KR102197812B1 - Noise monitoring system for localization and the method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 위치 지정을 통한 소음 모니터링 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 건물 내 실내 주변의 소음 관련 정보를 감지하여 소음 레벨을 측정하고, 소음의 발생원과 방향을 추정하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a noise monitoring system and method thereof through location designation, and more particularly, to a system and method for measuring noise level by detecting noise-related information around the interior of a building, and estimating the source and direction of noise. It is about.
높은 인구밀도로 인해 여러 나라에서 아파트 입주율이 매우 높다. 불행하게도 1인가구가 늘어나면서 아파트 수요도 크게 늘어났으며, 집들은 바닥과 벽을 공유하고 있다. 이때, 높은 아파트 입주율로부터 발생하는 피할 수 없는 과제는 주변 주민들 사이의 층간 소음과 실내 주변 소음이다. 많은 나라에서 층간 소음은 방화, 폭력, 살인 등을 일으키는 심각한 사회문제이다. 다양한 정부와 WHO는 실내 주변 소음과 관련된 법적 표준을 만들어 이를 정량적으로 정의하고 있다. 법적 표준은 유형 및 발생 시간에 따라 실내 주변 소음의 다양한 임계 레벨을 명시한다.Due to the high population density, apartment occupancy rates are very high in many countries. Unfortunately, as the number of single-person households increased, the demand for apartments increased significantly, and the houses share floors and walls. At this time, the inevitable problems arising from the high apartment occupancy rate are inter-floor noise between neighboring residents and indoor ambient noise. In many countries, floor noise is a serious social problem that causes arson, violence, and murder. Various governments and WHOs have established and quantitatively defined legal standards related to indoor ambient noise. Legal standards specify different threshold levels of ambient noise in rooms, depending on the type and time of occurrence.
현재 상황의 주요 과제는 실내 주변 소음을 측정하고 기록하는 전문 장치가 부족하다는 것이다. 현재 이용 가능한 소음 측정기로 사용자는 소음 레벨만 측정할 수 있다. 소음 레벨 외에도 소음 발생원의 위치 및 분쟁 발생 시 기분 데이터로 사용할 수 있는 소음의 유형과 같은 더 중요한 데이터들이 있으나, 기존 기술은 소음원 위치 지정을 고려하지 않았다. The main challenge in the current situation is the lack of specialized equipment for measuring and recording ambient noise in the room. Currently available noise meters allow users to measure only the noise level. In addition to the noise level, there are more important data such as the location of the noise source and the type of noise that can be used as mood data in case of a dispute, but the existing technology did not consider the location of the noise source.
이에, 소음 레벨과 소음 발생원의 위치 및 방향을 추정하기 위한 기술이 요구되었다. Therefore, a technique for estimating the noise level and the location and direction of the noise source was required.
본 발명의 목적은 소음 레벨뿐만 아니라 실내 주변 소음과 관련된 소음 발생원의 3차원 방향도 감지하는 소음 모니터링 시스템을 제안한다. An object of the present invention is to propose a noise monitoring system that detects not only a noise level but also a three-dimensional direction of a noise generating source related to indoor ambient noise.
또한, 본 발명의 목적은 소음 레벨 및 소음 발생원의 3차원 방향에 관련된 데이터를 스마트 기기로 전송함으로써, 다중 모니터링 시스템을 사용하여 실내 주변 소음의 위치를 파악하고자 한다. In addition, an object of the present invention is to determine the location of ambient noise indoors by using a multiple monitoring system by transmitting data related to the noise level and the three-dimensional direction of the noise generating source to a smart device.
본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템은 마이크 어레이를 통해 감지되는 소음 신호를 통해 음압 레벨(SPL) 측정하여 상기 소음 신호에 대한 소음 레벨 데이터를 측정하는 소음 레벨 측정부, 상기 마이크 어레이에 감지되는 상기 소음 신호의 도달 시간에 따른 도착시간 차이를 이용하여 소음 발생원의 방향 및 위치에 대한 소음원 위치 데이터를 추정하는 소음원 위치 추정부 및 상기 소음 레벨 데이터 및 상기 소음원 위치 데이터를 연동된 모바일 디바이스로 전송하는 통신부를 포함한다.The noise monitoring system according to an embodiment of the present invention includes a noise level measuring unit for measuring noise level data for the noise signal by measuring a sound pressure level (SPL) through a noise signal detected through a microphone array, and detected by the microphone array. A noise source location estimation unit that estimates the noise source location data for the direction and location of the noise source by using the arrival time difference according to the arrival time of the noise signal, and transmits the noise level data and the noise source location data to an interlocked mobile device. It includes a communication department.
상기 소음 레벨 측정부는 상기 마이크 어레이를 통해 감지되는 아날로그 오디오 신호를 디지털 데이터인 상기 소음 신호로 변환하고, 고속 푸리에 변환(FFT)에서 샘플링 후 주파수 영역에서 A-가중치를 적용하여 실효값(RMS)을 산출하며, 시간 가중치를 적용하여 소음의 음압 레벨(SPL)을 산출할 수 있다.The noise level measurement unit converts the analog audio signal detected through the microphone array into the noise signal, which is digital data, and applies an A-weighted value in the frequency domain after sampling in a fast Fourier transform (FFT) to obtain an effective value (RMS). It is calculated, and the sound pressure level (SPL) of the noise can be calculated by applying a time weight.
상기 소음 레벨 측정부는 상기 산출된 음압 레벨(SPL)을 소음의 표준 측정 단위로 사용하여 상기 소음 레벨 데이터를 측정할 수 있다.The noise level measuring unit may measure the noise level data by using the calculated sound pressure level SPL as a standard measurement unit of noise.
상기 소음원 위치 추정부는 복수의 마이크를 포함하는 상기 마이크 어레이에서, 마이크 쌍으로부터 상기 소음 신호의 도달 시간에 따른 상기 도착시간 차이(Time Difference of Arrival; TDoA)를 측정하고, 상기 도착시간 차이에서 방향 각도를 식별할 수 있다.The noise source position estimation unit measures the time difference of arrival (TDoA) according to the arrival time of the noise signal from the pair of microphones in the microphone array including a plurality of microphones, and a direction angle from the difference in arrival time Can be identified.
상기 소음원 위치 추정부는 상기 도착시간 차이 및 상기 방향 각도를 기반으로, 방위각 및 고도의 각도 정보를 산출하여 상기 소음 신호에 대한 3차원 방향 및 위치의 상기 소음원 위치 데이터를 추정할 수 있다.The noise source location estimation unit may estimate the noise source location data of the three-dimensional direction and location of the noise signal by calculating angle information of an azimuth and altitude based on the difference in arrival time and the direction angle.
상기 소음원 위치 추정부는 로우 패스 필터(Low Pass Filter)를 통과하여 오류를 최소화한 상기 소음원 위치 데이터를 추정할 수 있다.The noise source location estimating unit may estimate the noise source location data that minimizes an error by passing through a low pass filter.
상기 소음원 위치 추정부는 초기 시간에 상기 마이크 어레이에 구성된 복수의 마이크들 각각에서 모든 전압 값을 측정하고, 소음이 없는 환경에서 측정된 전압 값에 대한 평균 값을 산출하여 상기 복수의 마이크들의 오프셋을 결정할 수 있다.The noise source position estimating unit measures all voltage values in each of the plurality of microphones configured in the microphone array at an initial time, and calculates an average value of the voltage values measured in a noise-free environment to determine the offsets of the plurality of microphones. I can.
상기 통신부는 저전력 블루투스 기술(Bluetooth Low Energy)을 통해 상기 소음 레벨 데이터 및 상기 소음원 위치 데이터를 상기 모바일 디바이스로 전송할 수 있다.The communication unit may transmit the noise level data and the noise source location data to the mobile device through Bluetooth Low Energy.
본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 모니터링 시스템은 마이크 어레이를 통해 감지되는 소음 신호를 통해 음압 레벨(SPL) 측정을 통한 소음 레벨 데이터를 측정하고, 상기 소음 신호의 도달 시간에 따른 도착시간 차이를 이용하여 소음 발생원의 방향 및 위치에 대한 소음원 위치 데이터를 추정하는 소음 모니터링 시스템 및 상기 소음 모니터링 시스템으로부터 수신된 상기 소음 레벨 데이터 및 상기 소음원 위치 데이터를 디스플레이하는 모바일 디바이스를 포함한다.The multi-monitoring system according to another embodiment of the present invention measures noise level data through sound pressure level (SPL) measurement through a noise signal detected through a microphone array, and uses the difference in arrival time according to the arrival time of the noise signal. And a noise monitoring system for estimating noise source position data for the direction and position of the noise source, and a mobile device for displaying the noise level data and the noise source position data received from the noise monitoring system.
상기 모바일 디바이스는 상기 소음 레벨 데이터 및 상기 소음원 위치 데이터와 상기 소음 모니터링 시스템에 포함된 압전소자(PZT) 센서 어레이를 통해 감지되는 충격 데이터를 기반으로, 소음 레벨과 소음원 위치에 대한 결과 데이터를 디스플레이할 수 있다.Based on the noise level data, the noise source location data, and impact data detected through a piezoelectric element (PZT) sensor array included in the noise monitoring system, the mobile device may display result data on the noise level and the location of the noise source. I can.
상기 모바일 디바이스는 복수의 상기 소음 모니터링 시스템으로부터 수신된 데이터를 기반으로, 두 개 이상 선의 교차점을 통해 상기 소음 신호에 대한 소음 위치를 파악할 수 있다.The mobile device may determine a noise location for the noise signal through an intersection of two or more lines based on data received from a plurality of noise monitoring systems.
본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 동작 방법은 마이크 어레이를 통해 감지되는 소음 신호를 통해 음압 레벨(SPL) 측정하여 상기 소음 신호에 대한 소음 레벨 데이터를 측정하는 단계, 상기 마이크 어레이에 감지되는 상기 소음 신호의 도달 시간에 따른 도착시간 차이를 이용하여 소음 발생원의 방향 및 위치에 대한 소음원 위치 데이터를 추정하는 단계 및 상기 소음 레벨 데이터 및 상기 소음원 위치 데이터를 연동된 모바일 디바이스로 전송하는 단계를 포함한다.The noise monitoring operation method according to an embodiment of the present invention includes measuring sound pressure level (SPL) through a noise signal detected through a microphone array and measuring noise level data for the noise signal, the noise detected by the microphone array. And estimating noise source location data for a direction and location of a noise source by using the difference in arrival time according to the arrival time of the signal, and transmitting the noise level data and the noise source location data to an interworking mobile device.
상기 소음 레벨 데이터를 측정하는 단계는 상기 마이크 어레이를 통해 감지되는 아날로그 오디오 신호를 디지털 데이터인 상기 소음 신호로 변환하고, 고속 푸리에 변환(FFT)에서 샘플링 후 주파수 영역에서 A-가중치를 적용하여 실효값(RMS)을 산출하며, 시간 가중치를 적용하여 소음의 음압 레벨(SPL)을 산출할 수 있다. The measuring of the noise level data includes converting the analog audio signal sensed through the microphone array into the noise signal, which is digital data, sampling in a fast Fourier transform (FFT) and then applying an A-weight in the frequency domain to an effective value. (RMS) is calculated, and the sound pressure level (SPL) of the noise can be calculated by applying a time weight.
상기 소음원 위치 데이터를 추정하는 단계는 복수의 마이크를 포함하는 상기 마이크 어레이에서, 마이크 쌍으로부터 상기 소음 신호의 도달 시간에 따른 상기 도착시간 차이(Time Difference of Arrival; TDoA)를 측정하고, 상기 도착시간 차이에서 방향 각도를 식별할 수 있다.The step of estimating the noise source location data includes measuring the time difference of arrival (TDoA) according to the arrival time of the noise signal from a pair of microphones in the microphone array including a plurality of microphones, and the arrival time You can identify the direction angle from the difference.
상기 소음원 위치 데이터를 추정하는 단계는 상기 도착시간 차이 및 상기 방향 각도를 기반으로, 방위각 및 고도의 각도 정보를 산출하여 상기 소음 신호에 대한 3차원 방향 및 위치의 상기 소음원 위치 데이터를 추정할 수 있다.In the estimating of the noise source location data, the noise source location data of the three-dimensional direction and location of the noise signal may be estimated by calculating the azimuth and altitude angle information based on the arrival time difference and the direction angle. .
상기 모바일 디바이스로 전송하는 단계는 저전력 블루투스 기술(Bluetooth Low Energy)을 통해 상기 소음 레벨 데이터 및 상기 소음원 위치 데이터를 상기 모바일 디바이스로 전송할 수 있다. In the transmitting of the mobile device, the noise level data and the noise source location data may be transmitted to the mobile device through Bluetooth Low Energy.
본 발명의 실시예에 따르면, 소음 레벨뿐만 아니라 실내 주변 소음과 관련된 소음 발생원의 3차원 방향도 감지할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, it is possible to detect not only the noise level but also the three-dimensional direction of a noise generating source related to indoor ambient noise.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 소음 레벨 및 소음 발생원의 3차원 방향에 관련된 데이터를 스마트 기기로 전송함으로써, 다중 모니터링 시스템을 사용하여 실내 주변 소음의 위치를 파악할 수 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, by transmitting data related to the noise level and the three-dimensional direction of the noise source to the smart device, it is possible to determine the location of ambient noise in the room using a multiple monitoring system.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템의 세부 구성을 블록도로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템의 적용 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 음압 레벨(SPL)을 측정하는 소음 레벨 측정부의 흐름도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 불확실성을 줄이기 위한 프레임 및 서브 프레임을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방위각 및 고도의 출력 각도를 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 소음원 방향 벡터의 각도를 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크 변동을 교정하기 위한 흐름도를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 모니터링 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 동작 방법의 흐름도를 도시한 것이다.1 is a block diagram showing a detailed configuration of a noise monitoring system according to an embodiment of the present invention.
2 shows an application example of a noise monitoring system according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a noise level measuring unit measuring a sound pressure level (SPL) according to an embodiment of the present invention.
4 illustrates frames and subframes for reducing uncertainty according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating an azimuth and altitude output angle according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating an angle of a direction vector of a noise source according to an embodiment of the present invention.
7 is a flowchart illustrating a microphone fluctuation correction according to an embodiment of the present invention.
8 is a block diagram of a multi-monitoring system according to another embodiment of the present invention.
9 is a flowchart illustrating a method of operating noise monitoring according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by the embodiments. In addition, the same reference numerals shown in each drawing denote the same member.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 시청자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. In addition, terms used in the present specification are terms used to properly express preferred embodiments of the present invention, which may vary depending on the intention of viewers or operators, or customs in the field to which the present invention belongs. Accordingly, definitions of these terms should be made based on the contents throughout the present specification.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템의 세부 구성을 블록도로 도시한 것이다.1 is a block diagram showing a detailed configuration of a noise monitoring system according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템은 건물 내 실내 주변 소음 관련 정보를 감지하여 소음 레벨을 측정하고, 소음의 발생원과 방향을 추정하여 전송한다.Referring to FIG. 1, a noise monitoring system according to an exemplary embodiment of the present invention detects information related to indoor ambient noise in a building, measures a noise level, estimates a source and direction of noise, and transmits it.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)은 소음 레벨 측정부(110), 소음원 위치 추정부(120) 및 통신부(130)를 포함한다.To this end, the
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)의 외관을 도시한 것으로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)은 기판 상에 복수 개의 마이크 어레이(Mic Array) 및 압전소자 센서 어레이(PZT Array)를 포함한다. 2 shows the appearance of the
본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)은 기판 상에 복수 개의 마이크로폰이 배열된 마이크 어레이를 포함하며, 마이크로폰의 각 위치에서 공기 중에 감지되는 소음 신호를 측정한다. 이때, 마이크로폰은 소음 측정을 위한 마이크 또는 마이크로폰 센서일 수 있으며, 벽면 부착형 기판의 전면 상에 형성되어 공기 중에 감지되는 공기 신호 데이터 및 공기 신호 데이터의 도달 시간을 이용하여 공기 전달 소음 신호를 측정할 수 있다. The
마이크로폰은 복수 개로 기판 상에 배열될 수 있다. 예를 들면, 마이크로폰은 기판 전면에 2차원(Two-dimensional) 매트릭스 형태로 배열되거나, 다방향(multidirectional)의 3차원 매트릭스 형태로 배열될 수 있으며, 기 설정된 간격의 어레이(array) 형태일 수 있다. 기판 전면 상에 배치된 복수 개의 마이크로폰 각각은 위치가 서로 상이하게 배열되어 있으므로, 동일한 소음원으로부터 발생한 소음이 마이크로폰으로 입사되는 시각은 소음원과의 거리에 차이가 없는 경우를 제외하고 상이한 값을 획득하게 된다. 이에, 마이크로폰의 간격 및 각 마이크로폰에서의 소음 도착시간 차이로부터 소음의 입사 방향을 감지할 수 있다. A plurality of microphones may be arranged on the substrate. For example, the microphones may be arranged in the form of a two-dimensional matrix on the front surface of the substrate, or may be arranged in a multidirectional three-dimensional matrix form, and may be in the form of an array with preset intervals. . Since each of the plurality of microphones arranged on the front surface of the substrate is arranged differently from each other, the time at which the noise generated from the same noise source enters the microphone acquires a different value except when there is no difference in the distance from the noise source. . Accordingly, the incident direction of the noise can be detected from the difference between the distance between the microphones and the noise arrival time from each microphone.
실시예에 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)은 6개의 마이크로폰을 2차원 매트릭스 형태로 배열 및 설치함으로써, 1행 및 2행 사이의 수평면을 기준으로 하측방향에서 입사되는 하측 소음과 상측방향에서 입사되는 상측 소음을 구분할 수 있으며, 2열의 수직면을 기준으로 좌측방향에서 입사되는 좌측 소음과 우측방향에서 입사되는 우측 소음을 구분할 수 있다. 이에 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)은 360도에서의 소음 방향 및 위치를 보다 정확하게 구분할 수 있다. 다만, 소음의 입사 방향을 보다 정확하게 획득하기 위해 마이크로폰의 개수를 더 많이 사용할 수 있으며, 적용되는 규모 및 부피에 따라 개수를 더 적게 사용할 수도 있으므로, 개수는 이에 한정되는 것은 아니다. According to the embodiment, the
또한, 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)은 압전소자(PZT) 센서 어레이를 포함한다. 압전소자 센서 어레이를 구성하는 압전소자(PZT) 센서는 벽면 부착형 기판의 후면 상에 형성되어 압력 또는 벽면 진동 등의 직접 충격으로 감지되는 충격 신호 데이터 및 충격 신호 데이터의 도달 시간을 이용하여 직접 충격 소음을 측정할 수 있다.In addition, the
압전소자 센서는 복수 개로 기판 상에 배열될 수 있다. 예를 들면, 압전소자 센서는 기판 후면에 2차원(Two-dimensional) 매트릭스 형태로 배열되거나, 다방향(multidirectional)의 3차원(three-dimensional) 매트릭스 형태로 배열될 수 있으며, 기 설정된 간격의 어레이(array) 형태일 수 있다. 기판 후면 상에 배치된 복수 개의 압전소자 센서 각각은 위치가 서로 상이하게 배열되어 있으므로, 동일한 소음원으로부터 발생한 직접 충격이 각 센서 모듈로 입사되는 시각은 소음원과의 거리에 차이가 없는 경우를 제외하고 상이한 값을 획득하게 된다. A plurality of piezoelectric element sensors may be arranged on the substrate. For example, the piezoelectric sensor may be arranged in a two-dimensional matrix form on the back side of a substrate, or may be arranged in a multidirectional three-dimensional matrix form. It can be in the form of (array). Since each of the plurality of piezoelectric element sensors disposed on the back of the substrate is arranged in different positions, the time when a direct impact from the same noise source enters each sensor module is different, except when there is no difference in the distance from the noise source. You get the value.
압전소자 센서는 천장, 벽면, 바닥 등에 부착되어 외부로부터 가해지는 직접 충격에 의해 전하가 발생하며, 진동에 의한 응답을 전압 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 이에 따라서, 센서 모듈은 각 위치에서 감지되는 직접 충격의 강도에 따른 진동으로부터 충격 신호 데이터를 수신할 수 있으며, 센서 모듈의 간격 및 각 센서 모듈에서의 소음 도착시간 차이로부터 소음의 위치 및 방향을 감지할 수 있다. The piezoelectric element sensor is attached to a ceiling, a wall, a floor, etc. and generates electric charge by a direct impact applied from the outside, and can convert a response from vibration into a voltage signal and output it. Accordingly, the sensor module can receive the shock signal data from the vibration according to the intensity of the direct impact detected at each location, and detect the location and direction of the noise from the difference between the distance between the sensor modules and the noise arrival time at each sensor module. can do.
실시예에 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)은 4개의 압전소자 센서를 2차원 매트릭스 형태로 배열 및 설치함으로써, 1행 및 2행 사이의 수평면을 기준으로 하측방향에서 입사되는 하측 소음과 상측방향에서 입사되는 상측 소음을 구분할 수 있으며, 2열의 수직면을 기준으로 좌측방향에서 입사되는 좌측 소음과 우측방향에서 입사되는 우측 소음을 구분할 수 있다. 이에 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)은 360도에서의 소음 방향 및 위치를 보다 정확하게 구분할 수 있다. 다만, 소음의 입사 방향을 보다 정확하게 획득하기 위해 센서 모듈의 개수를 더 많이 사용할 수 있으며, 적용되는 규모 및 부피에 따라 개수를 더 적게 사용할 수도 있으므로, 개수는 이에 한정되는 것은 아니다. According to the embodiment, the
본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)의 마이크 어레이 및 압전소자 센서 어레이는 기판에 형성된 IC(Integrated Circuit) 회로와 연결되어 패치형 구조로 형성될 수 있다. 상기 IC 회로는 집적화 기술을 구사함으로써, 신호의 필터, 증폭, 디지털화 및 처리 기능을 처리할 수 있으며, 실시예에 따라서는 기판 내에서 신호를 처리하는 집적화 및 다기능화 IC 센서(Integrated Circuit sensor)일 수도 있다. 이 때, 상기 기판은 건축물 천장, 벽면 및 바닥에 탈부착 가능한 재질일 수 있으므로, 기판의 종류, 형태 및 형상은 한정되지 않는다.The microphone array and piezoelectric element sensor array of the
본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)은 120MHz에서 작동하는 ARM 32비트 코텍스-M4 MCU 기반 STM32F407IG MCU를 사용하며, 아날로그 오디오 신호를 디지털 데이터로 변환하기 위해 12비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 사용한다. 추가적으로, 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)은 컴퓨팅 성능을 향상시키기 위해 2MB의 추가 SRAM을 포함하며, 소음 데이터를 장기간에 걸쳐 저장할 수 있는 외장 플래시 메모리를 포함한다.The
또한, 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)에 구성된 습도, 온도 센서, 블루투스 모듈과 같은 다른 구성 요소는 모바일 디바이스 연결에 사용될 수 있다. 실내 주변 바닥 소음 측정 기능과 음향 위치 지정 기능은 설계된 장치의 일부분으로, 원자료의 출력 정보(예를 들면, 소음 레벨 데이터 및 소음원 위치 데이터)는 모바일 디바이스에 전송되어 실시간 표시될 수 있으며, 도 2(b)에 도시된 바와 같이 디스플레이(Display)를 통해 디스플레이될 수도 있다. In addition, other components such as humidity, temperature sensor, and Bluetooth module configured in the
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)의 소음 레벨 측정부(110)는 마이크 어레이를 통해 감지되는 소음 신호를 통해 음압 레벨(SPL) 측정하여 소음 신호에 대한 소음 레벨 데이터를 측정한다. Referring to FIG. 1, the noise
이하에서는 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 소음 레벨 측정부(110)에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, a noise
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 음압 레벨(SPL)을 측정하는 소음 레벨 측정부의 흐름도를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 불확실성을 줄이기 위한 프레임 및 서브 프레임을 도시한 것이다. 3 is a flowchart illustrating a flow diagram of a noise level measuring unit for measuring a sound pressure level (SPL) according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 4 illustrates a frame and a subframe for reducing uncertainty according to an exemplary embodiment of the present invention. .
본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)의 소음 레벨 측정부(110)는 마이크 어레이를 통해 감지되는 소음 신호를 통해 음압 레벨(Sound Pressure Level; SPL) 측정하여 소음 신호에 대한 소음 레벨 데이터를 측정한다. The noise
소음 레벨 측정부(110)는 마이크 어레이를 통해 감지되는 아날로그 오디오 신호를 디지털 데이터인 소음 신호로 변환하고, 고속 푸리에 변환(FFT)에서 샘플링 후 주파수 영역에서 A-가중치를 적용하여 실효값(RMS)을 산출하며, 시간 가중치를 적용하여 소음의 음압 레벨(SPL)을 산출할 수 있다. 여기서, 소음 레벨 측정부(110)는 산출된 음압 레벨(SPL)을 소음의 표준 측정 단위로 사용하여 소음 레벨 데이터를 측정할 수 있다. The noise
보다 구체적으로, 아날로그 오디오 신호는 마이크 어레이를 통해 감지되어 아날로그 전압 신호로 변환된다. 이때, 마이크의 감도는 -45dB이고 작동 전압은 2V이다. 아날로그 전압 신호는 ADC를 통해 샘플링되어 디지털 데이터로 변환되고, 고속 푸리에 변환(FFT)은 디지털화된 샘플에서 수행된다. 주파수 영역에서는 다른 주파수 레벨에 대한 인간의 다른 인식을 고려하기 위해 A-가중치(A-weighting)가 적용된다. More specifically, the analog audio signal is sensed through the microphone array and converted into an analog voltage signal. At this time, the sensitivity of the microphone is -45dB and the operating voltage is 2V. The analog voltage signal is sampled through an ADC and converted to digital data, and a fast Fourier transform (FFT) is performed on the digitized samples. In the frequency domain, A-weighting is applied to take into account different human perceptions of different frequency levels.
이후에 소음 신호의 실효값(RMS)이 계산되며, 표시된 데이터를 평활화하기 위해 시간 가중치를 적용하고, 마지막으로 소음의 음압 레벨(SPL)을 계산한다.Thereafter, the RMS value (RMS) of the noise signal is calculated, time weight is applied to smooth the displayed data, and finally the sound pressure level (SPL) of the noise is calculated.
여기서, 음압 레벨(SPL)은 소음의 표준 측정 단위로 사용되며, 하기의 [수식 1]과 같은 방정식으로 정의된다.Here, the sound pressure level (SPL) is used as a standard measurement unit of noise, and is defined by an equation such as [Equation 1] below.
[수식 1][Equation 1]
여기서, Po는 공기 중 값이 20μPa인 기준 음압을 나타낸다. 기준 음압은 음압 레벨(SPL)에서 0dB인 인간 청력의 하한으로 간주된다.Here, Po represents the reference sound pressure in the air with a value of 20 μPa. The reference sound pressure is considered to be the lower limit of human hearing, which is 0 dB at the sound pressure level (SPL).
도 3을 참조하여 전술한 바에 대해 보다 상세히 설명하자면, 마이크 어레이를 구성하는 마이크로폰(Microphone, 310)을 통해 감지되는 아날로그 오디오 신호는 앰프(Amp, 320)에 의해 증폭된다.Referring to FIG. 3, the analog audio signal sensed through the
앰프(320)에 의한 증폭 전압 신호는 센서 보드의 12비트-ADC에서 샘플링(Sampling, 330)된다. 샘플링 속도는 제안된 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)에서 200kHz이다. 이는 기존의 오디오 샘플링 속도(44.1kHz)에 비해 훨씬 높은 샘플링 속도를 사용하며, 마이크 사이의 매우 짧은 거리를 보상하기 위해 충분한 샘플링 주파수가 필요하기 때문에 사용된다. The amplified voltage signal by the
이후에, 소음 레벨 측정부(110)는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform; FFT)을 사용하여 샘플링 후 주파수 영역에서 A-가중치(A-Weighting, 350)를 적용한다.Thereafter, the noise
A-가중치(350)는 음의 다른 주파수에 대한 청력의 다른 감도를 고려하기 위해 적용된다. 이하의 [수식 2] 및 [수식 3]을 통해, 소음 레벨 측정부(110)는 각 주파수 성분에 대한 A(f)의 적절한 값을 계산하여 주파수 영역에 A-가중치(350)를 적용한다. The A-weight 350 is applied to account for different sensitivities of hearing for different frequencies of sound. Through the following [Equation 2] and [Equation 3], the noise
[수식 2][Equation 2]
[수식 3][Equation 3]
이에, 소음 레벨 측정부(110)는 A-가중치(350) 다음, A-가중치 신호의 실효값(Root Mean Square; RMS, 360) 전압의 시계열에 적용된 시간 가중치(Time-weighting, 370)를 따라 계산한다. Accordingly, the noise
예를 들면, 데이터 변경 속도가 너무 빠르면 표시된 데이터를 읽을 수 없으므로, 표시된 출력 데이터를 평활화하기 위해서는 시간 가중치(370)가 필요하다. 이때, 시간 가중치(370)를 지수 평균이라고 부르기도 하며, 고주파 소음을 제거하는 로우 패스 필터(Low Pass Filter) 역할을 한다. 제안된 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)에서 RMS 전압의 시간 가중치는 하기의 [수식 4]와 같은 방정식으로 표현된다.For example, if the data change rate is too fast, the displayed data cannot be read. Therefore, the
[수식 4][Equation 4]
여기서, α는 평활 계수를 나타내며, 0 < α < 1이다. α의 낮은 값은 더욱 매끄러운 디스플레이를 나타낼 수 있으며, α의 값은 하기의 [수식 5]와 같이 주어진다. Here, α represents the smoothing coefficient, and 0 <α <1. A lower value of α may indicate a smoother display, and a value of α is given as [Equation 5] below.
[수식 5][Equation 5]
여기서, ΔT는 데이터의 샘플링 속도를 나타내고, τ는 상수로써의 시간을 나타낸다. Here, ΔT represents the sampling rate of data, and τ represents time as a constant.
음압 레벨(SPL)을 표시하기 위해 예를 들면, F(Fast, 125ms)와 S(Slow, 1sec)와 같이 두 가지 유형의 시간 상수를 사용하는 경우가 많다. 두 시간 상수는 제안된 음압 레벨(SPL) 측정 단위에서 구현될 수 있다. Two types of time constants are often used to indicate the sound pressure level (SPL), for example, F(Fast, 125ms) and S(Slow, 1sec). Both time constants can be implemented in the proposed sound pressure level (SPL) measurement unit.
마지막 단계로, 소음 레벨 측정부(110)는 하기의 [수식 6]을 통해 소음 신호의 음압 레벨(SPL)을 산출(380)한다.As a final step, the noise
[수식 6][Equation 6]
여기서, VREF는 소음 신호의 압력 레벨이 기준 음압 Po와 같을 때 출력 RMS 전압을 나타낸다. VREF는 마이크 감도와 증폭 회로의 이득에 의해 결정된다. Here, V REF represents the output RMS voltage when the pressure level of the noise signal is equal to the reference sound pressure Po. V REF is determined by the microphone sensitivity and the gain of the amplifier circuit.
위치 지정에서 음압 레벨(SPL) 계산은 약 10 밀리초 동안 수행된다. 다만, 이는 너무 짧고 많은 오류를 포함할 가능성이 있다. 이와 같은 오류를 범하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)은 도 4에 도시된 바와 같이 프레임에 가중치 이동 평균과 서브프레임 평균을 사용한다. The sound pressure level (SPL) calculation in positioning takes about 10 milliseconds. However, this is too short and may contain many errors. In order to make such an error, the
서브프레임은 100개의 측정 값 및 프레임에서 가중치 이동 평균 값을 계산하는데 사용되는 평균 값으로 구성된다. 실제 음압 레벨(SPL)은 하기의 [수식 7]과 같이 산출될 수 있다.The subframe consists of 100 measurement values and an average value used to calculate a weighted moving average value in the frame. The actual sound pressure level (SPL) can be calculated as shown in [Equation 7] below.
[수식 7][Equation 7]
이때, 측정된 실제 음압 레벨(SPL)과 위치 정보는 1초 간격으로 통신부(130)를 통해 모바일 디바이스로 전송된다. At this time, the measured actual sound pressure level (SPL) and location information are transmitted to the mobile device through the
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)의 소음원 위치 추정부(120)는 마이크 어레이에 감지되는 소음 신호의 도달 시간에 따른 도착시간 차이를 이용하여 소음 발생원의 방향 및 위치에 대한 소음원 위치 데이터를 추정한다. Referring back to FIG. 1, the noise source
이하에서는 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 소음원 위치 추정부(120)에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the noise source
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방위각 및 고도의 출력 각도를 설명하기 위해 도시한 것이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 소음원 방향 벡터의 각도를 설명하기 위해 도시한 것이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크 변동을 교정하기 위한 흐름도를 도시한 것이다.5 is a diagram illustrating an azimuth and altitude output angle according to an embodiment of the present invention, FIG. 6 is a diagram illustrating an angle of a noise source direction vector according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 It shows a flow chart for correcting a microphone fluctuation according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)의 소음원 위치 추정부(120)는 마이크 어레이에 감지되는 소음 신호의 도달 시간에 따른 도착시간 차이를 이용하여 소음 발생원의 방향 및 위치에 대한 소음원 위치 데이터를 추정한다. The noise source
소음원 위치 추정부(120)는 복수의 마이크를 포함하는 마이크 어레이에서, 마이크 쌍으로부터 소음 신호의 도달 시간에 따른 도착시간 차이(Time Difference of Arrival; TDoA)를 측정하고, 도착시간 차이에서 방향 각도를 식별할 수 있다. 이에, 소음원 위치 추정부(120)는 도착시간 차이 및 방향 각도를 기반으로, 방위각 및 고도의 각도 정보를 산출하여 소음 신호에 대한 3차원 방향 및 위치의 소음원 위치 데이터를 추정할 수 있다. In a microphone array including a plurality of microphones, the noise source
도 5를 참조하여 설명하면, 소음원 위치 추정부(120)는 마이크 어레이 중 적어도 두 개의 마이크 쌍을 통해 도착시간 차이(Time Difference of Arrival; TDoA)를 측정하고, 추정된 도착시간 차이(Time Difference of Arrival; TDoA)에서 방향 각도를 식별한다. 이에, 소음원 위치 추정부(120)는 로컬 데카르트 좌표에 있는 방위각(Azimuth) 및 방향(또는 높이, Elevation)을 나타내는 두 개의 출력 각도를 추정할 수 있다. Referring to FIG. 5, the noise source
로컬 데카르트 좌표에서 x축, y축, z축에 대한 소음원 방향 벡터의 각도는 도 6에 도시된 바와 같다.In the local Cartesian coordinates, the angles of the noise source direction vectors with respect to the x-axis, y-axis, and z-axis are as shown in FIG. 6.
도 6을 참조하면, α, β 및 γ는 각각 x, y, z축에 관한 소음원 벡터의 방향각을 나타내며, φ 및 θ는 각각 방위각과 고도를 나타낸다. 이때, 본 발명은 방향각 α 및 β에서 방위각 φ 및 고도 θ를 식별하고자 한다.Referring to FIG. 6, α, β, and γ represent the direction angles of the noise source vector with respect to the x, y, and z axes, respectively, and φ and θ represent the azimuth and elevation, respectively. At this time, the present invention attempts to identify the azimuth angle φ and elevation θ at the direction angles α and β.
이에, 각 마이크 쌍에서 추정된 도착시간 차이(Time Difference of Arrival; TDoA)에서 α 및 β 값은 하기의 [수식 8] 및 [수식 9]를 통해 산출된다.Accordingly, the values of α and β in the estimated Time Difference of Arrival (TDoA) in each microphone pair are calculated through the following [Equation 8] and [Equation 9].
[수식 8][Equation 8]
[수식 9][Equation 9]
여기서, 소음 방향 벡터의 방향 코사인 간의 관계는 하기의 [수식 10]과 같다.Here, the relationship between the direction cosines of the noise direction vectors is as shown in [Equation 10] below.
[수식 10][Equation 10]
또한, 고도 θ와 z축 방향각 γ의 관계는 하기의 [수식 11]과 같다.In addition, the relationship between the elevation θ and the z-axis direction angle γ is as shown in [Equation 11] below.
[수식 11][Equation 11]
이에, [수식 10]과 [수식 11]을 통해 고도에 대해 도출된 표현식은 [수식 12]와 같다.Thus, the expression derived for altitude through [Equation 10] and [Equation 11] is the same as [Equation 12].
[수식 12][Equation 12]
여기서, 방위각의 탄젠트는 하기의 [수식 13]과 같이 표현되며, 방위각의 표현은 하기의 [수식 14]와 같이 표현된다.Here, the tangent of the azimuth is expressed as [Equation 13] below, and the expression of the azimuth angle is expressed as [Equation 14] below.
[수식 13][Equation 13]
[수식 14][Equation 14]
이에 따라서, 고도를 식별하는 데 마이크 쌍이 두개만 사용된다면, z > 0 평면과 z < 0 평면 사이의 모호성을 피할 수 있다. 나아가, 완전한 3차원 공간 위치 지정이 가능하도록 z축을 따라 하나의 추가 마이크 쌍을 사용할 수 있다. 마이크 쌍 3(mic 4 및 5)의 도착시간 차이(Time Difference of Arrival; TDoA) 부호를 통해 소음원 위치 추정부(120)는 z > 0 공간 또는 z < 0 공간 중 어느 곳에 소음원이 있는지 결정한다.Accordingly, if only two pairs of microphones are used to identify altitude, the ambiguity between the z> 0 plane and the z <0 plane can be avoided. Furthermore, one additional pair of microphones can be used along the z-axis to allow for full three-dimensional spatial positioning. The noise source
이에, 이 문제를 고려하여 고도를 표현하면 다음과 같다.Thus, considering this problem, the elevation is expressed as follows.
[수식 15][Equation 15]
이에 따라서, 소음원 위치 추정부(120)는 매우 짧은 시간 안에 방위각과 고도를 결정할 수 있다. Accordingly, the noise source
다만, 소음원의 위치를 정확하게 알아내는 데는 여러 가지 오류가 있을 수 있으므로, 소음원 위치 추정부(120)는 로우 패스 필터(Low Pass Filter)를 통과하여 오류를 최소화한 소음원 위치 데이터를 추정할 수 있다. However, since there may be various errors in accurately determining the location of the noise source, the noise source
소음원 위치 추정부(120)는 초기 시간에 마이크 어레이에 구성된 복수의 마이크들 각각에서 모든 전압 값을 측정하고, 소음이 없는 환경에서 측정된 전압 값에 대한 평균 값을 산출하여 복수의 마이크들의 오프셋을 결정할 수 있다. The noise source
구체적으로 설명하자면, 대부분의 경우 센서와 마이크는 센서 대 센서 변화라는 문제를 가지고 있다. 그것은 모든 마이크가 같은 판독 회로를 가지고 있음에도 불구하고 다른 특징과 출력을 가지고 있다는 것을 의미한다. 이러한 차이는 교차 상관관계에 의해 도출된 도착시간 차이(Time Difference of Arrival; TDoA)를 결정하는 데 일부 오류를 초래한다.Specifically, in most cases, sensors and microphones have a problem of sensor-to-sensor change. That means that all microphones have different features and outputs, despite having the same readout circuit. This difference causes some errors in determining the Time Difference of Arrival (TDoA) derived by cross-correlation.
이에 따라서, 소음원 위치 추정부(120)는 도 7에 도시된 흐름도를 통해 초기 시간에 마이크 대 마이크 변동을 교정할 수 있다. 도 7을 참조하면, 소음원 위치 추정부(120)는 초기 시간에는 소음 모니터링 시스템(100)이 모든 마이크에서 모든 전압 값을 측정(read Voltages from all Mic.)하고, 소음이 없는 환경에서 평균 값을 계산(Calculate Average Value)한다. 그런 다음 평균 값에서 모든 마이크의 오프셋을 결정(Calculate offsets from all Mic. Using Avg.)하여 마이크 대 마이크 변동을 교정할 수 있다.Accordingly, the noise source
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)의 통신부(130)는 소음 레벨 데이터 및 소음원 위치 데이터를 연동된 모바일 디바이스로 전송한다. Referring back to FIG. 1, the
통신부(130)는 저전력 블루투스 기술(Bluetooth Low Energy)을 통해 소음 레벨 데이터 및 소음원 위치 데이터를 모바일 디바이스로 전송할 수 있다. The
예를 들면, 통신부(130)는 무선 전송 집적 회로(Wireless data transport device) 또는 무선 전송 장치일 수 있으며, 통신 모듈은 층간 소음 측정 장치(100)와 외부의 서버, 월패드 및 모바일 디바이스 중 적어도 어느 하나와 정보 교환이 수행될 수 있도록 임의의 유선 및/또는 무선 통신 인터페이스를 구현하도록 구성될 수 있다. 이때, 통신부(130)는 서로 다른 전송 대역폭으로 데이터 및 제어 커맨드를 송수신할 수 있으며, 커버리지(coverage)에 따라 저전력 블루투스 기술(BLE)를 사용하는 것을 특징으로 한다.For example, the
본 발명의 실시예에 따른 모바일 디바이스는 사용자가 소지하는 휴대용 단말 기기로 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)에 관련된 애플리케이션(Application)이 설치된 기기일 수 있다. 예를 들면, 모바일 디바이스는 스마트폰, 데스크탑 PC, 모바일 단말, PDA, 노트북, 태블릿 PC 및 웨어러블 기기 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 나아가, 모바일 디바이스는 사용자의 선택 입력을 수신할 수 있으며, 터치-감지 영역을 포함하는 스크린을 통해 소정의 기능 집합의 동작을 수행할 수 있는 터치 스크린 형태의 디스플레이를 포함하는 것일 수 있고, 하나 이상의 물리적 버튼 또는 가상의 버튼을 포함하는 기기일 수 있으므로 종류 및 형태는 이에 한정되지 않는다.The mobile device according to an embodiment of the present invention may be a portable terminal device possessed by a user, and may be a device in which an application related to the
본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템(100)은 제어부(140)를 더 포함할 수 있다.The
제어부(140)는 이벤트 감지기(Event detector) 또는 소음계 알고리즘을 이용하여 기 설정된 임계값을 초과하는 경우, 소음 레벨 측정부(110)를 웨이크업(wake-up)하여 소음의 측정을 제어할 수 있다. The control unit 140 may wake-up the noise
또한, 소음 레벨 측정부(110) 및 소음원 위치 추정부(120)를 통해 분석된 소음 레벨 데이터 및 소음원 위치 데이터를 기반으로, 특정 임계값(threshold value)을 초과하는 경우, 경고 알람 및 알람 메시지 중 적어도 어느 하나 이상의 출력 정보를 통신부(130)를 통해 모바일 디바이스로 전송하도록 제어할 수 있다. In addition, based on the noise level data and the noise source location data analyzed through the noise
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 모니터링 시스템의 구성도를 도시한 것이다. 8 is a block diagram of a multiple monitoring system according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 모니터링 시스템은 복수의 소음 모니터링 시스템(810)과 모바일 디바이스(820) 간의 데이터 송수신을 나타낸다. A multiple monitoring system according to another embodiment of the present invention represents data transmission and reception between a plurality of
소음 모니터링 시스템(810)은 마이크 어레이를 통해 감지되는 소음 신호를 통해 음압 레벨(SPL) 측정을 통한 소음 레벨 데이터를 측정하고, 소음 신호의 도달 시간에 따른 도착시간 차이를 이용하여 소음 발생원의 방향 및 위치에 대한 소음원 위치 데이터를 추정한다. The
이때, 소음 모니터링 시스템(810)은 앞서 도 1 내지 도 7을 통해 설명하였으므로, 이하에서는 생략한다. At this time, since the
모바일 디바이스(820)는 소음 모니터링 시스템(810)으로부터 수신된 소음 레벨 데이터 및 소음원 위치 데이터를 디스플레이한다. The
모바일 디바이스(820)는 소음 레벨 데이터 및 소음원 위치 데이터와 소음 모니터링 시스템(810)에 포함된 압전소자(PZT) 센서 어레이를 통해 감지되는 충격 데이터를 기반으로, 소음 레벨과 소음원 위치에 대한 결과 데이터를 디스플레이할 수 있다. 또한, 모바일 디바이스(820)는 복수의 소음 모니터링 시스템(810)으로부터 수신된 데이터를 기반으로, 두 개 이상 선의 교차점을 통해 소음 신호에 대한 소음 위치를 파악할 수 있다. The
보다 구체적으로 설명하면, 소음 모니터링 시스템(810)은 소음의 방위각과 고도에 대한 각도만을 계산한다. 추가적으로 실내 주변 소음의 위치를 파악하기 위해서는 모바일 디바이스(820)와 연결하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 모니터링 시스템을 사용한다. More specifically, the
예를 들어, 소음의 위치는 두 개 이상 선의 교차점을 통해 파악할 수 있으며, 모바일 디바이스(820)는 사용자 편의를 위한 서버로 활용될 수 있다. 각 실내 주변 소음 모니터링 시스템(810)은 BLE를 통해 각 소음에 관련된 소음 레벨 데이터 및 소음원 위치 데이터를 모바일 디바이스(820)로 전송한다. 이때, 모바일 디바이스(820)의 애플리케이션은 기존 BLE 애플리케이션과는 다른 접근 방식을 통해 여러 시스템과 동시에 통신해야 하기 때문에 소음 모니터링 시스템(810) 안창에 접속한다. For example, the location of the noise may be identified through the intersection of two or more lines, and the
실시예에 따라서, 안드로이드 애플리케이션은 통신 범위 내의 소음 모니터링 시스템(810)을 검색하려 시도하며, 그 후에 결과를 모바일 디바이스(820)에 디스플레이할 수 있다. 이에, 사용자는 소음원의 위치 정보를 얻기 위해 여러 시스템을 선택해야 하며, 장치를 선택하면 해당 장치의 주소가 연결 대기열에 삽입되어 연결이 이루어진다. 성공적인 연결 후, 응용 프로그램은 읽기, 쓰기 및 플로팅을 시작할 수 있다. Depending on the embodiment, the Android application attempts to search for the
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 동작 방법의 흐름도를 도시한 것이다.9 is a flowchart illustrating a method of operating noise monitoring according to an embodiment of the present invention.
도 9의 방법은 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 소음 모니터링 시스템에 의해 수행된다.The method of FIG. 9 is carried out by the noise monitoring system according to the embodiment of the invention shown in FIG. 1.
단계 910에서, 마이크 어레이를 통해 감지되는 소음 신호를 통해 음압 레벨(SPL) 측정하여 소음 신호에 대한 소음 레벨 데이터를 측정한다. In
단계 910은 마이크 어레이를 통해 감지되는 아날로그 오디오 신호를 디지털 데이터인 소음 신호로 변환하고, 고속 푸리에 변환(FFT)에서 샘플링 후 주파수 영역에서 A-가중치를 적용하여 실효값(RMS)을 산출하며, 시간 가중치를 적용하여 소음의 음압 레벨(SPL)을 산출할 수 있다. Step 910 converts the analog audio signal sensed through the microphone array into a noise signal, which is digital data, and calculates an RMS value (RMS) by applying an A-weighted value in the frequency domain after sampling in a fast Fourier transform (FFT). By applying the weight, the sound pressure level (SPL) of the noise can be calculated.
이에, 단계 910은 산출된 음압 레벨(SPL)을 소음의 표준 측정 단위로 사용하여 소음 레벨 데이터를 측정할 수 있다. Accordingly, in
단계 920에서, 마이크 어레이에 감지되는 소음 신호의 도달 시간에 따른 도착시간 차이를 이용하여 소음 발생원의 방향 및 위치에 대한 소음원 위치 데이터를 추정한다. In
단계 920은 복수의 마이크를 포함하는 마이크 어레이에서, 마이크 쌍으로부터 소음 신호의 도달 시간에 따른 도착시간 차이(Time Difference of Arrival; TDoA)를 측정하고, 도착시간 차이에서 방향 각도를 식별할 수 있다. 이에, 단계 920은 도착시간 차이 및 방향 각도를 기반으로, 방위각 및 고도의 각도 정보를 산출하여 소음 신호에 대한 3차원 방향 및 위치의 소음원 위치 데이터를 추정할 수 있다.In
다만, 소음원의 위치를 정확하게 알아내는 데는 여러 가지 오류가 있을 수 있으므로, 단계 920은 로우 패스 필터(Low Pass Filter)를 통과하여 오류를 최소화한 소음원 위치 데이터를 추정할 수 있다. However, since there may be various errors in accurately determining the location of the noise source, step 920 may estimate the noise source location data that minimizes the error by passing through a low pass filter.
또한, 단계 920은 초기 시간에 마이크 어레이에 구성된 복수의 마이크들 각각에서 모든 전압 값을 측정하고, 소음이 없는 환경에서 측정된 전압 값에 대한 평균 값을 산출하여 복수의 마이크들의 오프셋을 결정할 수 있다.In addition,
단계 930에서, 소음 레벨 데이터 및 소음원 위치 데이터를 연동된 모바일 디바이스로 전송한다. In
단계 930은 저전력 블루투스 기술(Bluetooth Low Energy)을 통해 소음 레벨 데이터 및 소음원 위치 데이터를 모바일 디바이스로 전송할 수 있다. In
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(Field Programmable Gate Array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of a hardware component and a software component. For example, the devices and components described in the embodiments are, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a Field Programmable Gate Array (FPGA). , A programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions, such as one or more general purpose computers or special purpose computers. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications executed on the operating system. In addition, the processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of software. For the convenience of understanding, although it is sometimes described that one processing device is used, one of ordinary skill in the art, the processing device is a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it may include. For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. In addition, other processing configurations are possible, such as a parallel processor.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of these, configuring the processing unit to behave as desired or processed independently or collectively. You can command the device. Software and/or data may be interpreted by a processing device or to provide instructions or data to a processing device, of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device. , Or may be permanently or temporarily embodyed in a transmitted signal wave. The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on one or more computer-readable recording media.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -A hardware device specially configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of the program instructions include not only machine language codes such as those produced by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operation of the embodiment, and vice versa.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described by the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those of ordinary skill in the art. For example, the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or components such as a system, structure, device, circuit, etc. described are combined or combined in a form different from the described method, Alternatively, even if substituted or substituted by an equivalent, an appropriate result can be achieved.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and claims and equivalents fall within the scope of the claims to be described later.
Claims (16)
상기 마이크 어레이에 감지되는 상기 소음 신호의 도달 시간에 따른 도착시간 차이를 이용하여 소음 발생원의 방향 및 위치에 대한 소음원 위치 데이터를 추정하는 소음원 위치 추정부; 및
상기 소음 레벨 데이터 및 상기 소음원 위치 데이터를 연동된 모바일 디바이스로 전송하는 통신부를 포함하되,
상기 소음 레벨 측정부는
상기 마이크 어레이를 통해 감지되는 아날로그 오디오 신호를 디지털 데이터인 상기 소음 신호로 변환하여 고속 푸리에 변환(FFT)에서 샘플링 후 주파수 영역에서 A-가중치를 적용하여 실효값(RMS)을 산출하며, 시간 가중치를 적용하여 소음의 음압 레벨(SPL)을 산출하고, 상기 산출된 음압 레벨(SPL)을 소음의 표준 측정 단위로 사용하여 상기 소음 레벨 데이터를 측정하며,
상기 소음 레벨 측정부는
지수 평균인 상기 시간 가중치를 고주파 소음을 제거하는 로우 패스 필터(Low Pass Filter)로 사용하며, 위치 지정에서 프레임에 가중치 이동 평균과 서브 프레임 평균을 사용하여 상기 음압 레벨을 산출하는 것을 특징으로 하고,
상기 소음원 위치 추정부는
초기 시간에 상기 마이크 어레이에 구성된 모든 마이크에서 전압 값을 측정하고, 소음이 없는 환경에서 측정된 전압 값에 대한 평균 값을 산출하며, 산출된 평균 값에서 상기 모든 마이크의 오프셋을 결정하여 마이크 대 마이크의 변동을 교정하는 것을 특징으로 하는, 소음 모니터링 시스템.A noise level measuring unit measuring sound pressure level (SPL) through a noise signal detected through a microphone array to measure noise level data for the noise signal;
A noise source location estimating unit for estimating noise source location data with respect to the direction and location of the noise source using a difference in arrival time according to the arrival time of the noise signal detected by the microphone array; And
Including a communication unit for transmitting the noise level data and the location data of the noise source to an interlocked mobile device,
The noise level measuring unit
The analog audio signal sensed through the microphone array is converted into the noise signal, which is digital data, sampled in a fast Fourier transform (FFT), and then an A-weighted value is applied in the frequency domain to calculate an RMS value (RMS), and the time weight is calculated. Applying to calculate the sound pressure level (SPL) of the noise, and measure the noise level data using the calculated sound pressure level (SPL) as a standard measurement unit of noise,
The noise level measuring unit
The time weight, which is an exponential average, is used as a low pass filter to remove high frequency noise, and the sound pressure level is calculated by using a weight moving average and a sub-frame average for a frame in positioning,
The noise source location estimation unit
At an initial time, voltage values are measured from all microphones configured in the microphone array, an average value of the voltage values measured in a noise-free environment is calculated, and an offset of all the microphones is determined from the calculated average value to determine microphone-to-microphone. A noise monitoring system, characterized in that for correcting fluctuations in the.
상기 소음원 위치 추정부는
복수의 마이크를 포함하는 상기 마이크 어레이에서, 마이크 쌍으로부터 상기 소음 신호의 도달 시간에 따른 상기 도착시간 차이(Time Difference of Arrival; TDoA)를 측정하고, 상기 도착시간 차이에서 방향 각도를 식별하는, 소음 모니터링 시스템.The method of claim 1,
The noise source location estimation unit
In the microphone array including a plurality of microphones, noise for measuring the time difference of arrival (TDoA) according to the arrival time of the noise signal from the pair of microphones, and identifying a direction angle from the difference in arrival time Monitoring system.
상기 소음원 위치 추정부는
상기 도착시간 차이 및 상기 방향 각도를 기반으로, 방위각 및 고도의 각도 정보를 산출하여 상기 소음 신호에 대한 3차원 방향 및 위치의 상기 소음원 위치 데이터를 추정하는, 소음 모니터링 시스템.The method of claim 4,
The noise source location estimation unit
A noise monitoring system for estimating the noise source position data of the three-dimensional direction and position for the noise signal by calculating angle information of azimuth and altitude based on the difference in arrival time and the direction angle.
상기 소음원 위치 추정부는
로우 패스 필터(Low Pass Filter)를 통과하여 오류를 최소화한 상기 소음원 위치 데이터를 추정하는 것을 특징으로 하는, 소음 모니터링 시스템.The method of claim 5,
The noise source location estimation unit
A noise monitoring system, characterized in that estimating the location data of the noise source that minimizes an error by passing through a low pass filter.
상기 통신부는
저전력 블루투스 기술(Bluetooth Low Energy)을 통해 상기 소음 레벨 데이터 및 상기 소음원 위치 데이터를 상기 모바일 디바이스로 전송하는, 소음 모니터링 시스템.The method of claim 1,
The communication unit
A noise monitoring system for transmitting the noise level data and the noise source location data to the mobile device through Bluetooth Low Energy.
상기 소음 모니터링 시스템으로부터 수신된 상기 소음 레벨 데이터 및 상기 소음원 위치 데이터를 디스플레이하는 모바일 디바이스를 포함하되,
상기 소음 모니터링 시스템은
상기 마이크 어레이를 통해 감지되는 아날로그 오디오 신호를 디지털 데이터인 상기 소음 신호로 변환하여 고속 푸리에 변환(FFT)에서 샘플링 후 주파수 영역에서 A-가중치를 적용하여 실효값(RMS)을 산출하며, 시간 가중치를 적용하여 소음의 음압 레벨(SPL)을 산출하고, 상기 산출된 음압 레벨(SPL)을 소음의 표준 측정 단위로 사용하여 상기 소음 레벨 데이터를 측정하며, 지수 평균인 상기 시간 가중치를 고주파 소음을 제거하는 로우 패스 필터(Low Pass Filter)로 사용하며, 위치 지정에서 프레임에 가중치 이동 평균과 서브프레임 평균을 사용하여 상기 음압 레벨을 산출하고,
초기 시간에 상기 마이크 어레이에 구성된 모든 마이크에서 전압 값을 측정하고, 소음이 없는 환경에서 측정된 전압 값에 대한 평균 값을 산출하며, 산출된 평균 값에서 상기 모든 마이크의 오프셋을 결정하여 마이크 대 마이크의 변동을 교정하는 것을 특징으로 하는, 다중 모니터링 시스템. Noise level data is measured through sound pressure level (SPL) measurement through the noise signal detected through the microphone array, and the noise source location data for the direction and location of the noise source using the difference in arrival time according to the arrival time of the noise signal A noise monitoring system to estimate; And
Including a mobile device for displaying the noise level data and the noise source location data received from the noise monitoring system,
The noise monitoring system
The analog audio signal sensed through the microphone array is converted into the noise signal, which is digital data, sampled in a fast Fourier transform (FFT), and then an A-weighted value is applied in the frequency domain to calculate an RMS value (RMS), and the time weight is Apply to calculate the sound pressure level (SPL) of the noise, measure the noise level data using the calculated sound pressure level (SPL) as a standard measurement unit of noise, and remove the high frequency noise by the time weight, which is an exponential average. It is used as a low pass filter, and the sound pressure level is calculated using a weighted moving average and a subframe average for a frame in positioning,
At an initial time, voltage values are measured from all microphones configured in the microphone array, an average value of the voltage values measured in a noise-free environment is calculated, and an offset of all the microphones is determined from the calculated average value to determine microphone-to-microphone. Characterized in that to correct for fluctuations in, multiple monitoring system.
상기 모바일 디바이스는
상기 소음 레벨 데이터 및 상기 소음원 위치 데이터와 상기 소음 모니터링 시스템에 포함된 압전소자(PZT) 센서 어레이를 통해 감지되는 충격 데이터를 기반으로, 소음 레벨과 소음원 위치에 대한 결과 데이터를 디스플레이하는, 다중 모니터링 시스템.The method of claim 9,
The mobile device is
Based on the noise level data, the noise source location data, and impact data detected through a piezoelectric element (PZT) sensor array included in the noise monitoring system, a multiple monitoring system for displaying result data on the noise level and the noise source location .
상기 모바일 디바이스는
복수의 상기 소음 모니터링 시스템으로부터 수신된 데이터를 기반으로, 두 개 이상 선의 교차점을 통해 상기 소음 신호에 대한 소음 위치를 파악하는 것을 특징으로 하는, 다중 모니터링 시스템.The method of claim 10,
The mobile device is
Based on the data received from the plurality of noise monitoring systems, characterized in that to determine the noise position for the noise signal through the intersection of two or more lines, multiple monitoring system.
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GRNT | Written decision to grant |