采用RK3308模組的圖書館全向噪聲監測系統設計

胡海云

(集美工業學校圖書館 福建廈門 361022)

1 背景

圖書館是要求安靜環境的閱讀、學習場所，相對于教室、會議室、討論室等一般的學習、辦公環境，圖書館對于環境噪聲的安靜程度提出了更高的要求。2021年，《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中提出要加強環境噪聲污染治理[1]。2022年6月5日起施行，《中華人民共和國噪聲污染防治法》噪聲污染防治法規定，任何單位和個人都有保護聲環境的義務，同時依法享有獲取聲環境信息、參與和監督噪聲污染防治的權利。典型地，對惱人的夜間施工噪聲、機動車轟鳴疾駛噪聲、娛樂健身音響音量大、鄰居寵物噪聲擾民等問題，法律都做出了相應規定，還靜于民，守護和諧安寧的生活環境。圖書館作為一類提供學習、自習等對環境安靜程度有較高要求的功能性空間，對其噪聲污染的監測、治理得到各有關方面的高度重視。

在圖書館噪聲無人的監測、治理工作中，針對不同類型、不同范圍噪聲源對圖書館安靜環境造成的干擾，需要全向噪聲監測系統以保證圖書館對于噪聲的監控及針對性管理。特別是，與單個麥克風相比，麥克風陣列通過特定幾何陣型利用多個陣元獲得的聲信號空間信息進行聲源方向估計，可以獲得噪聲的方向信息，因此常常用于進行噪聲全向監測應用[2-4]。

但是，考慮到配備麥克風陣列的專業全向噪聲監測儀器的成本、安裝、使用要求較高，例如在設計規范上需要滿足《環境噪聲自動監測系統技術要求》（HJ 907—2017）和《環境噪聲自動監測儀檢定規程》（JJG 1095—2014）等規定對該類型儀器的計量性能要求[1]，因此噪聲檢測儀器設備屬于專用儀器設備，價格高。大量中小學校、社區、部隊、企業等基層單位圖書館往往不具備配備此類專業全向噪聲監測的條件。

自從2014 年亞馬遜推出的Echo 系列智能音箱開創了語音交互智能音箱產品的先河，Google、微軟、Facebook 等國際知名企業紛紛研發智能音箱產品，該類產品在全球范圍內得到快速發展[5-6]。分析報告顯示,未來幾年全球智能音箱出貨量將大幅增長,預計到2025 年,智能音箱市場將增長20%以上。推動智能音箱市場快速增長的主要原因是智能家居在全球范圍內的普及，包括智能家電、智能門鎖、窗簾、燈等一系列智能產品，而智能音箱可作為智能家居的控制中樞。

此外，人工智能和機器學習的發展，以及谷歌、亞馬遜、蘋果等互聯網科技巨頭的加入，也是推動全球智能音箱市場快速增長的重要因素。國內方面，各知名廠商紛紛推出功能各異的智能音箱。比如：百度、小米、華為先后推出了智能音箱產品，已在國內智能家居產品中占據重要地位。因此，智能音箱產品巨大的產銷量，使該類產品作為一種大眾消費商品，價格迅速降低，具有購買、使用方便的特點。

2 RK3308模組介紹及二次開發

2.1 RK3308模組簡介

RK3308模組是瑞芯微推出的基于高性能、低功耗RK3308 芯片的智能音箱整體芯片解決方案。瑞芯微RK3308搭載四核A35架構，整合的高性能音頻編碼器配備8通道ADC及2通道DAC，可直接支持最大8通道模擬MIC陣列及回采功能，無需外加ADC，加上為低功耗應用開發了硬件語音檢測模塊（VAD），整個方案擁有高集成度和高性價比等優勢。

RK3308 模組的主要特點具體有：CPU 采用4 核ARM Cortex-A35（64位架構，高性能，低功耗）；整合高性能CODEC（8 通道ADC+2 通道DAC）；直接支持最大8 通道模擬MIC 陣列+回采，無需外加ADC；集成主流數字音頻輸入輸出接口；為低功耗應用開發了硬件語音檢測模塊（VAD）；8TX+8RX,8CH,2CH I2S/TDM/PCM數字音頻接口；codec 編解碼器：8x ADC for MIC IN and LINE IN；USB 2.0 HOST+USB 2.0 OTG；RMII 100M；5x UART 3x SPI 4x I2C；4x PWM 6x SARADC。模組架構圖及模組照片如圖1所示。

圖1 RK3308模組架構圖（左）及模組照片（右）

RK3308模組配備6元環形麥克風陣列由6顆麥克風組成，麥克風陣列直徑為7 cm，同時配套12個led燈代表間隔15°的12 個方向，從而可實現360°聲源定位功能，因而適用于圖書館這類需全向監測噪聲的場景。同時，RK3308 模組提供了方便的二次開發功能，可供面向不同應用場景的麥克風陣列算法開發設計。

考慮到RK3308 模組自帶的智能影響解決方案中需用戶說出喚醒詞喚醒后方啟動聲源定位程序，該文中對RK3308 模組進行定制化設計，按照實時輸入語音、實時門限檢測、實時聲源定位的工作模式設計了面向圖書館的全向噪聲監測流程。

2.2 模組二次開發

由于RK3308 模組較小的陣列尺寸（圓形6 麥、直徑7 cm），一方面具備了使用方便的特點，同時易影響麥克風陣列聲源定位精度；因此，考慮到在同等情況下麥克風陣列聲源定位算法對高頻信號的定位精度較高，而在圖書館典型噪聲源中較高頻率的非平穩噪聲如桌椅搬動、器皿掉落、手機鈴聲是較為主要的干擾源，小尺寸麥克風陣列的聲源方向估計也對算法設計造成困難。

因此從考慮系統工程實現方便性的角度出發，在該文對RK3308模組進行的二次開發中，兼顧常見非平穩噪聲的頻率特性以及模組搭載麥克風陣列的尺寸，設置DOA估計算法[4]的工作頻率在2 kHz，通過濾去低頻成分以保證較小尺度的RK3308 模組二次開發中麥陣的全向聲源定位精度。

圖2給出了RK3308模組麥陣算法工作流程圖，從圖2 中可以看出：首先通過門限檢測判斷噪聲是否超出設定，對超出設定門限的噪聲則采用現成的DOA估計算法進行方位估計，最后以點亮對應LED 的方式輸出噪聲方位。

圖2 模組麥陣二次開發算法工作流程

在圖書館全向噪聲監測工作中，可通過門限輸入設定噪聲強度，通過模組噪聲方向輸出信息觸發相應的聲、光報警，并在此基礎上進一步結合模組提供的接口功能與智能手機接口，實現方便的噪聲源監測、管理、干預，從而有效實現廣大基層圖書館的環境噪聲監測、治理。

3 實驗與結果分析

為了驗證基于RK3308 模組二次開發所設計系統的有效性，采用RK3308模組分別在消聲及混響實驗室進行全向噪聲監測實驗。實驗中，設置RK3308模組的信號采樣率為16 kHz，量化位數24 bit，PHAT算法處理窗長為512點。

實驗中采用音箱播放白噪聲模擬作為干擾噪聲，音箱距離RK3308模組中心點列距離為5 m，參照圖書館全向噪聲監測中對角度分辨率不高的要求，按照15°角度分辨率全方向設置音箱，實驗設置如圖3 所示；實驗中音箱播放音量設置為相當于正常說話音量的70 dB（a）聲壓級。如圖4所示為作為測試信號的白噪波形（上）及其語譜（下），從圖4 可以看出測試信號在頻率上包括了從0～8 kHz 之間的較寬頻帶，可以供測試較寬頻帶下的系統指向特性曲線。

圖3 實驗設置圖

圖4 實驗信號波形（上）及語譜（下）

如圖5、圖6所示分別為消聲及混響實驗室下系統在2 kHz工作頻率的360°空間指向性曲線，從圖5可以看出混響實驗室條件下指向性曲線性能明顯優于混響實驗室條件。圖5所示消聲條件下系統獲得的指向性曲線具有更為尖銳的主波束寬度以及更低的殘余旁瓣，圖6 所示混響實驗室條件下的指向性曲線則具有較寬的主波束及稍高的殘余旁邊。

圖5 消聲條件下系統的空間指向性歸一化曲線

考慮到該文系統所面向的圖書館環境噪聲全向監測應用場景對聲源方向估計的精度并不高，從使用角度而言，圖5、圖6獲得的消聲、混響條件下的指向性曲線表明了基于RK3308 模組二次開發實現的全向噪聲監測系統具備對噪聲的方位估計能力。

圖6 混響條件下系統的空間指向性歸一化曲線

同時，通過該文系統基于RK3308 模組進行針對性圖書館噪聲全向監測常見進行的二次開發設計，克服了RK3308 模組自帶智能音箱產品需先進行喚醒后才能進入聲源定位模式的缺點，無需喚醒詞啟動即可保證系統工作在實時噪聲監控模式，從而方便系統在上文所示各類非專業圖書館場景方便地開展全向噪聲監控工作。

4 結語

公共場所環境噪聲控制與治理是建設和諧社會、提升廣大人民群眾幸福感的重要方面。在各類公共場所中，圖書館是一類需要安靜環境的學習、自習場所，對圖書館環境噪聲的監測、管理、控制是保證圖書館充分發揮其功能性公共空間作用的重要方面，專業圖書館往往采用配備麥克風陣列的全向噪聲監測設備進行環境噪聲的監測、全向方位估計。但是，此類設備往往具有較高的安裝、使用要求及較高的價格。

針對中小學校、社區等基層單位圖書館缺乏專業噪聲檢測設備、影響了圖書館靜音環境管理效率的問題。該文綜合考慮在當前智能音箱產品迅速發展、產銷量大增的情況，采用目前采購方便、成本低、尺寸小，提供二次開發功能的瑞芯微RK3308 智能音箱模組進行針對性設計開發，實現了全向噪聲檢測功能并在實驗室進行了有效性測試。

在消聲室、混響室進行的噪聲方向監測實驗結果表明，結合合適的工作頻率設計，該文基于瑞芯微RK3308 智能音箱模組設計的系統可為上述各類非專業圖書館全向噪聲監測提供一類成本低、方便、有效的技術手段。