CN103714827A - 基于声音信号检测的来车识别装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于声音信号检测的来车识别装置，包括声音采集放大模块、AD转换模块、信号分析处理模块、后续控制模块、电源模块，电源模块向声音采集放大模块、AD转换模块、信号分析处理模块和后续控制模块提供工作电源，声音采集模块将声音信号转化成模拟电压信号输出，输出端连接AD转换模块的输入端；AD转换模块将模拟电压信号转化成数字量输出，AD采样和转换时刻受信号分析处理模块控制；信号分析处理模块判断是否有汽车到来，控制AD转换模块进行AD转换，信号分析处理模块将指示信号输出给后续控制模块，执行相关操作。本发明尤其适用于车流量稀少、基础设施比较差的区域，以及智能公路的前期建设研究等；可以对路灯进行智能控制，环保节能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于声音信号检测的来车识别装置，属于检测领域。
背景技术
汽车作为一种现代交通工具，在日常生活中使用非常广泛。而汽车来车检测装置可以应用于高速公路、收费站、停车车库等地方用来统计车流量，还可以控制智能路灯等。传统的交通检测器是通过埋设唤醒线圈检测器或在交通要道处装设电视录像机的方式进行信号采集。第一种方式的缺点是需要对道路进行重新施工铺设，操作繁琐；第二种方式则需要将数据和画面传送至控制中心进行分析处理，增加了通信设备，设计较为复杂。两者的成本都很高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于声音信号检测的来车识别装置。
基于声音信号检测的来车识别装置，主要部分包括：声音采集放大模块、AD转换模块、信号分析处理模块、后续控制模块、电源模块，电源模块向声音采集放大模块、AD转换模块、信号分析处理模块和后续控制模块提供工作电源，
所述的声音采集模块主要由MIC和运算放大器组成，将声音信号转化成模拟电压信号输出，输出端连接AD转换模块的输入端；
所述的AD转换模块将模拟电压信号转化成数字量输出，AD采样和转换时刻受所述的信号分析处理模块控制，转换结果连接到信号分析处理模块的输入端；
所述的信号分析处理模块利用检测算法对输入信号进行分析处理从而判断是否有汽车到来，同时信号分析处理模块输出端与AD转换模块的控制输入端相连，控制AD转换模块进行AD转换，信号分析处理模块根据分析结果将指示信号输出给后续控制模块；
后续控制模块则根据输入指示信号执行相关操作。
所述的检测算法如下：每隔相同时间向AD转换模块输出启动转换信号触发AD转换模块开始采样和转换，AD转换模块转换完成后将转换结果发送给信号分析处理模块，信号分析处理模块将接收到的多个转换结果合成一个离散声音信号帧，信号分析处理模块接下来计算出该帧信号的短时能量，然后将计算出的短时能量与前一帧短时能量进行做差比较，如果差值为正且大于某一设定阈值1，特征参数一计数加1；如果差值为负且小于某一设定阈值2，特征参数二计数加1；如果以上两者都不满足则特征参数三计数加1；
由于有车到来时信号的短时能量会先变大后变小，特征参数一计数加1表示后面帧的短时能量相比于前面帧的短时能量增加，表示汽车驶来；特征参数二计数加1表示后面帧的短时能量相比于前面帧的短时能量减小，表示汽车驶离，特征参数三表示前后两帧短时能量相差不多，属于噪声干扰造成，表示当前没有汽车；
为了能够准确的识别汽车到来并且对其他噪声具有抗干扰能力，需要对三个特征参数进行判断以得到分析结果，如果特征参数一计数加1则认为有车从远处驶来，特征参数三的计数值无效，因此将特征参数三清零；如果特征参数二计数加1则认为有车向远处驶离，特征参数三的计数值无效，因此将特征参数三清零；如果特征参数三大于设定阈值3则表示之前一段时间没有汽车到来，此时特征参数一和特征参数二的计数结果均是由噪声产生，为无效计数，因此需要清零来重新计数，同时特征参数三也清零来重新计数；最后，如果特征参数一大于设定阈值4且特征参数二大于设定阈值5则判断有车到来，此时要将特征参数一、特征参数二、特征参数三全部清零重新计数，同时向后续控制模块发出指示信号；若不满足上述条件则不对3个特征参数进行修改，等待对下一帧进行分析处理。
所述的来车识别装置的应用，控制路灯的开关。
所述的来车识别装置的应用，进行道路车流量统计。
本发明的有益效果：提供了一种成本低、可靠性强的自主式车辆检测器，尤其适用于农村公路、远郊公路等车流量稀少、基础设施比较差的区域，以及智能公路的前期建设研究等；进一步可以对路灯进行智能控制，环保节能，降低交通事故，提高行人的安全。
附图说明
图1是本发明基于声音信号检测的来车识别装置的结构示意图；
图2是信号分析处理模块的算法流程图；
图3a 是基于所述信号分析处理模块算法的matlab软件输入离散声音信号图；
图3b 是基于所述信号分析处理模块算法的matlab软件声音信号的短时能量图；
图3c 是基于所述信号分析处理模块算法的matlab软件输出指示信号图;
图3d 是基于所述信号分析处理模块算法的matlab软件特征参数一图;
图3e 是基于所述信号分析处理模块算法的matlab软件特征参数二图;
图3f 是基于所述信号分析处理模块算法的matlab软件特征参数三图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
结合图1说明本发明的结构。
声音采集放大模块由MIC和运算放大器组成，主要功能是将声音信号转化成模拟电压信号输出。
AD转换模块接收到信号分析处理模块发出的启动转换信号后开始进行AD转换，将转换结果输出给信号分析处理模块。
信号分析处理模块对接收到的离散声音信号进行计算处理从而判断是否有车到来。该模块可以使用80C51或MSP430系列微处理器来实现，可以根据用户的经济能力和所处道路环境选择不同类型的微处理器。同时如果所使用的微处理器有AD转换功能，则可以使用其内部AD转换模块作为所述发明所述的AD转换模块。
信号分析处理模块工作原理：
结合图2说明信号分析处理模块的工作原理。其每隔相同时间间隔向AD转换模块输出启动转换信号触发AD转换模块开始采样和转换。AD转换模块转换完成后将转换结果发送给信号分析处理模块。信号分析处理模块将接收到的多个转换结果合成一帧离散声音信号。信号分析处理模块接下来计算出该帧信号的短时能量，然后将计算出的短时能量与前一帧短时能量进行做差比较，如果差值为正且大于某一设定阈值1，特征参数一计数加1；如果差值为负且小于某一设定阈值2，特征参数二计数加1；如果以上两者都不满足则特征参数三计数加1。
由于有车到来时信号的短时能量会先变大后变小，特征参数一计数加1表示后面帧的短时能量相比于前面帧的短时能量增加，表示汽车驶来；特征参数二计数加1表示后面帧的短时能量相比于前面帧的短时能量在减小，表示汽车驶离，特征参数三表示前后两帧短时能量相差不多，属于噪声干扰造成，表示当前没有汽车。
为了能够准确的识别汽车到来并且对其他噪声具有一定的抗干扰能力，需要对三个特征参数进行判断以得到有无汽车到来的指示信号。如果特征参数一计数加1则将特征参数三清零，如果特征参数二计数加1则将特征参数三清零。如果特征参数三大于设定阈值3则表示之前一段时间没有汽车到来，特征参数一和特征参数二的计数结果即均是由噪声产生，为无效计数，因此需要清零来重新计数，同时特征参数三也清零来重新计数。这样3个特征参数之间相互制约，从而提高检测准确率。最后，如果特征参数一大于设定阈值4且特征参数二大于设定阈值5则判断有车到来，此时要将特征参数一、特征参数二、特征参数三全部清零重新计数，同时向后续控制模块发出指示信号。若不满足上述条件则不对3个特征参数进行修改，等待对下一帧进行处理。
结合图3a-f说明本发明的一个实施实例：
根据信号分析处理模块使用的处理算法，使用matlab软件编写处理程序。将声音波形文件作为程序输入，执行程序后输出图3a-f所示的结果。图3a-f显示了程序执行过程中相关数据和变量的变化情况，其中包括信号分析处理模块的输入离散声音信号图3a、输出指示信号图3c、以及程序执行过程中的中间变量。中间变量包括声音信号的短时能量图3b、特征参数一图3d、特征参数二图3e、特征参数三图3f。从离散声音信号波形图和短时能量波形图均可以看出波形中间部分有一辆汽车经过，之后出现一个幅度很高的噪声尖峰干扰，但是从指示信号的输出波形图来看，只有当有车到来时才发出指示信号，而干扰信号被成功过滤掉，并没有影响指示信号输出结果。从而证明该算法具有较强的抗干扰能力。特征参数一、特征参数二、特征参数三的波形图显示：当汽车到来时特征参数一和特征参数二增加而特征参数三保持在较低水平，当特征参数一大于设定阈值4且特征参数二大于设定阈值5时发出有车到来的指示信号，同时3个特征参数清零重新计数。当没有汽车到来时特征参数三会以较快速度增加，达到阈值3后特征参数三清零并重新计数，同时将特征参数一和特征参数二的无效计数结果清零并重新计数，从而有效降低无车到来时特征参数一和特征参数二的无效积累达到阈值发出错误来车指示信号的概率，提高算法的抗干扰能力。
Claims (4)
1.一种基于声音信号检测的来车识别装置，其特征在于，它主要部分包括：声音采集放大模块、AD转换模块、信号分析处理模块、后续控制模块、电源模块，电源模块向声音采集放大模块、AD转换模块、信号分析处理模块和后续控制模块提供工作电源，
所述的声音采集模块主要由MIC和运算放大器组成，将声音信号转化成模拟电压信号输出，输出端连接AD转换模块的输入端；
所述的AD转换模块将模拟电压信号转化成数字量输出，AD采样和转换时刻受所述的信号分析处理模块控制，转换结果连接到信号分析处理模块的输入端；
所述的信号分析处理模块利用检测算法对输入信号进行分析处理从而判断是否有汽车到来，同时信号分析处理模块输出端与AD转换模块的控制输入端相连，控制AD转换模块进行AD转换，信号分析处理模块根据分析结果将指示信号输出给后续控制模块；
后续控制模块则根据输入指示信号执行相关操作。
2.根据权利要求1所述的来车识别装置，其特征在于，所述的检测算法如下：每隔相同时间向AD转换模块输出启动转换信号触发AD转换模块开始采样和转换，AD转换模块转换完成后将转换结果发送给信号分析处理模块，信号分析处理模块将接收到的多个转换结果合成一个离散声音信号帧，信号分析处理模块接下来计算出该帧信号的短时能量，然后将计算出的短时能量与前一帧短时能量进行做差比较，如果差值为正且大于某一设定阈值1，特征参数一计数加1；如果差值为负且小于某一设定阈值2，特征参数二计数加1；如果以上两者都不满足则特征参数三计数加1；
由于有车到来时信号的短时能量会先变大后变小，特征参数一计数加1表示后面帧的短时能量相比于前面帧的短时能量增加，表示汽车驶来；特征参数二计数加1表示后面帧的短时能量相比于前面帧的短时能量减小，表示汽车驶离，特征参数三表示前后两帧短时能量相差不多，属于噪声干扰造成，表示当前没有汽车；
为了能够准确的识别汽车到来并且对其他噪声具有抗干扰能力，需要对三个特征参数进行判断以得到分析结果，如果特征参数一计数加1则认为有车从远处驶来，特征参数三的计数值无效，因此将特征参数三清零；如果特征参数二计数加1则认为有车向远处驶离，特征参数三的计数值无效，因此将特征参数三清零；如果特征参数三大于设定阈值3则表示之前一段时间没有汽车到来，此时特征参数一和特征参数二的计数结果均是由噪声产生，为无效计数，因此需要清零来重新计数，同时特征参数三也清零来重新计数；最后，如果特征参数一大于设定阈值4且特征参数二大于设定阈值5则判断有车到来，此时要将特征参数一、特征参数二、特征参数三全部清零重新计数，同时向后续控制模块发出指示信号；若不满足上述条件则不对3个特征参数进行修改，等待对下一帧进行分析处理。
3.一种根据权利要求1所述的来车识别装置的应用，控制路灯的开关。
4.一种根据权利要求1所述的来车识别装置的应用，进行道路车流量统计。
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