摘要：系統(tǒng)融合藝術(shù)和科技，設(shè)計了一款人性化噪音提醒裝置，采用嵌入式開發(fā)平臺和物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)，通過室內(nèi)環(huán)境(圖書館、自習(xí)室等)測試較好地實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，完成了噪音檢測、數(shù)據(jù)收集、智能提醒，實現(xiàn)了廣泛的噪音監(jiān)控和管理。系統(tǒng)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，有利于未來大規(guī)模的布設(shè)和使用，應(yīng)用前景廣闊。

　　關(guān)鍵詞：噪音檢測;物聯(lián)網(wǎng);聲音采集;嵌入式

　　0引言

　　當(dāng)前，噪音污染在日常生活中受到越來越多的重視，人們希望在某些地點營造一個安靜的環(huán)境，如圖書館、藝術(shù)展覽館、自習(xí)室、醫(yī)院病房等。而對聲音的控制有一定的難度，特別是由人有意或無意發(fā)出的聲音，例如，講話的聲音，走路時發(fā)出的響聲，搬動物體產(chǎn)生的聲音等。往往需要通過當(dāng)事人的自覺遵守或他人的善意提醒來控制噪音的產(chǎn)生。

　　因此希望設(shè)計一個系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)噪音的檢測，并以一種自然且人性化的互動方式提醒，而非簡單的聲音或文字提示。同時也能夠收集噪音數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析和顯示，實現(xiàn)廣泛的噪音監(jiān)控和管理。產(chǎn)品設(shè)計靈感來源于藝術(shù)家AparnaRao的藝術(shù)品ThePygmies，這是一款聲音感應(yīng)互動裝置。藝術(shù)家認(rèn)為人們總是被一些非常害羞、敏感并且可愛的小生物圍繞，就像一些小小的部落那樣，與人們生活在同樣的空間，互相觀察著彼此。AparnaRao在墻上安裝有很多形狀不一的面板，類似墻面裝飾，如果周圍環(huán)境非常安靜，那么藏在其中的黑色‘小生物’就會探出頭來，但是它們非常膽小，一點點動靜就會嚇得它們縮回頭去。每一個‘小生物’都設(shè)定了不同的動作，最大程度地讓它們像真正的生物一樣有感情、有性格。該設(shè)計與本文觀點高度吻合，于是借鑒ThePygmies的理念結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)將兩者較好地融合。

　　1系統(tǒng)組成

　　以開發(fā)板上的單片機(jī)為核心，通過聲音模塊采集聲音數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對環(huán)境的感知。對聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，機(jī)械部分做出相應(yīng)的控制以操縱小人活動。此外，單片機(jī)通過藍(lán)牙和因特網(wǎng)分別與安卓設(shè)備和云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。安卓設(shè)備主要用于實時顯示周圍設(shè)備檢測得到的聲音數(shù)值，幫助管理人員進(jìn)行設(shè)備管理以及必要的提醒。云端部分可以實現(xiàn)對聲音數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、收集、存儲并做出分析。

　　1.1機(jī)械部分

　　采用步進(jìn)電機(jī)對小人的活動進(jìn)行控制，由絲桿對運(yùn)動方向進(jìn)行引導(dǎo)。其優(yōu)點是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單可靠，安裝方便。

　　1.2嵌入式部分

　　1.2.1聲音模塊

　　聲音模塊由咪頭、MAX9812固定增益放大器、XC6206穩(wěn)壓器組成。模塊體積小，采用3.3～5V電源供電，方便與開發(fā)板等嵌入式系統(tǒng)組合使用。而駐極體話筒(咪頭)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、電聲性能好、價格低等特點，被廣泛應(yīng)用于盒式錄音機(jī)、無線電話筒及聲控電路中。運(yùn)放使用MAX9812L單輸入20dB固定增益麥克風(fēng)放大芯片，內(nèi)置低噪聲麥克風(fēng)偏置，適用于筆記本電腦、手機(jī)、掌上電腦等便攜音頻設(shè)備。人耳的聽覺頻率范圍大體在2～20kHz之間，且大部分噪音的能量集中在低頻部分，因此對處理咪頭所采集的信號的運(yùn)算放大器必須在輸入信號頻率范圍內(nèi)有較為優(yōu)異的增益平坦度。而MAX9812的頻率和輸出增益曲線恰好能滿足這一點，其在10～100kHz的輸入信號頻率下穩(wěn)定于20dB。

　　1.2.2電機(jī)驅(qū)動模塊

　　考慮到系統(tǒng)對小人的運(yùn)動狀態(tài)需要有較為精確的感知和控制，且運(yùn)動速度不定，因此使用步進(jìn)電機(jī)控制更合適。因為MCU引腳輸出能力并不能驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，所以一般需要使用電機(jī)驅(qū)動芯片。本文系統(tǒng)選用3086A-MFP10S電機(jī)驅(qū)動芯片，低飽和電壓型雙向電機(jī)驅(qū)動器IC，具有低飽和輸出和低功率特性。

　　1.2.3噪聲數(shù)據(jù)處理

　　本文系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)處理主要集中在聲音信號采集后的數(shù)據(jù)分類與識別過程中。對模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)通過兩種方案進(jìn)行處理：(1)將轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)字信號值按大小分類，分別代表不同的環(huán)境噪聲等級;(2)將轉(zhuǎn)換完畢的信號值進(jìn)行存儲并與時間鄰近的值比較，重新計算得到變化量，按照變化量的大小分類，分別代表不同的環(huán)境噪聲變化等級。對兩種聲音處理方案進(jìn)行分析，在環(huán)境噪聲影響下采集到的信號往往具有一定程度的波動。

　　方案(1)需要針對每個布設(shè)環(huán)境進(jìn)行分析與閾值設(shè)定，否則存在較大的誤差和不穩(wěn)定性，較適合靜態(tài)噪聲的監(jiān)測。方案(2)為動態(tài)聲音監(jiān)測，更加適合突發(fā)性噪音的監(jiān)測。根據(jù)實測數(shù)據(jù)得到的采樣值相對變化數(shù)值可以分為三檔，分別為>50，>100和>200，對應(yīng)三種不同的噪聲音量。將三類音量大小分別對應(yīng)三種電機(jī)轉(zhuǎn)速。在不同的噪音等級下，目標(biāo)提示物會做出不同程度的運(yùn)動，以提醒附近人員保持安靜。

　　1.3安卓部分

　　為了能夠?qū)⒃肼暤姆植记闆r實時反映給管理員，本文設(shè)計了一款基于Android平臺的手機(jī)APP，手機(jī)通過藍(lán)牙與設(shè)備連接后，可以顯示當(dāng)前區(qū)域的噪聲情況，時延低，適應(yīng)于實時數(shù)據(jù)監(jiān)測。手機(jī)接入互聯(lián)網(wǎng)后，可以從云端獲取全部區(qū)域的噪聲分布情況。APP主要用戶為管理員，UI界面需要呈現(xiàn)實時噪音等級及位置信息。為了能夠直觀體現(xiàn)噪聲數(shù)據(jù)的變化情況，在APP中選擇使用折線圖的方式顯示數(shù)據(jù)。

　　橫軸表示時間，縱軸表示噪聲強(qiáng)度，每個點對應(yīng)每次采集得到的數(shù)據(jù)點。在顯示控件中，數(shù)據(jù)點能夠隨著采集時間的變化不斷滾動以達(dá)到實時顯示數(shù)據(jù)的目的。此外，縱軸的坐標(biāo)范圍可以隨噪聲強(qiáng)度自動變化，自適應(yīng)不同的噪聲強(qiáng)度。本地監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳到云端并存儲后，手機(jī)可以通過云端獲取數(shù)據(jù)，查看不同區(qū)域、不同時間、不同設(shè)備的噪聲情況。在保證查看數(shù)據(jù)移動便捷的同時，彌補(bǔ)了通過藍(lán)牙鏈接設(shè)備查看數(shù)據(jù)導(dǎo)致的空間和時間上的局限性。

　　1.4云端部分

　　設(shè)備將數(shù)據(jù)收集并上傳到云端物聯(lián)網(wǎng)平臺，然后進(jìn)行存儲和應(yīng)用(分析、監(jiān)控)。開發(fā)板(連接溫度傳感器)通過MQTT協(xié)議定期將聲音信息發(fā)送到IoTFoundation，并使用Bluemix中的功能將這些信息描繪成圖表。對傳感器數(shù)據(jù)的采集此處不再贅述，數(shù)據(jù)接入云端后分別進(jìn)行存儲、顯示和警報判斷。存入數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)包括設(shè)備信息、位置編碼、聲音值、時間等，可以通過數(shù)據(jù)庫查詢需要的信息。通過云端，管理員可以監(jiān)控流量情況、設(shè)備狀態(tài)，并能夠得到詳細(xì)的聲音數(shù)值和變化狀態(tài)，以便進(jìn)行分析和管理。

　　2系統(tǒng)測試與分析

　　將設(shè)備分別置于圖書館、自習(xí)室中進(jìn)行架設(shè)測試并分析。在圖書館區(qū)域，設(shè)備可以嵌入到書架中，與書架融為一體，達(dá)到較好的效果。自習(xí)室環(huán)境下，設(shè)備最理想的安裝位置位于桌面中部區(qū)域，架設(shè)時需要對現(xiàn)有桌面進(jìn)行改造，以實現(xiàn)理想的效果，架設(shè)存在一定的難度。設(shè)備架設(shè)在書架與書桌上的效果。實際測試時發(fā)現(xiàn)，設(shè)備架設(shè)完畢后，只需略加調(diào)試便可較好地實現(xiàn)聲音的監(jiān)測及提醒。

　　參與測試的學(xué)生對這種新穎的提醒方式表現(xiàn)出了極大的熱情和認(rèn)同。實地測試時發(fā)現(xiàn)部分問題需要進(jìn)一步改進(jìn)：(1)電機(jī)采用剛性固定殼體及桌面書架連接，電機(jī)運(yùn)行時的震動容易引起共振，使震動聲音擴(kuò)大，造成噪音的二次污染。(2)由于麥克風(fēng)的聲音采集具有一定的指向性，單個麥克風(fēng)會出現(xiàn)聲音采集的盲區(qū)，因此需要布置多個麥克風(fēng)來保證聲音采集的有效性，使設(shè)備不會漏采某方向的聲音。(3)有些聲音雖然音量較大，但是比較低沉，且頻率不高，不會對其他人造成太大困擾，是否可以針對聲音頻率進(jìn)行改善等問題值得探討。

　　3結(jié)語

　　本文系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一款自然且人性化的噪音提醒裝置，創(chuàng)新融合了藝術(shù)和科學(xué)技術(shù)。通過實地測試能夠較好地實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，完成噪音檢測、數(shù)據(jù)收集、智能提醒，進(jìn)行廣泛的噪音監(jiān)控和管理。該系統(tǒng)成本低，結(jié)構(gòu)簡潔，有利于未來大規(guī)模布設(shè)和使用，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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