基于物联网的环境噪声监测系统研究*

刘向举， 李敬兆， 刘丽娜

(1.安徽理工大学 计算机科学与工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 测绘学院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

噪声与废气、废水、固体废物并称为城市环境的四大污染源。随着城市化进程的加快，城市环境噪声污染也日益突出。环境噪声已经成为世界各大城市面临的一个重要环境保护问题，环境噪声控制已成为环保工作的重要内容。目前世界上许多大城市都已实现了噪声监测自动化，像欧美多个国家，以及日本、韩国等[1]。在我国，噪声自动监测系统的发展还比较滞后，只有少数发达城市使用了噪声自动监测系统[2]。

传统的监测方式主要有人工监测和有线方式监测[3,4]。但噪声污染属于物理污染，具有即时性和随机性，不像水和大气等化学污染，存在滞留性和扩散性。因此，人工监测有时不可避免地受到各种非技术因素的干扰，产生与实际情况相悖的数据，而且无法对噪声实行24小时监测，难以实现噪声监测数据的实时性和准确性，给环境执法部门和环境治理带来很大的难度；有线方式监测存在着布网困难、成本高、灵活性差和易被破坏等缺点[5]。

本文提出的基于物联网(IoT)的噪声监测系统，能够实现噪声的24小时连续、准确监测并无需人员值守监测点，而且能够给出噪声源的具体位置，克服了传统监测方式的局限性，可有效提高噪声监测的工作效率和经济效益。

1 系统总体框架

整个系统由监控终端、区域中心节点，管理控制中心组成。监控终端负责信号的采集和转发，并以无线的方式传送到具有数据融合能力的路由节点，路由节点负责将这些数据传送到区域中心节点，并接收中心节点发出的控制命令转发到监测终端。中心节点负责将采集到的数据进行处理并传送到管理控制中心。管理中心对数据分析后进行发布，绘制噪声地图等。噪声监测系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2 系统设计

2.1 系统硬件设计

2.1.1 监控终端硬件设计

监测终端主要包括微控制器、无线通信模块、GPS定位模块、传感器模块、现场显示模块和电源模块,负责噪声数据和GPS数据的采集，并将这些数据绑定后上传至区域中心控制节点。监控终端结构图如图2所示。

图2 监控终端结构图

2.1.2 区域中心节点硬件设计

区域中心节点由计算机和数据采集网关组成。数据采集网关[6]和监控终端节点的结构基本相同，数据采集网关通过串口或USB口与计算机相连，将采集的噪声数据和GPS数据传输到区域处理计算机。

2.1.3 系统硬件设备的选择

1)微控制器：微控制器采用三星公司推出的微处理器S3C2440A，以ARM920T的RISC作为S3C2440A核心处理器(CPU)，具有低价格、低功耗、高性能的特点;并且提供一套完整的通用系统外设，减少整体系统成本。

2)无线通信模块：无线通信模块选用CC2530。CC2530集成了IEEE 802.15.4,Zig Bee和RF4CE应用,2.4 GHz的CC253x片上系统解决方案适用于各种Zig Bee和Zig Bee PRO的无线传感网络节点[7]，包括协调器、路由器和终端节点[8]。

3)传感器模块：噪声测量仪选用袖珍式HS5633T型声级计，测量范围为30～130 dB (A)/35～130 dB(C)，灵敏度为30 mV/Pa，性能符合GB 3785和IEC 61672标准对2级声级计的要求。能瞬时输出声级数据，整机耗电小于25 mA，符合无线传感器网络的要求[9]。提供标准RS—232/RS—485输出接口，可直接连接串口设备。

4)GPS定位模块：GPS接收器采用韩国Gstar GS—216，该接收设备采用最新MTK 3329芯片，灵敏度高和功耗低，定位精度小于10 m，具备快速定位和追踪32颗卫星的能力。采用紧凑型防水设计，GPS与天线一体式解决方案，适合安装户外而且减少了GPS天线走线的复杂度和长距离的信号衰减。

2.2 系统软件设计

2.2.1 监控终端软件设计

监控终端负责数据采集和数据转发，程序流程图如图3所示。

图3 监控终端软件流程图

为了最大限度地减少功耗节省通信带宽，终端节点采用数据离散采集方式，即设定噪声采集时间间隔，每隔一段时间采集一次噪声数据。而且这个时间间隔可以不等，在高峰期时可以设定时间间隔小，低谷期时设定时间间隔大。另外，终端节点并不是将每次采集的数据都传送到数据中心，而是首先对采集的数据要进行超限判断，只有超限的数据才发送至中心节点;否则,不发送。最后，终端节点还要判断是否有转发数据的任务，如果有，则接收并转发其它节点数据；若没有，则关闭无线收发单元，使节点进入睡眠状态，等待新一轮的数据采集。

2.2.2 区域中心节点软件设计

区域中心节点负责组网，监控终端节点设备的加入。与加入网络的设备通信，判断是否有数据收到并检查数据格式是否符合标准，如果满足条件则执行数据接收。监测串行端口，如果收到数据，则进行数据采集和处理，并按照要求，上传数据至服务器；如没有数据，则继续执行其他任务。另外区域中心节点还负责向终端节点发送控制信号，控制终端节点。区域中心节点软件流程图如图4所示。

图4 区域中心节点软件流程图

2.2.3 GPS模块软件设计

系统所采集的GPS数据遵循NMEA—0183标准 ，输出GPS定位信息的包括$GPGGA，$GPGSA，$GPGSV，$GPRMC，$GPVTG，$GPGLL，$GPZDA格式供选择，本系统选用最小GPS数据格式$GPRMC[10]。

GPS导航定位信息通过串口传送到计算机中，但这些信息在没有经过分类提取之前是一串无法加以利用的字节流，必须通过程序将各个字段的信息提取出来，将其转换成有实际意义的定位信息数据[11]。

GPS信息提取程序主要函数如下：

1)HANDLE OpenCom(CString strCom,DWORD BaudRate,BYTE ByteSize,BYTE StopBits,BYTE Parity,int FlowControl)

∥打开串口

2)int GetSubStringCount(CString str,charcFlag)

∥ 获取子字符串个数

3)CString GetSubString(CString str,int i,char cFlag)

∥获取子字符串

4)CStringCGpsDataView::Analyzing(CStringstr)

∥数据解析，提取时间、经纬度并将数据写入文件

5)void RGpsDataView::OnFileRead()

∥读取文件数据并解析

6)bool GpsPoint::SetBL(double dB,double dL)

∥将度分秒经纬度转换为弧度后再转换为平面坐标

7)bool GpsPoint::Setxy(double dx,double dy)

∥将平面坐标转换为(弧度)经纬度

3 系统应用试验

本系统在某高校校园进行测试，按照声环境质量标准[12]，该测试区域为1类环境功能区，昼间噪声不能超过55 dB(A)，夜间噪声不能超过45 dB(A)，该高校的重要区域布置了6个终端节点、2个路由节点、1个区域中心节点。监测点分布图如图5所示，测试时间为6：40～11:00。需要说明的是由于是系统测试，数据量又不是很大，所以，表中给出的是所有噪声数据，没有进行超限设定限制。测得等效连续声级数据如表1所示，测试点坐标如表2所示。

图5 测试点分布图

从表1和表2的5组自动监测与手工监测对比数据可以看出:手工监测和自动监测的数据无显著性差异，只要监测点位和仪器选择恰当，噪声自动监测替完全可以替代手工监测。

将监测系统的监测结果结合地理信息系统(geographic information system,GIS)制图分析技术，得到学校噪声分析图，以7：40～8:00的这个时间段为例，其噪声情况如图6所示。该图可以直观地反映出测试区域内的噪声污染情况。管理部门可根据实际情况，对于不同的噪声区域，采取相应的管理对策。

表1 等效连续声级(dB)

表2 测试点坐标

图6 噪声分析图

4 结 论

本文基于物联网技术并结合GPS技术和GIS技术，设计了一种噪声监测系统，实现了噪声的连续、实时监控，工作人员不到现场便可监测现场噪声环境情况，并对出现的噪声超标情况及时做出相应的处理，为监测噪声污染，提供了一个便捷的手段，针对噪声的执法提供有力的证据。系统实验表明:该系统能够实时采集噪声数据并锁定噪声的具体位置，而且该系统安装比较简单，可移动性强，与传统的噪声监测系统相比具有无法比拟的优势。

参考文献:

[1] 陈丽华,吴对林,李美敏.东莞市环境噪声自动监测研究[J].环境科学与技术,2010,33(6E):276-279.

[2] 杨 光.关于城市环境噪声自动监测工作的思考[J].环境监测管理与技术,2009,21(4):9-11.

[3] 徐志国.基于无线传感器网络的噪声监测系统的设计[J].皖西学院学报,2009,25(5):69-71.

[4] 姚健东,姜志鹏,张 燕.基于DSP与无线通信技术的环境噪声监测系统的设计与应用[J].环境监控与预警,2011,3(6):25-27.

[5] 闰旭晟,杨建华,夏永松.基于CDMA网络的噪声监测技术研究[J].压电与声光,2012,34 (3):466-469.

[6] 王晓春,马亲民.基于无线传感网络的噪声测试系统[J].计算机工程与设计,2012,33(8):3273-3276.

[7] Texas Instruments．A true system-on-chip solution for 2．4 GHz IEEE 802．15．4 and Zig Bee applications[EB/OL].(2010—10—05)[2012—06—26].http:∥www.ti.com.cn/product/cn/cc2530.

[8] 李宗醒,闰 超,丁建宁,等.基于Super-ZigBee的高大建筑物台风监测系统[J].仪表技术与传感器,2011(10):44-45.

[9] 全 元,王翠平,王豪伟,等.基于无线传感器网的噪声监测系统设计及应用[J].环境科学与技术,2012,35(12J):255-258.

[10] 解 菁,孙传恒,周 超,等.基于GPS的农产品原产地定位与标识系统[J].农业机械学报,2013,44(3):142-146.

[11] 董杨渡,邹向阳,李 鹏.基于Zig Bee的伞兵位置监测系统[J].传感器与微系统,2013,32(6):88-94.

[12] GB 3096—2008,声环境质量标准[S].