人性化噪音檢測(cè)提示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

當(dāng)前，噪音污染在日常生活中受到越來(lái)越多的重視，人們希望在某些地點(diǎn)營(yíng)造一個(gè)安靜的環(huán)境，如圖書(shū)館、藝術(shù)展覽館、自習(xí)室、醫(yī)院病房等。而對(duì)聲音的控制有一定的難度，特別是由人有意或無(wú)意發(fā)出的聲音，例如，講話的聲音，走路時(shí)發(fā)出的響聲，搬動(dòng)物體產(chǎn)生的聲音等。往往需要通過(guò)當(dāng)事人的自覺(jué)遵守或他人的善意提醒來(lái)控制噪音的產(chǎn)生。

因此希望設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)噪音的檢測(cè)，并以一種自然且人性化的互動(dòng)方式提醒，而非簡(jiǎn)單的聲音或文字提示。同時(shí)也能夠收集噪音數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析和顯示，實(shí)現(xiàn)廣泛的噪音監(jiān)控和管理。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于藝術(shù)家 Aparna Rao 的藝術(shù)品 The Pygmies，這是一款聲音感應(yīng)互動(dòng)裝置。藝術(shù)家認(rèn)為人們總是被一些非常害羞、敏感并且可愛(ài)的小生物圍繞，就像一些小小的部落那樣，與人們生活在同樣的空間，互相觀察著彼此。Aparna Rao 在墻上安裝有很多形狀不一的面板，類似墻面裝飾，如果周圍環(huán)境非常安靜，那么藏在其中的黑色‘小生物’就會(huì)探出頭來(lái)，但是它們非常膽小，一點(diǎn)點(diǎn)動(dòng)靜就會(huì)嚇得它們縮回頭去。每一個(gè)‘小生物’都設(shè)定了不同的動(dòng)作，最大程度地讓它們像真正的生物一樣有感情、有性格。

該設(shè)計(jì)與本文觀點(diǎn)高度吻合，于是借鑒 The Pygmies 的理念結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)將兩者較好地融合。

1 系統(tǒng)組成

The Pygmies 如圖 1 所示，系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。

以開(kāi)發(fā)板上的單片機(jī)為核心，通過(guò)聲音模塊采集聲音數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的感知。對(duì)聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，機(jī)械部分做出相應(yīng)的控制以操縱小人活動(dòng)。此外，單片機(jī)通過(guò)藍(lán)牙和因特網(wǎng)分別與安卓設(shè)備和云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。安卓設(shè)備主要用于實(shí)時(shí)顯示周圍設(shè)備檢測(cè)得到的聲音數(shù)值，幫助管理人員進(jìn)行設(shè)備管理以及必要的提醒。云端部分可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、收集、存儲(chǔ)并做出分析。

1.1 機(jī)械部分

采用步進(jìn)電機(jī)對(duì)小人的活動(dòng)進(jìn)行控制，由絲桿對(duì)運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行引導(dǎo)。其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，安裝方便。系統(tǒng)整體布局如圖 3 所示。

1.2 嵌入式部分

1.2.1 聲音模塊

聲音模塊由咪頭、MAX9812 固定增益放大器、XC6206穩(wěn)壓器組成。模塊體積小，采用 3.3 ～ 5 V 電源供電，方便與開(kāi)發(fā)板等嵌入式系統(tǒng)組合使用。而駐極體話筒（咪頭）具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電聲性能好、價(jià)格低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于盒式錄音機(jī)、無(wú)線電話筒及聲控電路中。

運(yùn)放使用 MAX9812L 單輸入 20 dB 固定增益麥克風(fēng)放大芯片，內(nèi)置低噪聲麥克風(fēng)偏置，適用于筆記本電腦、手機(jī)、掌上電腦等便攜音頻設(shè)備。

人耳的聽(tīng)覺(jué)頻率范圍大體在 2 ～ 20 kHz 之間，且大部分噪音的能量集中在低頻部分，因此對(duì)處理咪頭所采集的信號(hào)的運(yùn)算放大器必須在輸入信號(hào)頻率范圍內(nèi)有較為優(yōu)異的增益平坦度。而 MAX9812 的頻率和輸出增益曲線恰好能滿足這一點(diǎn)，其在 10 ～ 100 kHz 的輸入信號(hào)頻率下穩(wěn)定于20 dB。MAX9812 頻率增益曲線如圖 4 所示。

綜合以上分析，MAX9812L 符合本系統(tǒng)的要求。

1.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

考慮到系統(tǒng)對(duì)小人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要有較為精確的感知和控制，且運(yùn)動(dòng)速度不定，因此使用步進(jìn)電機(jī)控制更合適。

因?yàn)?MCU 引腳輸出能力并不能驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以一般需要使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。本文系統(tǒng)選用 3086A-MFP10S 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，低飽和電壓型雙向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC，具有低飽和輸出和低功率特性。

1.2.3 噪聲數(shù)據(jù)處理

本文系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)處理主要集中在聲音信號(hào)采集后的數(shù)據(jù)分類與識(shí)別過(guò)程中。對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)通過(guò)兩種方案進(jìn)行處理 ：

（1）將轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)字信號(hào)值按大小分類，分別代表不同的環(huán)境噪聲等級(jí) ；

（2）將轉(zhuǎn)換完畢的信號(hào)值進(jìn)行存儲(chǔ)并與時(shí)間鄰近的值比較，重新計(jì)算得到變化量，按照變化量的大小分類，分別代表不同的環(huán)境噪聲變化等級(jí)。

對(duì)兩種聲音處理方案進(jìn)行分析，在環(huán)境噪聲影響下采集到的信號(hào)往往具有一定程度的波動(dòng)。方案（1）需要針對(duì)每個(gè)布設(shè)環(huán)境進(jìn)行分析與閾值設(shè)定，否則存在較大的誤差和不穩(wěn)定性，較適合靜態(tài)噪聲的監(jiān)測(cè)。方案（2）為動(dòng)態(tài)聲音監(jiān)測(cè)，更加適合突發(fā)性噪音的監(jiān)測(cè)。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的采樣值相對(duì)變化數(shù)值可以分為三檔，分別為 >50，>100 和 >200，對(duì)應(yīng)三種不同的噪聲音量。將三類音量大小分別對(duì)應(yīng)三種電機(jī)轉(zhuǎn)速。在不同的噪音等級(jí)下，目標(biāo)提示物會(huì)做出不同程度的運(yùn)動(dòng)，以提醒附近人員保持安靜。

出現(xiàn)噪音時(shí)小人做出躲避動(dòng)作示意如圖 5 所示。

1.3 安卓部分

為了能夠?qū)⒃肼暤姆植记闆r實(shí)時(shí)反映給管理員，本文設(shè)計(jì)了一款基于 Android 平臺(tái)的手機(jī) APP，手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙與設(shè)備連接后，可以顯示當(dāng)前區(qū)域的噪聲情況，時(shí)延低，適應(yīng)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。手機(jī)接入互聯(lián)網(wǎng)后，可以從云端獲取全部區(qū)域的噪聲分布情況。

APP 主要用戶為管理員，UI 界面需要呈現(xiàn)實(shí)時(shí)噪音等級(jí)及位置信息。為了能夠直觀體現(xiàn)噪聲數(shù)據(jù)的變化情況，在APP 中選擇使用折線圖的方式顯示數(shù)據(jù)，顯示效果如圖 6 所 示。橫軸表示時(shí)間，縱軸表示噪聲強(qiáng)度，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)每次采集得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)。在顯示控件中，數(shù)據(jù)點(diǎn)能夠隨著采集時(shí)間的變化不斷滾動(dòng)以達(dá)到實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)的目的。此外，縱軸的坐標(biāo)范圍可以隨噪聲強(qiáng)度自動(dòng)變化，自適應(yīng)不同的噪聲強(qiáng)度。

本地監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳到云端并存儲(chǔ)后，手機(jī)可以通過(guò)云端獲取數(shù)據(jù)，查看不同區(qū)域、不同時(shí)間、不同設(shè)備的噪聲情況。在保證查看數(shù)據(jù)移動(dòng)便捷的同時(shí)，彌補(bǔ)了通過(guò)藍(lán)牙鏈接設(shè)備查看數(shù)據(jù)導(dǎo)致的空間和時(shí)間上的局限性。

1.4 云端部分

設(shè)備將數(shù)據(jù)收集并上傳到云端物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，然后進(jìn)行存儲(chǔ)和應(yīng)用（分析、監(jiān)控）。主要流程如圖 7 所示。

開(kāi)發(fā)板（連接溫度傳感器）通過(guò) MQTT 協(xié)議定期將聲音信息發(fā)送到 IoT Foundation，并使用 Bluemix 中的功能將這些信息描繪成圖表。

對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集此處不再贅述，數(shù)據(jù)接入云端后分別進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和警報(bào)判斷。存入數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)包括設(shè)備信息、位置編碼、聲音值、時(shí)間等，可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢需要的信息。通過(guò)云端，管理員可以監(jiān)控流量情況、設(shè)備狀態(tài)，并能夠得到詳細(xì)的聲音數(shù)值和變化狀態(tài)，以便進(jìn)行分析和管理。

流量監(jiān)控如圖 8 所示。

2 系統(tǒng)測(cè)試與分析

將設(shè)備分別置于圖書(shū)館、自習(xí)室中進(jìn)行架設(shè)測(cè)試并分析。

在圖書(shū)館區(qū)域，設(shè)備可以嵌入到書(shū)架中，與書(shū)架融為一體，達(dá)到較好的效果。自習(xí)室環(huán)境下，設(shè)備最理想的安裝位置位于桌面中部區(qū)域，架設(shè)時(shí)需要對(duì)現(xiàn)有桌面進(jìn)行改造，以實(shí)現(xiàn)理想的效果，架設(shè)存在一定的難度。設(shè)備架設(shè)在書(shū)架與書(shū)桌上的效果如圖 9 所示。

實(shí)際測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，設(shè)備架設(shè)完畢后，只需略加調(diào)試便可較好地實(shí)現(xiàn)聲音的監(jiān)測(cè)及提醒。參與測(cè)試的學(xué)生對(duì)這種新穎的提醒方式表現(xiàn)出了極大的熱情和認(rèn)同。實(shí)地測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)部分問(wèn)題需要進(jìn)一步改進(jìn) ：

（1）電機(jī)采用剛性固定殼體及桌面書(shū)架連接，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)容易引起共振，使震動(dòng)聲音擴(kuò)大，造成噪音的二次污染。

（2）由于麥克風(fēng)的聲音采集具有一定的指向性，單個(gè)麥克風(fēng)會(huì)出現(xiàn)聲音采集的盲區(qū)，因此需要布置多個(gè)麥克風(fēng)來(lái)保證聲音采集的有效性，使設(shè)備不會(huì)漏采某方向的聲音。

（3）有些聲音雖然音量較大，但是比較低沉，且頻率不高，不會(huì)對(duì)其他人造成太大困擾，是否可以針對(duì)聲音頻率進(jìn)行改善等問(wèn)題值得探討。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款自然且人性化的噪音提醒裝置，創(chuàng)新融合了藝術(shù)和科學(xué)技術(shù)。通過(guò)實(shí)地測(cè)試能夠較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，完成噪音檢測(cè)、數(shù)據(jù)收集、智能提醒，進(jìn)行廣泛的噪音監(jiān)控和管理。該系統(tǒng)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，有利于未來(lái)大規(guī)模布設(shè)和使用，擁有廣闊的應(yīng)用前景。