CN102636248B - 交通环境振动嵌入式快速定量评价方法与系统 - Google Patents

Abstract

交通环境振动嵌入式快速定量评价方法与系统。采用一组智能传感器节点布置在测试地点采集交通环境振动数据，每个节点在内部完成交通环境振动评价，并将结果实时显示出来。这些测试地点构成一个传感器网络，每个节点通过内部时钟校准完成时间同步，统计所有测试地点的评价结果得到不同距离，不同土层，不同结构因素对振动传播影响。所述测试地点位于按照要求布置在振动源以及由振动源引起的振动敏感地点，或也布置在行进的公共交通车辆上，每个节点均设垂直、水平方向上的模拟加速度传感器，经信号调理器和模数转换器及可编程抗混叠滤波器后输出。本发明安装方便，测试精准。

Description

交通环境振动嵌入式快速定量评价方法与系统

技术领域

本发明涉及嵌入式系统编程技术领域，具体是一种基于智能传感器技术的交通环境振动嵌入式快速定量评价方法与系统。

背景技术

随着城市建设的迅猛发展，地铁、道路、高架桥逐步深入到城市中的居民点、商业中心和工业区。这些基础设施在给公众带来便捷的同时，也会给公众带来无休止的交通环境振动，严重影响着公众的生活质量和身体健康。因此，必须采取有效的环境振动监测手段来快速定量的评价环境振动噪声，从而有针对性地控制交通环境振动。

传统的交通环境振动监测采用有线连接的方式采集数据，采集设备庞杂且线缆铺设易影响交通设施的正常运营，因此很难普及应用。现今常用最简单的替代方法是使用无线通信技术，但是大多数无线通信技术在交通环境振动评价中的应用还不够完善，往往存在评价系统搭建过程繁杂，通信距离短，通信丢包严重，抗干扰性差，数据精度较低等一系列问题，甚至会出现无法通信的情况。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种交通环境振动嵌入式快速定量评价方法与系统，满足安装便捷，操作简单，测试精度高、范围广，不影响交通设施正常运营等要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：交通环境振动嵌入式快速定量评价方法，其特征是采用一组智能传感器节点布置在测试地点采集交通环境振动数据，每个节点在内部完成交通环境振动评价，并将结果实时显示出来。这些测试地点构成一个传感器网络(一组智能传感器节点)，每个节点通过内部时钟校准完成时间同步，统计所有测试地点的评价结果得到不同距离，不同土层，不同结构因素对振动传播的影响。评价结果供运营管理部门参考并及时采取措施改善交通振动环境。所述测试地点位于按照要求布置在振动源以及由振动源引起的振动敏感地点，或也布置在行进的公共交通车辆上，每个节点均设垂直、水平方向上的模拟加速度传感器，经信号调理器和模数转换器及可编程抗混叠滤波器后通过环境振动输出接口输出；环境振动评价包括以下步骤：

第一步：每个节点数据采集前的参数配置，包括采样率、截止频率、内部时钟、采样时间设置；

第二步：采集环境振动数据和传感器的温漂数据，数据存储在FLASH内部，并利用温漂数据进行校准，公式如下，

V_T＝R_T[(500μA)+(1.5μA)*(T-25)]

式中，500μA为25℃时SD1221温度补偿输出端口的输出电流，1.5μA为输出电流随温度(每℃)变化的系数，R_T将电流值转换为电压值。因此，可以得出输出电压随温度的变化关系，公式如下，

ΔV_T＝R_T*(1.5μA)*ΔT

利用电压随温度的变化关系对振动数据进行校准，可以获得更加精准的结果；

第三步：对FLASH内部数据进行滤波，提取对人体或者建筑物影响最为关键的频段(小于80Hz)的数据；

第四步：根据滤波后的数据计算振动加速度级，公式如下，

$L_a=20\lg \frac{\stackrel{\‾}{a}}{a_0}$

式中a₀为基准加速度(取为10^-6m/s²)，

为加速度有效值，其定义为，

$\stackrel{\‾}{a}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2}{N}}$

式中a_i为采样时间内的每个加速度值(m/s²)，N为采样个数，其值等于采样时间和采样率的乘积；

第五步：由于交通环境振动往往呈现不规则变动的情况，因此需要用不同的振级出现的概率或累积概率来评价环境振动。累计百分振级L_n％满足如下条件，M/N＝n％，(L_a＞L_n％)

其中，M表示L_a＞L_n％时的采样个数，N为总采样个数；

第六步：评价结果显示在终端智能节点LCD屏幕上。

利用嵌入式编程，在根据环境振动评价方法进行嵌入式编程的每个节点内计算振动等级。嵌入式编程采用实时评价方法，通过内部时钟校准完成时间同步，统计所有测点的评价结果得到振动在不同距离，不同土层，不同结构等因素下的传播规律。

嵌入式编程，在根据环境振动评价方法进行嵌入式编程的每个节点内计算振动等级。且自带温度补偿模块，用来消除采集过程中的温漂影响。

交通环境振动嵌入式快速定量评价系统，其特征是智能传感器节点包括供电单元、处理及存储单元，数据采集单元以及控制及显示单元。智能传感器节点采用便携式电源供电，数据采集单元包括精密电源转换器，垂直、水平方向上的低噪声模拟加速度传感器，信号调理器，16位4通道模数转换器，可编程抗混叠滤波器以及环境振动输出接口。

智能传感器节点采用便携式电源供电。

各模块元器件均采用低功耗的微型电子元器件，可以满足长时间工作，同时体积非常小，易于安装，更换快捷。处理器可工作在低频(13MHz)低功耗或者高频(416MHz)高功耗。存储器由256KB SRAM、32MB SDRAM以及32MB FLASH组成。

所述的数据采集单元包括精密电源转换器，垂直、水平方向上的低噪声模拟加速度传感器，信号调理器，16位模数转换器，可编程抗混叠滤波器以及环境振动输出接口。垂直方向和水平方向上的振动测量均采用SD1221加速度传感器，该传感器测量范围为-2g到+2g，灵敏度为2000mv/g，噪声密度为5μg/√Hz，频响0～400Hz，且内部自带温度补偿模块，用来消除采集过程中的温漂影响。

本发明的有益效果是：

1、系统体积小，安装便捷，无需现场拉线，易于安装且不影响交通设施的正常运营。

2、嵌入式编程后的智能传感器节点有强大的处理器及大容量的非易失性存储器，可快速对大量数据进行最优化处理，节省计算时间。

3、环境振动评价方法嵌入到智能传感器节点中，可直接得出评价结果。

4、一组智能传感器节点构成的传感器网络部署在各个振动敏感点，可同时评价各种因素对环境振动噪声传播的影响。

5、系统可满足不同交通环境振动测试的需求，另外还提供可扩展模拟I/O接口，扩展性高。

6、传感单元配置了温漂自校准功能，有效抑制了由于温度影响产生的数据偏移，保证了系统的测试精准度。

附图说明：

图1是本发明的系统工作流程图；

图2是本发明数据采集单元结构图；

图3是本发明测量的地铁列车运行过程中的振动源信号；

图4是本发明测量的地铁站敏感点的环境振动信号；

图5是本发明的智能传感器节点结构图；

图6是本发明的智能传感器节点内部运算流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做详细阐述，但本系统应用范围不限于此例。

结合图1，交通环境振动以弹性波的形式在地基、基础、工程结构体中传播，产生振动以及相应的次生噪声，影响到附近居民的工作、生活质量以及周围建筑物的结构安全。一般来讲，振动传播规律较为复杂且具有地域性，理论分析无法很好地评价环境振动噪声。因此，本系统采用一组智能传感器节点部署在振动源处以及振动敏感点，采集交通环境振动噪声。一方面，对振动源进行测量，可以了解振动源的振动方向和大小，频谱和时间特性等振动评价参数，为管理和治理振动源提供科学依据。另一方面，对敏感点进行测量，每个智能传感器节点均可以评价出此处环境振动等级，继而根据振动源数据，统计出不同距离，不同土层，不同结构等因素对振动传播的影响。

各评价结果和统计结果可供管理部门参考，以便及时对振动污染源进行有针对性的控制。

结合图2，数据采集单元包括精密电源转换器，垂直、水平方向上的低噪声模拟加速度传感器，信号调理器，16位4通道模数转换器，可编程抗混叠滤波器以及环境振动输出接口。因为测试对象的振动幅度往往比较小，因此采集电路必须考虑足够高的精度。首先，精密电源转换器(MAX8878专有芯片)提供低噪声的电源以防止给加速度传感器引入额外的噪声。其次，垂直方向和水平方向上的振动测量均采用SD1221加速度传感器，该传感器测量范围为-2g到+2g，灵敏度为2000mv/g，噪声密度为5μg/√Hz，频响0～400Hz，且内部自带温度补偿模块，用来消除采集过程中的温漂影响(0.4mg/℃)。再次，通过信号调理器用来保证模块之间的阻抗匹配以减少信号衰减。最后，通过16位的模数转换器以及可编程抗混叠滤波器来提高整个数据采集单元的测量精度。可编程抗混叠滤波器可根据实际情况设定不同截止频率以满足不同测试需求，此设定无需硬件更改，只需软件配置即可。另外，两个方向的模拟传感器占据了模数转换器的两个通道，另外的通道还可作为扩展用途。综合上述内容，可得理论计算精度Sa如下：

$\mathrm{Sa}=\frac{a_{\mathrm{range}}}{2^{16}}=0.061\mathrm{mg}$

图3和图4分别为利用数据采集单元测量的地铁列车运行过程中的振动源原始信号(地铁列车内部)和传播到地铁站内的环境振动原始信号。可以看出，数据采集单元的精度完全可以满足交通环境振动信号的测量需求。从图3和图4可以大致看出，环境振动噪声在传播过程中会随传播距离增加而规律性衰减。

结合图5，智能传感器节点由便携式供电单元，处理器(Intel XScale内核)及存储单元(SRAM+SDRAM+FLASH)，数据采集单元以及控制及显示单元组成。智能传感器节点采用便携式电源供电，各模块元器件均采用低功耗的微型电子元器件，可以满足长时间工作，同时体积非常小，易于安装，更换快捷。处理器可工作在低频(13MHz)低功耗或者高频(416MHz)高功耗。一方面，工作在高频可以满足采样率要求比较高的场合；另一方面，如果需求比较低，也可切换到低功耗以节省能量。存储器包括易失性存储器和非易失性存储器，易失性存储器由256KB SRAM和32MB SDRAM组成，非易失性存储器由32MB FLASH组成，这样的配置一方面保证了数据处理速度，另一方面保证了采集到的数据可以存储在FLASH里以供环境振动评价分析。另外，PXA271提供了对扩展LCD的支持，这种技术允许处理器支持24位真彩色的LCD屏幕，同时其包括的256KB SRAM帧缓冲可以保证屏幕可以高速正常地显示图像。输出结果可以通过控制及显示模块LCD屏显示。采集参数可以通过控制按钮来调节，包括截止频率，内部时钟，采样时间等。

结合图6，智能传感器节点内部完成交通环境振动评价，主要分为以下步骤。

第一步：每个节点数据采集前的参数配置，包括采样率、截止频率、内部时钟、采样时间设置等；

第二步：采集环境振动数据和传感器的温漂数据，数据存储在FLASH内部，并利用温漂数据进行校准，公式如下，

V_T＝R_T[(500μA)+(1.5μA)*(T-25)]

式中，500μA为25℃时SD1221温度补偿输出端口的输出电流，1.5μA为输出电流随温度(每℃)变化的系数，R_T将电流值转换为电压值。因此，可以得出输出电压随温度的变化关系，公式如下，

ΔV_T＝R_T*(1.5μA)*ΔT

利用电压随温度的变化关系对振动数据进行校准，可以获得更加精准的结果。

第三步：对FLAHS内部数据进行滤波，提取对人体或者建筑物影响最为关键的频段(小于80Hz)的数据；

第四步：根据滤波后的数据计算振动加速度级，公式如下，

$L_a=20\lg \frac{\stackrel{\‾}{a}}{a_0}$

式中a₀为基准加速度(取为10-6m/s2)，

为加速度有效值，其定义为，

$\stackrel{\‾}{a}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2}{N}}$

式中a_i为采样时间内的每个加速度值(m/s²)，N为采样个数，其值等于采样时间和采样率的乘积。

第五步：由于交通环境振动往往呈现不规则变动的情况，因此需要用不同的振级出现的概率或累积概率来评价环境振动。累计百分振级L_n％满足如下条件，

M/N＝n％(L_a＞L_n％)

其中，M表示L_a＞L_n％时的采样个数，N为总采样个数。

第六步：将评价结果显示在终端智能节点LCD屏幕上。

本评价方法编制成代码嵌入到智能传感器节点中，可直接显示各敏感点评价结果。根据多个智能节点评价结果可以统计得到不同距离、不同位置、不同结构形式的振动传播规律，判别各种因素对环境振动噪声传播的影响。

Claims (4)

1.交通环境振动嵌入式快速定量评价方法，其特征是采用一组智能传感器节点布置在测试地点采集交通环境振动数据，每个节点在内部完成交通环境振动评价，并将结果实时显示出来；这些测试地点构成一个传感器网络即一组智能传感器节点，每个节点通过内部时钟校准完成时间同步，统计所有测试地点的评价结果得到不同距离，不同土层，不同结构因素对振动传播的影响；所述测试地点位于按照要求布置在振动源以及由振动源引起的振动敏感地点或加上在行进的公共交通车辆上，每个节点均设垂直、水平方向上的模拟加速度传感器，模拟加速度传感器的输出经信号调理器和模数转换器及可编程抗混叠滤波器后通过环境振动输出接口输出；环境振动评价包括以下步骤：

第一步：每个节点数据采集前的参数配置，包括采样率、截止频率、内部时钟、采样时间设置；

第二步：采集环境振动数据和传感器的温漂数据，数据存储在FLASH内部，并利用温漂数据进行校准，公式如下,

V_T＝R_T[(500μA)+(1.5μA)*(T-25)]

式中，500μA为25℃时SD1221温度补偿输出端口的输出电流，1.5μA为输出电流随温度每摄氏度变化的系数，R_T将电流值转换为电压值；因此得出输出电压随温度的变化关系，公式如下，

ΔV_T＝R_T*(1.5μA)*ΔT

利用电压随温度的变化关系对振动数据进行校准，能够获得更加精准的结果；

第三步：对FLASH内部数据进行滤波，提取对人体或者建筑物影响最为关键的频段，即小于80Hz的数据；

第四步：根据滤波后的数据计算振动加速度级，公式如下,

$L_a=201g\frac{\stackrel{-}{a}}{a_0}$

式中a₀为基准加速度、取为10^-6m/s²,

为加速度有效值，其定义为，

$\stackrel{-}{a}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2}{N}}$

式中a_i为每次加速度值m/s²，N为采样个数，其值等于采样时间和采样率的乘积；

第五步：由于交通环境振动往往呈现不规则变动的情况，因此需要用不同的振级出现的概率或累积概率来评价环境振动；累计百分振级L_n%满足如下条件，M/N＝n%，L_a＞L_n%

其中，M表示L_a＞L_n%时的采样个数，N为总采样个数；

第六步：评价结果显示在终端智能节点LCD屏幕上。

2.根据权利要求1所述的交通环境振动嵌入式快速定量评价方法，其特征是嵌入式编程，在根据环境振动评价方法进行嵌入式编程的每个节点内计算振动等级；采用实时评价方法，通过内部时钟校准完成时间同步，统计所有测点的评价结果得到振动在不同距离、不同土层和不同结构因素下的传播规律。

3.实现如权利要求1所述的交通环境振动嵌入式快速定量评价方法的交通环境振动嵌入式快速定量评价系统，其特征是智能传感器节点包括供电单元、包括FLASH的处理及存储单元，数据采集单元以及控制及显示单元；智能传感器节点采用便携式电源供电，数据采集单元包括精密电源转换器，垂直、水平方向上的低噪声模拟加速度传感器，信号调理器，16位4通道模数转换器，可编程抗混叠滤波器以及环境振动输出接口；各单元均采用低功耗的微型电子元器件。

4.根据权利要求3所述的交通环境振动嵌入式快速定量评价系统，其特征是实时评价通过内部时钟校准完成时间同步，统计所有测点的评价结果得到振动在不同距离、不同土层和不同结构因素下的传播规律。

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