CN103941690A - 远程工厂环境噪声智能监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监控系统，尤其是一种远程工厂环境噪声智能监控系统，属于噪声智能监控的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述远程工厂环境噪声智能监控系统，包括用于获取车间内噪声信号的噪声信号处理模块，所述噪声处理模块与信号控制模块连接，信号控制模块与声光显示模块连接；信号控制模块根据噪声信号处理模块传输的噪声信号判断车间设备的工作状态，且当车间设备出现故障时，信号控制模块通过声光显示模块进行声光报警。本发明结构简单，根据噪声判断出工作状态以及智能诊断故障的远程实时监控系统，不仅可以实现工厂机器的无人监控，还可以提高工厂的安保力度，成本低，适应范围广，安全可靠。

Description

远程工厂环境噪声智能监控系统

技术领域

本发明涉及一种监控系统，尤其是一种远程工厂环境噪声智能监控系统，属于噪声智能监控的技术领域。

背景技术

随着我国制造业产业的高速发展，制造业工厂智能化管理的要求越来越高，将信息技术和传感技术运用到信息化管理中是现代化管理的需求。工厂内机床发生故障，对其进行故障诊断和维修的时效性要求很高；如果未能及时进行准确的判断出机床故障的原因和位置，则会导致延长机床的停机时间，生产效率将会降低；故障的机床若不能得到及时的修缮，问题将会扩大。现在大多数的声音传感器功能单一，只有噪声检测的功能而不能满足工业智能监控的需求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种远程工厂环境噪音智能监控系统，其结构简单，根据噪声判断出工作状态以及智能诊断故障的远程实时监控系统，不仅可以实现工厂机器的无人监控，还可以提高工厂的安保力度，成本低，适应范围广，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述远程工厂环境噪声智能监控系统，包括用于获取车间内噪声信号的噪声信号处理模块，所述噪声处理模块与信号控制模块连接，信号控制模块与声光显示模块连接；信号控制模块根据噪声信号处理模块传输的噪声信号判断车间设备的工作状态，且当车间设备出现故障时，信号控制模块通过声光显示模块进行声光报警。

所述噪声信号处理模块包括用于获取噪声的声音传感器，所述声音传感器通过信号转换电路、前置放大器、二级放大器、开关电容滤波器与真有效值转换电路连接，并通过真有效值转换电路输出噪声电信号。

所述噪声信号处理模块的声音传感器的一端接地，声音传感器的另一端与电阻R1的一端及电容C3的一端连接，电阻R1的另一端与电源VCC连接，电容C3的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与电阻R5的一端及芯片U2的INA-端连接，芯片U2采用LM358芯片，电阻R5的另一端与电容C5的一端及芯片U2的OUTA端连接，电容C5的另一端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与芯片U2的INB-端及电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与芯片U2的OUTB端连接，芯片U2的VCC端与电源CC连接，芯片U2的INA端与芯片U2的INB端连接，且芯片U2的INA端还与电阻R4的一端及电阻R3的一端连接，电阻R4的另一端接地，电阻R3的另一端与电源VCC连接；

芯片U2的OUTB端还通过电容C6与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与电阻R11的一端、电阻R12的一端、电阻R13的一端及芯片U5的INVA端连接；芯片U5采用MAX7499芯片，电阻R11的另一端与芯片U5的BPA端连接，电阻R12的另一端与芯片U5的NA/HPA端连接，电阻R13的另一端与电阻R14的一端、电阻R15的一端、电容C8的一端及芯片U5的INVB端连接，电阻R14的另一端与芯片U5的BPB端连接，电阻R15的另一端与芯片U5的NB/HPB端连接，芯片U5的LPA端与芯片U5的SA端连接，芯片U5的COM端通过电容C11接地，芯片U5的CLK端通过电容C13接地，芯片U5的LPB端与芯片U5的SB端连接，芯片U5的EXTCLK端与芯片U5的VDD端及SHDN端连接，芯片U5的GND端接地，芯片U5的VDD端与电源VCC连接，并通过电容C7接地；

电容C8的另一端与芯片U4的VIN端连接，芯片U4采用AD637芯片，芯片U4的BIN端、COM端及OUT端均接地，芯片U4的DIN端与芯片U4的CAV端及电容C9的一端连接，电容C9的另一端与芯片U4的VO端连接，芯片U4的VO端与信号控制模块连接。

所述信号控制模块采用倒频谱方法对噪声信号处理模块传输的噪声信号进行分析，以判断相应设备的工作状态。

信号控制模块在通过声光显示模块进行声光报警的同时，切断故障设备的电源。

所述信号控制模块内设有工作时间段以及非工作时间段，在非工作时间段，当噪声信号处理模块检测的噪声信号与信号控制模块内设定的安保报警阈值匹配时，信号控制模块能传输安保报警信号。

所述信号控制模块通过无线通信模块与上位机连接，信号控制模块能通过无线通信模块向上位机内传输设备故障信息。

所述无线通信模块包括Zigbee无线模块。所述声音传感器采用电容型驻极体话筒。

本发明的优点：通过声音传感器来获取要监控机床或车间设备的声音信号，噪声信号处理模块对声音传感器获取的声音信号进行处理后传输至信号控制模块内，信号控制模块对接收的噪声信号进行倒频谱分析，并根据预先设定工作时间和非工作时间的划分，实现相应的操作，从而实现机器的无人监视和工厂安保；上位机通过无线通信模块与信号控制模块连接，实现对整个工厂的远程集中监控，结构简单不仅可以实现工厂，机器的无人监控，还可以提高工厂的安保力度，成本低，适应范围广，安全可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的结构框图。

图3为本发明噪声信号处理模块的电路原理图。

图4为本发明的工作流程图。

附图标记说明：1-噪声信号处理模块、2-信号控制模块、3-无线通信模块、4-上位机、5-电源电路、6-声光显示模块、7-声音传感器、8-信号转换电路、9-前置放大器、10-二级放大器、11-开关电容滤波器及12-真有效值转换电路。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示：为了能根据噪声判断出工作状态以及智能诊断故障的远程实时监控系统，可以实现工厂机器的无人监控，提高工厂的安保力度，本发明包括用于获取车间内噪声信号的噪声信号处理模块1，所述噪声处理模块1与信号控制模块2连接，信号控制模块2与声光显示模块6连接；信号控制模块2根据噪声信号处理模块1传输的噪声信号判断车间设备的工作状态，且当车间设备出现故障时，信号控制模块2通过声光显示模块6进行声光报警。

具体实施时，可以在工厂车间的每个机床上安装一个噪声信号处理模块1、信号控制模块2及声光显示模块6，以用于对工厂车间内的每个机床或设备的运行状态进行监控。当在每个机床或设备上均安装一个噪声信号处理模块1、信号控制模块2及声光显示模块6后，能对工厂车间内的每个机床或设备进行有效监控。噪声信号处理模块1用于获取工厂内设备运行时的声音信息，由于设备在故障状态与非故障状态下的声音不同，通过噪声信号处理模块1获取声音信号并处理后，能判断车间设备的运行状态。本发明实施例中，还包括提供整个监控系统工作用的电源电路5。

所述信号控制模块2采用倒频谱方法对噪声信号处理模块1传输的噪声信号进行分析，以判断相应设备的工作状态。利用倒频谱分析可以将边带信号分离出来，将噪声信号转换为离散的线谱，忽略传递路径的影响力，极易判别出噪声信号的变化特性。

信号控制模块2在通过声光显示模块6进行声光报警的同时，切断故障设备的电源。为了设备运行的可靠性，在设备处于故障状态下，必须要切断设备的运行电源，避免故障的进一步扩大。在具体实施时，设备可以通过继电器与外部电源连接，信号控制模块2通过调节继电器的触点的开关或闭合，来实现对车间设备电源的打开或关闭。信号控制模块2可以采用单片机，也可以采用其他常用的微处理芯片，声光显示模块6包括指示灯以及报警器，以便进行声光报警。

所述噪声信号处理模块1包括用于获取噪声的声音传感器7，所述声音传感器7通过信号转换电路8、前置放大器9、二级放大器10、开关电容滤波器11与真有效值转换电路12连接，并通过真有效值转换电路12输出噪声电信号。

本发明实施例中，声音传感器7采用电容型驻极体话筒，声音传感器7获取的噪声信号需要经过信号转换电路8、前置放大器9、二级放大器10、开关电容滤波器11及真有效值转换电路12处理后，才能被信号控制模块2进行后续的处理，以对车间设备的运行状态进行实施判断。

如图3所示，所述噪声信号处理模块1的声音传感器7的一端接地，声音传感器7的另一端与电阻R1的一端及电容C3的一端连接，电阻R1的另一端与电源VCC连接，电容C3的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与电阻R5的一端及芯片U2的INA-端连接，芯片U2采用LM358芯片，电阻R5的另一端与电容C5的一端及芯片U2的OUTA端连接，电容C5的另一端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与芯片U2的INB-端及电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与芯片U2的OUTB端连接，芯片U2的VCC端与电源CC连接，芯片U2的INA端与芯片U2的INB端连接，且芯片U2的INA端还与电阻R4的一端及电阻R3的一端连接，电阻R4的另一端接地，电阻R3的另一端与电源VCC连接；本发明实施例中，电阻R1及电源VCC实现信号转换电路8。

芯片U2的OUTB端还通过电容C6与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与电阻R11的一端、电阻R12的一端、电阻R13的一端及芯片U5的INVA端连接；芯片U5采用MAX7499芯片，电阻R11的另一端与芯片U5的BPA端连接，电阻R12的另一端与芯片U5的NA/HPA端连接，电阻R13的另一端与电阻R14的一端、电阻R15的一端、电容C8的一端及芯片U5的INVB端连接，电阻R14的另一端与芯片U5的BPB端连接，电阻R15的另一端与芯片U5的NB/HPB端连接，芯片U5的LPA端与芯片U5的SA端连接，芯片U5的COM端通过电容C11接地，芯片U5的CLK端通过电容C13接地，芯片U5的LPB端与芯片U5的SB端连接，芯片U5的EXTCLK端与芯片U5的VDD端及SHDN端连接，芯片U5的GND端接地，芯片U5的VDD端与电源VCC连接，并通过电容C7接地；本发明实施例中，通过芯片U2来实现前置放大器9及二级放大器10。本发明实施例中，通过芯片U5来实现开关电源滤波器11.

电容C8的另一端与芯片U4的VIN端连接，芯片U4采用AD637芯片，芯片U4的BIN端、COM端及OUT端均接地，芯片U4的DIN端与芯片U4的CAV端及电容C9的一端连接，电容C9的另一端与芯片U4的VO端连接，芯片U4的VO端与信号控制模块2连接。本发明实施例中，通过芯片U4来实现真有效值转换电路12。

具体地，声音传感器7采用电容型驻极体话筒，采集原始的模拟声音信号；LM358芯片是通用型运放，实现对原始信号的两级放大，放大倍数为A＝（R5/R2）*(R8/R9)，MAX7490芯片是双路、通用开关电容滤波器。测量噪声时，为了模拟不同频率下人耳的灵敏度，需要对信号进行频率计权。用MAX7490芯片组成频率计权网络，通过改变外接电阻值调整滤波器在不同频率处的增益K及品质因数Q，得到模拟低强度噪声的A计权声级。电容C7可以调整中心频率，电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14和电阻R8组成四阶带通和低通滤波器，通过调整电阻值可以确定网络的增益及品质因数中心频率:

$f_o=\frac{f_{\mathrm{clk}}}{100}---\left(1\right)$

f_notch＝f_o  （2）

$Q=\frac{R_{12}}{R_{11}}---\left(3\right)$

$H_{\mathrm{olp}}=-\frac{R_{11}}{R_{10}}---\left(4\right)$

$H_{\mathrm{obp}}=-\frac{R_{12}}{R_{10}}---\left(5\right)$

$H_{\mathrm{ON}1}(\mathrm{asf}\→0\mathrm{Hz})=-\frac{R_{11}}{R_{10}}---\left(6\right)$

$H_{\mathrm{ON}}2(\mathrm{atf}=f_{\mathrm{clk}}/2)=-\frac{R_{11}}{R_{10}}---\left(7\right)$

其中，f_o表示中心频率，f_notch表示陷波频率，Q表示品质因素，H_olp表示低通滤波增益，H_obp表示带通滤波增益，H_ON1表示频率接近于0时的陷波增益，H_ON2表示1/2倍的时钟频率是的陷波增益，芯片U2的输出信号经过耦合电容C8传递到芯片U4的VIN端。

选用美国模拟器件公司的低功耗AD637集成真有效值转换器对模拟噪声信号进行对数检波。AD637芯片能够完成真有效值-直流转换，内部有峰值因数补偿电路，电路输出为V_out＝V_in-RMS。

本发明实施例中，信号控制器2内设有时钟，可以在信号控制器2内设定工作时间段及非工作时间段，在工作时间段，通过对车间设备声音的采集判断车间设备的运行状态；在非工作时间段，当噪声信号处理模块1检测的噪声信号与信号控制模块2内设定的安保报警阈值匹配时，信号控制模块2能传输安保报警信号。具体实施时，在非工作时间段，当工厂车间的噪声信号的声级大于信号控制模块2内设定的安保报警阈值时，可以认为工厂车间存在不安全的情况，信号控制模块2可以通过GPRS方式向安保人员传输安保报警信号，以确保车间的安保可靠，实现对工厂车间的无人监控。

所述信号控制模块2通过无线通信模块3与上位机4连接，信号控制模块2能通过无线通信模块3向上位机4内传输设备故障信息。当工厂车间内存在多个机床或车间设备时，为了能实现集中监控，本发明实施例中，每个信号控制模块2通过无线通信模块3与上位机4连接。上位机4通过无线通信模块3来接收每个机床或车间设备运行状态的信息，并能将接收的每个机床或车间设备的运行状态进行存储。所述无线通信模块3包括Zigbee无线模块。当然，无线通信模块3也可以采用其他无线连接的方式，此处不再列举。

在具体实施时，可以根据需要，在信号控制模块2内自行设置工作时间，信号控制模块2对机床或车间设备的监控功能亦分为非工作时间监控和工作时间监控。

在非工作时间内（如18：00-8:00）系统起到安保作用，需设置监控最高噪声阈值（例如30dB），若环境噪声超过设置阈值，启动报警模式，并通过GPRS通信向保全人员发送手机信息。

在工作时间内，系统起到监控机台的作用。本发明实施例中，将机器的状态分为待机、空载、运行、异常、停机。信号控制模块2可以根据噪声倒频谱分析机器所处状态，通过无线通信模块4（ZIGBEE通信协议）将机器信息传送给上位机4。上位机4内设有数据库，所述数据库表字段内容如表1（每个机台在数据库中都有唯一的ID）。

1）、当机器待机时，噪声小于或等于环境噪声（45dB）；

2）、当机器空载时，噪声小于或等于70dB，且系统提示加入工件，若5分钟之内不执行，则切断电源；

3）、当机器运行时，系统实时上传所测数据，实现无人监控；

4）、当机器异常时，系统及时报警并切断电源，专家系统根据历史数据分析异常原因。

表1机台状态记录表

一般机器运行时的噪声在83dB内符合国家规定的声压级标准，声级计不会报警，但机器运行不正常时会伴随明显的异常声音。这些异常的声音通常伴随着车间杂音混合出现，利用普通的频谱分析无法得到清晰正确的噪声源信息，这样会直接影响系统诊断的结果。因此本发明实施例中，信号控制模块2通过端口接收来自所述噪声信号处理模块1传来的噪声信号，并对测得的噪声信号进行FFT倒谱分析。

倒频谱是信号处理技术中的一项新技术，可以分析复杂频谱图上的周期结构，分离和提取出密集调频信号中的周期成分，对于含有异族谐频、同族谐频和多成分变频等复杂信号的分析甚为有效。

倒频谱可理解为频域信号的傅里叶积分变换的再变换。时域信号经过傅里叶变换转换为频率函数或者功率谱密度函数，对功率谱密度取对数再进行傅里叶积分变换，可使得周期结构呈现出易于识别的谱线形式。

本发明采用复倒谱分析，复倒谱分析保留了噪声信号的全部信息，包括相位和幅度，能够对信号的回声进行检测。

C_c(τ)＝F^-1{lgU(f)}  （8）

U(f)＝F{u(t)}＝a_u(f)+jb_u(f)＝A_u(f)e^jφu(f)  （9）

其中，τ为时间变量，单位为ms，称为倒频率；C_c(τ)为复数倒频谱；u(t)为分析信号，即噪声信号。

由上述公式并取自然对数得出：

lnU(f)＝lnA_u(f)+iφu(f)  （10）从式（10）可以看出，复数倒频谱具有相位信息。

在噪声信号的监测过程中，根据倒频谱分析特性，可以将主要的信息从复杂的变频中识别出来，同时能将边频中的周期成分区分开来，这充分显示倒频谱在故障诊断中的信息分离作用以及对边频特征的较好研究。

另外，倒频谱的作用就是将复杂的计算变成简单的叠加计算的过程，利用倒频谱可以提取有用的信号成分。假设噪声信号的传递受到传递路径的影响，且公式为

G(f)＝u(f)|H(f)|^k  （11）

其中u(f)为噪声信号u(t)的傅里叶变化；H(f)为传递路径的传递函数；k为正整数。

根据复数倒频谱的定义，对式（11）取对数并做傅里叶变换后，得出：

F^-1{lgG(f)}＝F^-1{lgu(f)}+F^-1{klg|H(f)|}  （12）由此分析出，噪声源和传递路径的影响变现为倒频谱的相加。并且在实际应用中，由于噪声源和倒频谱的差别较大，很容易区分开。因此，运用倒频谱诊断噪声信号，可以忽略位置影响因素。

利用倒频谱分析可以将边带信号分离出来，将噪声信号转换为离散的线谱，忽略传递路径的影响力，极易判别出噪声信号的变化特性。因此，倒频谱分析方法是一种分析噪声信号检测机器故障诊断的有效方法。

以下是本发明对机器工作情况的总结（包括几种常见的异常情况）。

表2机台状态分析

如图4所示，首先由声音传感器7检测周围声音信号，经过噪声信号处理模块1处理后，将噪声信号传送给信号控制模块2，信号控制模块2对噪声信号进行分析，如果在工作时间内，则判断机台是否正常工作，若异常，则分析异常原因；如果在非工作时间内，判断信号是否超过规定安全阈值，若超过阈值则报警，并向工作人员发送短信。最后，信号控制模块2将诊断结果上传给上位机4，由上位机4存储在数据库内（包括机台ID、机台状态、错误报告、解决方案、工作时间）。本发明所述的无线通信模块包括基于ZIGBEE通信协议的多个无线通信节点，节点信息由无线通信中继汇总，中继通过串口向上位机传递信息，实现多点实时监控。

本发明通过声音传感器7来获取要监控机床或车间设备的声音信号，噪声信号处理模块1对声音传感器7获取的声音信号进行处理后传输至信号控制模块2内，信号控制模块2对接收的噪声信号进行倒频谱分析，并根据预先设定工作时间和非工作时间的划分，实现相应的操作，从而实现机器的无人监视和工厂安保；上位机4通过无线通信模块3与信号控制模块2连接，实现对整个工厂的远程集中监控，结构简单不仅可以实现工厂，机器的无人监控，还可以提高工厂的安保力度，成本低，适应范围广，安全可靠。

Claims (9)

1.一种远程工厂环境噪声智能监控系统，其特征是：包括用于获取车间内噪声信号的噪声信号处理模块（1），所述噪声处理模块（1）与信号控制模块（2）连接，信号控制模块（2）与声光显示模块（6）连接；信号控制模块（2）根据噪声信号处理模块（1）传输的噪声信号判断车间设备的工作状态，且当车间设备出现故障时，信号控制模块（2）通过声光显示模块（6）进行声光报警。

2.根据权利要求1所述的远程工厂环境噪声智能监控系统，其特征是：所述噪声信号处理模块（1）包括用于获取噪声的声音传感器（7），所述声音传感器（7）通过信号转换电路（8）、前置放大器（9）、二级放大器（10）、开关电容滤波器（11）与真有效值转换电路（12）连接，并通过真有效值转换电路（12）输出噪声电信号。

3.根据权利要求2所述的远程工厂环境噪声智能监控系统，其特征是：所述噪声信号处理模块（1）的声音传感器（7）的一端接地，声音传感器（7）的另一端与电阻R1的一端及电容C3的一端连接，电阻R1的另一端与电源VCC连接，电容C3的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与电阻R5的一端及芯片U2的INA-端连接，芯片U2采用LM358芯片，电阻R5的另一端与电容C5的一端及芯片U2的OUTA端连接，电容C5的另一端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与芯片U2的INB-端及电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与芯片U2的OUTB端连接，芯片U2的VCC端与电源CC连接，芯片U2的INA端与芯片U2的INB端连接，且芯片U2的INA端还与电阻R4的一端及电阻R3的一端连接，电阻R4的另一端接地，电阻R3的另一端与电源VCC连接；

芯片U2的OUTB端还通过电容C6与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与电阻R11的一端、电阻R12的一端、电阻R13的一端及芯片U5的INVA端连接；芯片U5采用MAX7499芯片，电阻R11的另一端与芯片U5的BPA端连接，电阻R12的另一端与芯片U5的NA/HPA端连接，电阻R13的另一端与电阻R14的一端、电阻R15的一端、电容C8的一端及芯片U5的INVB端连接，电阻R14的另一端与芯片U5的BPB端连接，电阻R15的另一端与芯片U5的NB/HPB端连接，芯片U5的LPA端与芯片U5的SA端连接，芯片U5的COM端通过电容C11接地，芯片U5的CLK端通过电容C13接地，芯片U5的LPB端与芯片U5的SB端连接，芯片U5的EXTCLK端与芯片U5的VDD端及SHDN端连接，芯片U5的GND端接地，芯片U5的VDD端与电源VCC连接，并通过电容C7接地；

电容C8的另一端与芯片U4的VIN端连接，芯片U4采用AD637芯片，芯片U4的BIN端、COM端及OUT端均接地，芯片U4的DIN端与芯片U4的CAV端及电容C9的一端连接，电容C9的另一端与芯片U4的VO端连接，芯片U4的VO端与信号控制模块（2）连接。

4.根据权利要求1所述的远程工厂环境噪声智能监控系统，其特征是：所述信号控制模块（2）采用倒频谱方法对噪声信号处理模块（1）传输的噪声信号进行分析，以判断相应设备的工作状态。

5.根据权利要求1所述的远程工厂环境噪声智能监控系统，其特征是：信号控制模块（2）在通过声光显示模块（6）进行声光报警的同时，切断故障设备的电源。

6.根据权利要求1所述的远程工厂环境噪声智能监控系统，其特征是：所述信号控制模块（2）内设有工作时间段以及非工作时间段，在非工作时间段，当噪声信号处理模块（1）检测的噪声信号与信号控制模块（2）内设定的安保报警阈值匹配时，信号控制模块（2）能传输安保报警信号。

7.根据权利要求1所述的远程工厂环境噪声智能监控系统，其特征是：所述信号控制模块（2）通过无线通信模块（3）与上位机（4）连接，信号控制模块（2）能通过无线通信模块（3）向上位机（4）内传输设备故障信息。

8.根据权利要求7所述的远程工厂环境噪声智能监控系统，其特征是：所述无线通信模块（3）包括Zigbee无线模块。

9.根据权利要求2所述的远程工厂环境噪声智能监控系统，其特征是：所述声音传感器（7）采用电容型驻极体话筒。