度MEMS傳感芯片作為振動采集元件，采用ARM微處理器進行實時高速數據處理，設局足夠容量的存儲器，先將數據采集到儲存器內，然后進行數據處理。硬件設計上盡量做大微小話，滿足了立體車庫對體積的要求，根據參數進行選擇三軸振動傳感方案，且采樣頻率高達單軸1 600 Hz，且具有功耗低、體積小，可滿足立體車庫振動狀態檢測需求。

3.3 噪聲傳感器

完成對立體車庫運行過程中的噪聲測量。其中主要包括噪聲敏感元件、信號預處理、模數轉換器及無線傳輸單元，傳感器將采集到的噪聲信號經放大傳給模數轉換器，經過微處理器進行計算處理后，通過無線傳輸單元傳輸。立體車庫噪聲測量要求性能穩定、動態范圍寬、頻響平直，本設計選用傳聲器為AWA14423。

3.4 微處理器模塊

微處理器是傳感器及基站的核心部分，均采用ARM模塊。各監測點的微處理器對噪聲及振動信號進行放大、濾波及模數轉換，將振動噪聲數據處理后通過zigbee單元發送到建站，各監測點輪流發送，同時基站微處理器對數據進行接收并發送至上位機。

4 軟件系統

LabVIEW是一種用圖標代替文本創建應用程序的圖形化編程語言，即虛擬儀器，它提供了豐富的圖形控件，并采用圖形化編程方法。本系統就是以LabVIEW為軟件開發平臺而開發的立體車庫無線監測[9]。軟件主要包括噪聲監測、振動時域波形監測及1/3倍頻分析，主界面如圖2所示。

圖2 軟件監測界面

5 系統的應用

5.1 數據采集

（1）監測地點：某企業研發用的立體車庫。

（2）監測設備：采用上述無線振動噪聲傳感器；依據標準聲級計應距離地1.2 m，距車庫1 m。試驗中采用三角架將其固定，振動傳感器采用磁性基座固定在立體車庫結構架上。

（3）接收設備：無線數據傳輸基站放置在車庫附件的安全區域，上位機放置在地下車庫入口辦公房內部。

（4）數據采集：在立體車庫四周放置了10個噪聲監測傳感器及4個振動監測傳感器，各個傳感器通過ZigBee無線傳感網將數據傳輸到無線接收基站，最終進入上位機進行分析。

設備安裝如圖3所示。

圖3 設備安裝圖

5.2 測試結果

節點噪聲及加速度信號通過內嵌程序進行采集，數據通過CC2420無線傳輸到基站節點，輸入并存儲在上位機中。由于篇幅限制此處給出了測試結果：放車階段實測最大噪聲可達70.7 dB（A）；取車實測最大噪聲可達65.9 dB（A）；停車提升階段振動在中心頻率315 Hz及500 Hz振動最強烈，而其余各頻率段振幅分布較為均勻；取車階段振動在中心頻率63 Hz及315 Hz振動最強烈，而其余各頻率段振幅分布較為均勻。

檢測結果界面如圖4、圖5所示。

圖4 噪聲監測結果

圖5 振動監測結果

立體車庫在不同提升階段在不同頻域范圍內不同的振動情況證明，立體車庫振動時有一定規律的，振動會引起不同程度的噪聲，因此有必要對立體車庫的振動噪聲進行監測，形成大數據庫，以便進一步分析其內在參數，為減小立體車庫的振動噪聲做好充足的準備。

6 結束語

隨著立體車庫的大量建設，立體車庫的噪聲污染成了亟需解決的重大問題，在該背景下，結合實際情況，本文提出了一種基于虛擬儀器的立體車庫無線監測系統，利用無線傳感器網絡技術中的ZigBee技術對立體車庫的運行噪聲與振動信號進行無線采集，并對其振動信號進行1/3倍頻，最終利用Lab－VIEW平臺進行軟件實現，最終實現了立體車庫振動及噪聲的連續監測，并且具有高效實時無線采集以及耗能低等特點。軟件系統界面清晰簡單，檢測數據可以實時保存，便于后期分析比較。硬件系統安裝方便，移動性強，運行可靠，與基于有線網絡的監測系統相比具有特殊優點，為立體車庫噪聲污染監測及振動特性分析提供一套便捷高效地噪聲監測系統。

該系統還可以進一步優化，增強數據傳輸能力，采集更多的有效數據，增強實時性；另一方面進一步完善軟硬件系統，從結構上對立體車庫進行分析，指導立體車庫設計，從噪聲源減小振動及噪聲。