基于無線傳感器網絡的噪聲自動監測校準系統設計

江世雄，翁孫賢，車艷紅，王重卿，龔建新

（國網福建省電力有限公司，福建福州 350007）

無線傳感器網絡保持傳統的分布式網絡連接形式，其末梢由多個感知傳感器元件共同組成，可用于查探外部環境的具體表現情況。由于傳感器網絡的連接靈活性，下級負載節點之間始終保持著無線通信的數據傳輸關系，這種網絡配置行為方便網絡主機對信號源碼進行隨時更改，一方面可在區域傳輸環境中形成一個完整且獨立的自組織網絡，另一方面也可使無線通信數據的傳輸時間得到有效控制[1-2]。

為適應噪聲信號的感應與校準需求，多功能型監測系統采用模塊化思想對主程序軟件進行編程，再借助人機交互模塊，實現對噪聲校準實值的準確設定。然而此系統的頻帶覆蓋面積相對較小，很難實現對噪聲信號組分條件的有效分析。為解決此問題，設計基于無線傳感器網絡的噪聲自動監測校準系統，在數字濾波器等多個硬件設備結構體的支持下，對噪聲數據進行預處理，再聯合ZigBee 拓撲協議，實現對PID 校準系數的準確計算。

1 系統硬件設計

噪聲自動監測校準系統的硬件由數字濾波器、信號采集電路、信號處理單元三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 數字濾波器

數字濾波器作為特殊的噪聲信號采集元件，具有聲級計測量范圍大、穩定性強等應用特性，整個外殼均采用合金鋁設計材料，所獲噪聲信號的測量范圍為50 Hz～16 kHz，由于其工作電壓水平相對較低，因此在無線傳感器網絡中，始終具備較強的信號監測與校驗能力[3-4]。在無線傳感器網絡外部，數字濾波器負責采集各類型的噪聲信號，并可對其進行簡單的區分處理，根據信息參量的監測與校準需求可知，待測的噪聲信號量越大，數字濾波器所面臨的工作強度水平也就越高。在此情況下，為實現對噪聲信號的精準監測，數字濾波器一般被放置于相對開闊的物理空間之中，并在其周圍設置多個可用于校準信息感知的小型無線傳感器元件，其結構圖如圖1 所示。

圖1 數字濾波器結構圖

1.2 信號采集電路

信號采集電路可提供數字濾波器、噪聲信號處理單元所需的傳輸電子量，可在電阻R與電容C元件的作用下，實現對噪聲信號的收集與匯總，并借助多個轉換器接口，將信息數據參量反饋至系統下級設備應用結構體之中，其示意圖如圖2 所示。LM386元件作為信號采集電路中的核心轉換器設備，可將數字濾波器元件接收到的噪聲信號轉換成更大或更小的傳輸形式，從而滿足系統內部的信號監測與校準應用需求[5-6]。信號放大器則具備多個不同的信號輸出接口，可按照系統內的噪聲信息傳輸需求，開啟較為適宜的信號傳輸通路，在非運行期間內，所有信息傳輸接口均保持閉合狀態，一方面可為噪聲信號提供更為穩定的無線網絡平臺，另一方面也可實現對噪聲信息的整合與匯聚處理。電路示意圖如圖2所示。

圖2 信號采集電路示意圖

1.3 信號處理單元

信號處理單元由USB OTG、噪聲信號輸出、WIFI連接模塊三部分共同組成，其結構圖如圖3 所示。其中，USB OTG 模塊具備較強的信號解碼能力，可在UART 設備結構體的作用下，將噪聲信號轉換成既定的信息存儲形式。噪聲信號輸出模塊可對DDR型噪聲音頻信號進行存儲，執行信號解碼指令的同時，對RTC 信息參量進行提取[7-8]，再將其轉存至既定的硬件設備結構體之中。WIFI 連接模塊必須與物理加速引擎設備相連，一般情況下，隨著數據信息解碼指令的進行，TFT LCD 設備所具備的信號存儲能力會得到有效促進，當信號處理單元內的噪聲信號傳輸速率達到最大數值水平之后，該元件才會停止對信號參量的轉存與處理[9-10]。

圖3 信號處理單元結構圖

2 系統軟件設計

2.1 ZigBee拓撲協議

ZigBee 拓撲協議是無線傳感器網絡中的主要通信促進技術，可在信號處理單元與系統校準設備之間形成獨立的數據通信空間，從而使得噪聲數據信息得到準確的辨別與存儲。整個協議體系由協調節點、路由節點、終端節點三類應用結構共同組成，其組成形式如表1 所示。其中，協調節點可表示為.Device的編碼形式，能夠根據噪聲信號所處的傳輸位置，對其應用能力進行監測，再將與之相關的數據信息校準條件，反饋至系統應用主機中。路由節點可表示為.Mesh 的編碼形式，可對噪聲信號所具備的傳輸能力進行分辨，從而使得系統主機的監測與校準需求得到較好的滿足[11-12]。終端節點可表示為.Cluster 的編碼形式，可按照無線傳感器網絡中噪聲信號數據所屬的傳輸級別，對其進行精準監測，從而為信號處理單元提供大量的數據信息參量。

表1 ZigBee拓撲協議組成形式

2.2 噪聲數據預處理

噪聲數據預處理是設計噪聲自動監測校準系統的關鍵操作步驟，在無線傳感器網絡中，可按照ZigBee 拓撲協議的連接形式，將噪聲信號由大規模傳輸結構轉換成小型的傳輸結構，一方面避免噪聲信號在頻帶環境中出現不合理堆積行為，另一方面使得監測系統的校準應用需求得到較好的滿足。在無線傳感器網絡中，待監測的噪聲信號量越大，系統所需處理的校準信息參量也就越多[13-14]。因此，為獲得較好的噪聲信號監測與校準效果，應在遵循ZigBee拓撲協議連接需求的前提下，對噪聲信號的現有傳輸能力進行判別，再聯合數字濾波器、信號處理單元等多個硬件設備結構體，計算個別校準節點處的信號監測系數，從而實現對噪聲傳輸信號的精準預處理。設i代表噪聲信號傳輸系數，聯立上述物理量，可將自動監測校準系統的噪聲數據預處理結果表示為：

式中，M代表噪聲信號的監測判別基向量，p代表ZigBee 無線協議的拓撲系數，xi代表噪聲監測信號的起始輸入值，xn代表噪聲監測信號的終止輸入值。

2.3 PID校準系數

PID 校準系數決定了噪聲自動監測校準系統所具備的信號處理能力，可在順承噪聲數據預處理結果的同時，限制ZigBee 拓撲協議在無線傳感器網絡中的實際傳輸能力，從而使得噪聲信號得到準確地監測與識別[15-16]。由于PID 校準系數的存在，無線傳感器網絡的覆蓋延伸趨勢得到較好控制，一方面能夠較好地促進噪聲信號的傳輸與轉存行為，另一方面也可為系統監測主機提供足量的信號數據參量。設i代表噪聲信號處理系數，n代表無線傳感器網絡中的噪聲信號監測校準處理常數項，可將PID 校準系數計算結果表示為：

式中，mi代表ZigBee 拓撲協議的最初監測特征值，mn代表ZigBee 拓撲協議的最終監測特征值。至此實現各項軟、硬件執行環境的搭建，在無線傳感器網絡環境的支持下，完成噪聲自動監測校準系統的設計。

3 實驗結果與分析

選取圖4 所示應用設備作為實驗對象，分別以基于無線傳感器網絡的噪聲自動監測校準系統和多功能型監測系統對該設備進行控制，其中前者作為實驗組、后者作為對照組。規定在實際監測過程中，只能截取超過60 分貝的噪聲信號。

圖4 噪聲自動監測校準系統的應用設備

PES 指標能夠反映噪聲信號在單一頻帶區域內的分布均勻度水平，由于精確化校準行為的存在，PES指標所表現出的數值量越大，噪聲信號在單一頻帶區域內的分布均勻度水平越高，反之則越低。表2 記錄了實驗組、對照組PES 指標數值的具體變化情況。

表2 PES指標數值對比表

分析表2 中的數值記錄結果可知，實驗組PES 指標在整個實驗過程中，始終保持相對穩定的數值波動變化狀態；對照組PES 指標在一段時間的上升變化狀態后，開始逐漸趨于小幅波動的數值變化趨勢。實驗組最大值72.37%與對照組最大值34.16%相比，上升了38.21%。

BUR 指標則記錄了系統主機對于噪聲信號的測量精度水平，規定在60 分貝至120 分貝的數值區間內，BUR 指標數值越大，系統主機對于噪聲信號的測量精度水平越高，詳細數值記錄結果如表3 所示。

分析表3 可知，實驗組BUR 指標呈現先上升、再穩定、最后下降的數值變化趨勢；而對照組BUR 指標則在一段時間的數值穩定狀態后，開始保持連續下降的數值變化趨勢。在整個實驗過程中，實驗組最大值64.91%遠高于對照組最大數值。

表3 BUR指標數值對比表

基于上述研究成果可知，所設計系統能夠在提高噪聲信號測量精度水平，促進信號參量在頻帶區域內呈現均勻分布狀態，幫助系統主機準確掌握噪聲信號在各個頻帶內的分布情況。

4 結束語

在無線傳感器網絡的支持下，噪聲自動監測校準系統針對數字濾波器、信號采集電路等多個硬件設備結構體的連接能力進行改進[17-18]，隨著ZigBee 拓撲協議連接能力的增強，待傳輸的噪聲數據可得到有效預處理，從而增強PID 校準系數的應用可行性。與多功能型監測系統相比，新型噪聲自動監測校準系統的PES 指標與BUR 指標數值水平更高，能夠準確分析噪聲信號在各個頻帶內的具體分布情況，進而實現對于待傳輸噪聲信號的精準測量。