CN102183294B - 基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统，它主要由噪声监测控制装置和一个以上终端噪声监测装置；所述终端噪声监测装置与噪声监测控制装置通过无线通信方式连接。本发明可以用于城市环境噪声监控，具有广泛的应用前景。噪声强度分析在各终端噪声监测装置分散式进行，降低噪声监测控制装置的处理压力和系统通信开销，减少了系统数据处理延迟和传输延迟实现了噪声监测的实时性；ZigBee噪声监测网络具有自组织特性，终端噪声监测装置非常容易加入网络，对于系统容量拓展非常方便。

Description

基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统

技术领域

本发明涉及一种ZigBee技术和环境噪声监测系统，属于无线通信领域。

背景技术

环境噪声作为一种直接影响人类生存健康的重要环境因子，日益引起人们的注意。噪声对人体健康产生不利影响，严重干扰人们的生活、休息和睡眠。噪声的干扰容易使人疲劳，注意力分散，严重影响生产安全和工作效率。高强度的噪声甚至会对建筑结构和物体产生物理破坏。因此，对环境噪声的测量对于监测控制噪声污染，改善人类生存环境具有积极的意义。

随着无线通信技术的发展，各种无线通信技术已被广泛应用到环境噪声的测量中。目前常见的无线通信方式主要有GSM、GPRS、3G、红外技术、Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee、UWB等技术。其中，GSM/GPRS/3G技术成熟，但应用于环境噪声实时监测系统中需要支付额外的通信费用；红外技术实现简单，设备价格低，但通信距离短，受视距限制不适用于布设范围广的环境噪声实时监测系统；Wi-Fi技术具有易于安装，所需接入点少的优点，但是能耗相对ZigBee技术而言较高且易受环境干扰，不适用于需要长时间持续工作的环境噪声实时监测系统；蓝牙技术的设备体积小，但存在通信距离短、能耗高等缺点，不适用于布设范围广且需要长时间持续工作环境噪声实时监测系统；UWB技术虽然传输速率较高且能耗较低，但同样存在通信距离短等缺点，不适用于布设范围广的环境噪声实时监测系统。

而ZigBee技术作为一种低速率、低成本、低功耗、低复杂度的无线通信技术，目前在自动仪表领域引起了极高的关注度 。首先，ZigBee技术功耗低和综合成本低的优点是其适用于所述的一种基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统的最大优势；其次，ZigBee技术具有自动组网功能，能够方便的实现新节点加入网络和旧节点退出网络并自动形成新的网络拓扑结构，这一优点也方便了所述的一种基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统中所述的终端噪声监测装置在噪声监测网络中的增删与移动；此外，ZigBee技术通信距离较长，视距传输距离可达100米，经功率放大后通信半径可达500米，特别适合应用于布设于大区域的所述的一种基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统中所述的终端噪声监测装置之间的数据多跳传输。

目前，环境噪声无线实时监测系统尚未用到ZigBee技术，而现有的环境噪声监测系统通常存在监测实时性差，无法应对突发性噪声污染等缺点，无法保证系统的持续不间断工作，特别是当需要增加或移动终端噪声监测装置时需要进行复杂的网络配置等缺点。当面临越来越普遍的大区域多点实时全天候噪声测量的需求时，传统的环境测量系统已经无法高效成功地完成任务。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统，它包括噪声监测控制装置和一个以上终端噪声监测装置，所述噪声监测控制装置包括依次电连接的第一ZigBee通信模块、串口通信模块和监测报警模块，所述监测报警模块包括数据存储模块、阈值判断模块、报警模块和显示模块，所述数据存储模块、阈值判断模块和报警模块依次连接，所述显示模块与数据存储模块连接；所述串口通信模块与所述数据存储模块连接；所述终端噪声监测装置包括电源模块以及依次电连接的声/电信号转换模块、信号调理模块、模拟/数字转换模块、数字噪声信号处理模块和第二ZigBee通信模块，所述电源模块分别与声/电信号转换模块、信号调理模块、模拟/数字转换模块、数字噪声信号处理模块和第二ZigBee通信模块电连接；所述第一ZigBee通信模块与第二ZigBe通信模块通过无线通信方式连接。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

1．本发明采用了低功耗的ZigBee无线通信技术实现了所述的一种基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统噪声监测的实时性和长时间持续不间断工作。

2．本发明采用了分散式噪声信号处理和噪声级数分析方法避免了集中进行噪声信号处理和分析给所述的噪声监测控制装置带来的运算压力，并提高了噪声信号处理和分析的效率，大大节约了数据处理时间。通过分散式噪声信号处理和噪声级数分析后，再传输以分贝为单位的噪声强度数据，减少了传输的数据量，减轻了噪声监测网络的通信负担。

3．本发明所述的噪声监测控制装置和各终端噪声监测装置之间通过ZigBee无线通信的方式组成的无线自组织网络具有良好的开放性和自适应性，新的终端噪声监测装置能够方便的加入原有的噪声监测网络，噪声监测网络中的终端噪声监测装置退出网络时，剩余的终端噪声监测装置能够通过多跳的方式自动寻找新的路由而不影响噪声监测数据的上传。

附图说明

图1是基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统整体模块示意图；

图2是终端噪声监测装置内部功能模块示意图；

图3是放大器电路图；

图4是基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统的功能示意图；

图5是基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统的网络结构示意图；

图6是基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统的网络建立过程示意图；

图7是终端噪声监测装置加入网络的流程图；

图8是终端噪声监测装置数据收发的流程图。

具体实施方式

本发明将ZigBee无线通信技术和分散式处理的思想应用到环境噪声监测系统中，以提高环境噪声监测系统监测的实时性和持续性，研制一个基于ZigBee技术，能够实现无线、实时、持续工作的环境噪声监测系统。该系统能够降低噪声监测人力成本，而且噪声监测网络的自组织性和多跳性为系统的拓展与调整提供了较高的灵活性，降低了系统维护成本。下面结合图1至图8对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统主要由一个噪声监测控制装置和若干个终端噪声监测装置组成。所述噪声监测控制装置包括依次电连接的第一ZigBee通信模块、串口通信模块和监测报警模块，所述监测报警模块包括数据存储模块、阈值判断模块、报警模块和显示模块，所述数据存储模块、阈值判断模块和报警模块依次相连；所述串口通信模块与所述数据存储模块连接；所述噪声监测控制装置和各终端噪声监测装置之间通过ZigBee无线通信连接。图中所述终端噪声监测装置1、终端噪声监测装置2、终端噪声监测装置n表示若干个布设于不同位置的终端噪声监测装置，且每个终端噪声监测装置具有相同的结构。

如图1所示，所述噪声监测控制装置中所述第一ZigBee通信模块采用Texas Instruments公司生产的CC2431无线通信芯片，主要用于接收来自所述终端噪声监测装置传送的噪声信号；所述串口通信模块采用Maxim公司生产的max3232芯片，用于实现第一ZigBee通信模块和监测报警模块的数据的传输；所述监测报警模块主要用于存储和实时显示各个终端噪声监测装置监测的噪声级数情况，并对超过阈值范围的噪声级数信号进行报警提示；其中数据存储模块采用Microsoft SQL Server建立一个存储噪声监测数据的数据库；其中显示模块采用Visual C++编写实现噪声监测数据实时显示的功能；其中阈值判断模块采用Visual C++编写实现对噪声监测数据是否超出警戒阈值上限的判断；其中报警模块采用HXD蜂鸣器发出蜂鸣的方式提醒监测人员发生噪声超标。

如图2所示，终端噪声监测装置包括电源模块以及依次电连接的声/电信号转换模块、信号调理模块、模拟/数字转换模块、数字噪声信号处理模块和第二ZigBee通信模块，所述电源模块分别与声/电信号转换模块、信号调理模块、模拟/数字转换模块、数字噪声信号处理模块和第二ZigBee通信模块电连接。

如图2所示，所述终端噪声监测装置中所述电源模块采用四节5号电池为终端噪声监测装置的各个模块提供电能；所述声/电信号转换模块采用嘉兴恒生电子有限公司生产的HS14423型电容式传声器，用于将声音信号转换为电信号；所述信号调理模块包括依次电连接的嘉兴恒生电子有限公司生产的HS14613型前置放大器、如图3所示的放大器电路和Maxim公司生产的Max7410型专用集成抗混叠滤波器，将声/电信号转换模块转换后的电信号进行初步的调理以达到与后续电路阻抗匹配的要求，同时进行抗混叠滤波滤除干扰频率；所述模拟/数字转换模块采用Analog Devices公司生产的16位的AD536芯片，用于将模拟电信号转换为数字信号，该模块输出的数字信号输入到所述数字噪声信号处理模块；所述数字噪声信号处理模块采用Texas Instruments公司生产的TMS320VC5509芯片，主要用于将经前端模拟/数字转换模块转换后得到的数字信号进行噪声信号的分析和处理得到分贝为单位的噪声级数；所述第二ZigBee通信模块采用Texas Instruments公司生产的CC2431无线通信芯片，主要负责将所述数字噪声信号处理模块处理得到的噪声级数传送到所述噪声监测控制装置。

本发明所采用的ZigBee无线通信技术因为其低功耗和综合成本低的因素常常用于自动检测仪表中，如上所述本发明的其它部分也综合考虑了低功耗的因素进行设计和选型，力求整个系统具有低功耗的特点。由于整体具备的低功耗特点，该系统能够实现对噪声监测区域全天候持续不间断的监测，保证了整个系统噪声监测工作的实时性。

如图3所示的放大器电路中选择Maxim公司生产的OP07集成运算放大器作为该部分电路的核心模块，该器件满足放大电路精度高、温漂小，电路线性度和对称度高的特点。前置放大器输出的电压作为发达器电路的输入电压Vin，Rp为平衡电阻，Rf为反馈电阻，，R1为电路保护电阻，C1为稳压电容，Vout为放大器电路输出电压。所述放大器电路主要用于发大信号用于驱动后续电路。

如图4所示为基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统实现噪声实时监测的功能示意图。

如图4所示，声音传感器将声音信号转换为电信号，本发明的声音传感器选用的是电容式声音传感器，由于采用的电容式声音传感器的电容量很小，内阻很高，因此在电容式声音传感器之后需要设置一个前置放大器电路，实现对电容式传感器的阻抗变换，达到与后续电路阻抗匹配的目的。

如图4所示，所述的信号调理模块包括前置放大器、放大器和抗混叠滤波器：前置放大器负责在声音传感器和后续电路之间进行阻抗匹配；由于声音信号经过电容式声音传感器输出的电信号比较微弱，且前置放大主要为了实现阻抗匹配其输出电信号还不足以推动后续的滤波电路等，因此采用放大器电路对电信号加以放大；抗混叠滤波器的选择需要综合考虑截止频率、系统阻抗特性、系统稳定性等因素，从而实现对噪声信号进行快速和准确的分数倍频分析的目的。

如图4所示，由于信号调理模块电路输出的是模拟电信号，而数字信号处理模块处理的是数字信号，因此需要在信号调理模块和数字信号处理模块之间增加A/D转换电路(模拟/数字转换电路)，将信号调理模块输出的模拟信号转换为数字信号输入数字信号处理模块。

如图4所示，数字噪声信号处理模块包括依次进行的时间计权，数字滤波频率计权，ZOOM-FFT，1/3倍频程频谱分析。所述时间计权是对瞬时声压的平方进行计权，反映了噪声监测系统对噪声信号的瞬间处理能力；所述数字滤波频率计权是设计一个在不同频率处的衰减值满足规定指标要求的数字滤波器，对数字信号在时域进行计权，数字滤波频率计权精度高，而且可以减少大量的运算量，具有较高的处理效率；所述ZOOM-FFT是在FFT(快速傅里叶变换)基础上频谱分辨率更高动态范围更大的频谱分析方法，能够对指定的频谱区域进行谱线密度局部细化分析；所述1/3倍频程频谱分析是一种基于多抽样率原理的频谱分析方法，通过1/3倍频程频谱分析能够对噪声信号的能量分布情况进行全面的了解能够弥补单纯用强度进行噪声级数衡量的不足，将1/3倍频程频率分析和所述数字滤波频率计权方法结合在一起使用能够大大简化急速复杂度和避免频谱泄露的问题。整个数字噪声信号处理模块处理完后输出以分贝为单位的噪声级数。所述数字噪声信号处理模块输出的噪声级数最终经过第二ZigBee通信模块的压缩编码通过无线射频的方式发送出去。

如图4所示，所述噪声监测控制装置部分包括第一ZigBee通信模块，RS232串口通信模块和监测报警模块。所述噪声监测控制装置的第一ZigBee通信模块接收来自所述终端噪声监测装置的第二ZigBee通信模块发送来的噪声级数据，并通过解压缩解码过程重新得到以分贝为单位的噪声级数；所述RS232串口通信模块实现第一ZigBee通信模块和监测报警模块之间的数据通信，将第一ZigBee通信模块解码出来的噪声级数数据传输到监测报警模块，供监测报警模块存储处理；所述监测报警模块包括数据存储模块、阈值判断模块、报警模块和显示模块，所述数据存储模块、阈值判断模块和报警模块依次连接，所述显示模块与数据存储模块连接；所述数据存储模块负责存储来自各个终端噪声监测装置的噪声监测信息，便于以后的查询需要；所述显示模块主要在计算机屏幕上实时显示各个终端噪声监测装置所监测区域的噪声数据；所述阈值判断模块将即时的噪声监测数据与给定的噪声级数上限进行判断比较，当超出上限时阈值判断模块给所述报警模块发送报警信号；所述报警模块当接收到来自阈值判断模块的报警信号后驱动蜂鸣器提醒工作人员。

如上所述，在所述终端噪声监测装置采用具有快速噪声信号分析能力的数字信号处理模块，因而各个终端噪声监测装置可以独立对各自监测区域采集的噪声监测信号马上进行快速的噪声级数分析，采用上述分散式噪声信号处理和噪声级数分析的方法具有以下三点优点：

(1). 不仅避免了噪声信号处理和噪声级数分析都由噪声监测控制装置进行造成的对噪声监测控制装置处理能力和运算能力负担过大的缺点，而且大大节约了系统数据分析时间，减少了系统数据处理延时；

(2). 避免了传输原始噪声信号对噪声监测网络数据传输能力压力过大的缺点，经过分散式噪声信号处理后得到的噪声级数数据大大减轻了网络的通信负载，减少了系统传输延时；

(3). 保证了噪声监测网络的实时性：通过分散式噪声信号处理和噪声级数分析不仅提高了噪声分析的效率降低了信号处理延时，而且传输噪声级数也大大减小了数据传输量降低了传输延时，从两方面确保了所述基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统噪声监测结果的实时性。

如图5所示，所述基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统的网络结构采取点对点对等拓扑网络。图中五角星代表噪声监测控制装置，它作为网络的协调器，负责整个噪声监测网络的管理工作；三角形代表终端噪声监测装置，这部分终端噪声监测装置能够与噪声监测控制装置直接通信，同时还作为那些由于距离太远不能与噪声监测控制装置直接通信的终端噪声监测装置与噪声监测控制装置进行间接通信的路由器；圆形代表那些不能与噪声监测控制装置直接通信的终端噪声监测装置。

所述基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统采用所述点对点对等拓扑网络最大的特点就是：点对点对等拓扑网络允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据，并且它具有自组织、自修复的Ad-hoc组网能力。

所述的多跳路由是指所述各终端噪声监测装置在进行噪声级数上传的过程中能够通过多跳的方式，自动选择最佳路由最终将信息传送到超出直接通信距离的所述的噪声监测控制装置。所述多跳路由的方式通过如下途径实现：因为所述终端噪声监测装置分布范围较广，而ZigBee无线通信模块的通信距离有限无法保证所有的终端噪声监测装置的通信半径都能够覆盖到噪声监测控制装置，因此有一部分通信半径无法发改道噪声监测控制装置的终端噪声监测装置就无法与噪声监测控制装置直接通信。如图5所示，在点对点对等拓扑网络中这些终端噪声监测装置可以通过选择与它邻近终端噪声监测装置，先将数据传传输到邻近的终端噪声监测装置，邻近的终端噪声监测装置再将数据传输到噪声监测控制装置，如果仍然无法直接通信，则重复上述过程最终通过多跳的方式逐跳地将噪声监测数据传输到噪声监测控制装置。

所述Ad-hoc组网能力是指所述的噪声监测控制装置和各终端噪声监测装置之间的网络具有自组织性，在噪声监测网络中可以方便的进行所述终端噪声监测装置的增加、减少和移动，网络节点变化后能够自动组成新的网络无须人工重新设置。所述具有自组织、自修复的Ad-hoc组网能力通过如下途径实现：所述终端噪声监测装置可能会由于电源耗尽、损坏或者因为不需要继续监测工作等原因需要退出所述基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统的点对点对等拓扑网络，也存在可能因更换好电源或者新增终端噪声监测装置等需要加入所述点对点对等拓扑网络，在上述终端噪声监测装置退出或加入点对点对等拓扑网络过程均体现自组织、自修复性能。当有新节点加入过程时，基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测网络能够快速检测到新节点的存在，并在网络节点未超过网络容量的前提下分配给新节点一个网络地址，这样新节点就成功的加入网络了；当旧节点退出网络时，若该节点在网络拓扑结构中为终端设备则网络无须调整，若该节点为起路由作用的节点时其子节点自动寻找能够到达噪声监测控制装置的新的路由，自动形成新的拓扑结构。

如上所述，所述基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统采用所述点对点对等拓扑网络使噪声监测网络具有更好的灵活性、开放性和可拓展性。

如图6所示，所述噪声监测控制装置作为所述点对点对等拓扑网络的协调器负责基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测网络的建立过程。系统启动后，节点首先判断是否为协调器，若为协调器则经过监听后选择一个空闲的信道，确定信道后选择一个PANID(网络标号)用以与其它网络区分开从而避免冲突；然后协调器向周围节点广播信标帧，邻近的节点接收到信标帧后申请加入该网络，若协调器允许，则分配给该节点一个16位的网络地址，至此噪声监测网络建立成功。

如图7所示，当系统启动后，所述终端噪声监测装置首先判断是否已经加入网络，如果未加入网络再判断是否为孤儿节点。所谓孤儿节点，即曾经加入过网络并由协调器分配过网络地址，但当前与其父节点是去联系的节点。若是孤儿节点则向其父节点申请加入网络，若成功则重新得到原来分配的网络地址，重新加入网络。若不是孤儿节点或者向原父节点申请不成功则扫描网络重新请求加入网络，若成功则分配一个新的16位的网络地址，成功加入网络。

如图8所示，当终端噪声监测装置接收到一个数据包后首先判断是否是发给自己的，若是的话交由上层系统处理并反馈一个确认信号ACK，否则判断是否是自己的邻居节点的，若是则直接转发给邻居节点；若均不是则查找自己的路由表中是否有到达目的节点的路由有的话则根据路由表路由请求其它节点转发，若查不到路由则通知数据包的源节点，数据包源节点会重新选择新的路由发送。

为了保证所述基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统采集到最有效、最能够反映噪声污染情况的噪声数据，终端噪声监测装置要采取科学合理的布设方案。终端噪声监测装置的布设区域主要分为两类：一类是常见的噪声源比较集中的区域，例如火车站、工厂、建筑工地、道路、机场等，这些区域需要所述基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统提供能够准确反应噪声污染水平的噪声分析数据；另一类为要求环境相对安静的区域，如学校、医院、图书馆、居民小区等，这些区域对噪声的监测和管理能够有效的保障所需的安静环境。布设在城市不同区域的终端噪声监测装置最终通过所述多跳的无线通信方式将各自监测区域的噪声级数发送给噪声监测控制装置，噪声监测控制装置的数据存储模块按照噪声信息的来源存储各个噪声监测区域的噪声监测数据以便于统计分析和查询，同时显示模块负责将接收到的噪声监测数据实时的显示出来，阈值判断模块对接收到的噪声监测数据即时判断并根据阈值判断结果决定是否向报警模块发送报警信号，报警模块若接收到报警信号则通过蜂鸣器蜂鸣提醒工作人员。

如上详细说明，本发明通过采用低功耗的ZigBee技术保证了系统的全天候持续工作，采用分散式噪声信号处理和噪声级数分析的方法提高了噪声监测的实时性，通过采用基于ZigBee技术的点对点对等拓扑网络结构实现了数据的多跳传输和噪声监测网络的自组织性、自适应性。

Claims (1)

1.一种基于ZigBee技术的环境噪声无线实时监测系统，其特征在于：其网络结构采取点对点对等拓扑网络，所述环境噪声无线实时监测系统包括噪声监测控制装置和一个以上终端噪声监测装置，终端噪声监测装置由噪声监测控制装置分配网络地址而加入到所述点对点对等拓扑网络中，所述噪声监测控制装置包括依次电连接的第一ZigBee通信模块、串口通信模块和监测报警模块，所述监测报警模块包括数据存储模块、阈值判断模块、报警模块和显示模块，所述数据存储模块、阈值判断模块和报警模块依次连接，所述显示模块与数据存储模块连接；所述串口通信模块与所述数据存储模块连接；所述终端噪声监测装置包括电源模块以及依次电连接的声/电信号转换模块、信号调理模块、模拟/数字转换模块、第二ZigBee通信模块和能够依次进行时间计权、数字滤波频率计权、ZOOM-FFT频谱分析、1/3倍频程频谱分析的数字噪声信号处理模块，所述电源模块分别与声/电信号转换模块、信号调理模块、模拟/数字转换模块、数字噪声信号处理模块和第二ZigBee通信模块电连接；所述第一ZigBee通信模块与第二ZigBee通信模块通过无线通信方式连接；

在所述点对点对等拓扑网络中，所述终端噪声监测装置通过选择与它邻近的终端噪声监测装置，先将数据传输到邻近的终端噪声监测装置，邻近的终端噪声监测装置再将数据传输到噪声监测控制装置；如果仍然无法直接通信，则通过多跳的方式逐跳地将噪声监测数据传输到噪声监测控制装置；

当终端噪声监测装置接收到一个数据包后，首先判断是否是发给自己的，若是，则交由上层系统处理并反馈一个确认信号，否则判断是否是自己的邻居节点的：

若是，则直接转发给邻居节点；若均不是，则查找自己的路由表中是否有到达目的节点的路由：若有，则根据路由表路由请求其它节点转发；若没有，则通知数据包的源节点，数据包源节点重新选择新的路由发送。

Images