環(huán)境噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)研究進展
摘要：由于國外工業(yè)化和城市化進程比較早，環(huán)境問題的產(chǎn)生和相應(yīng)的環(huán)境噪聲監(jiān)測研究與應(yīng)用也早于我國。幾個著名的國外聲學儀器公司開發(fā)的噪聲監(jiān)測產(chǎn)品已經(jīng)解決了自動測量、自動數(shù)據(jù)處理、信息自動傳輸、信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、監(jiān)測信息資源共享、工作環(huán)境不受限制等技術(shù)問題。
關(guān)鍵字：環(huán)境噪聲 自動監(jiān)測系統(tǒng)
1、 國內(nèi)環(huán)境噪聲監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀
由于國外工業(yè)化和城市化進程比較早，環(huán)境問題的產(chǎn)生和相應(yīng)的環(huán)境噪聲監(jiān)測研究與應(yīng)用也早于我國。幾個著名的國外聲學儀器公司開發(fā)的噪聲監(jiān)測產(chǎn)品已經(jīng)解決了自動測量、自動數(shù)據(jù)處理、信息自動傳輸、信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、監(jiān)測信息資源共享、工作環(huán)境不受限制等技術(shù)問題。僅就技術(shù)而言，目前環(huán)境噪聲監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較完備，能夠滿足當前環(huán)境噪聲監(jiān)測的技術(shù)要求，實現(xiàn)自動監(jiān)測僅僅是經(jīng)濟上能否承受的問題。
國外噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)大都應(yīng)用在機場噪聲的監(jiān)測和固定噪聲源的監(jiān)測中。大型的國際機場均有飛機噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)，各類飛機的起降噪聲數(shù)據(jù)由自動監(jiān)測系統(tǒng)取得，并直接與機場塔臺聯(lián)網(wǎng)，以確定其是否超標。日本全國布有大約7000個固定污染源噪聲自動監(jiān)測點，監(jiān)控各種噪聲源對周圍環(huán)境的干擾情況。
由于我國現(xiàn)有環(huán)境噪聲監(jiān)測儀器以手持式為主，自動監(jiān)測技術(shù)開發(fā)投入不足，環(huán)境噪聲自動監(jiān)測技術(shù)水平發(fā)展滯后于國際先進水平，成為環(huán)境噪聲研究領(lǐng)域中一項亟待深入開展的工作。
2、 自動監(jiān)測系統(tǒng)
我國已設(shè)立噪聲自動監(jiān)控系統(tǒng)的城市有北京、上海、哈爾濱等，噪聲監(jiān)測點1000多個。各個城市所采用的自動噪聲監(jiān)測系統(tǒng)組成大同小異，大致分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、前端供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸（有線或無線）系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)中心等四大部分。
2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要作用是完成對現(xiàn)場聲環(huán)境的測量工作，一般采用傳聲器及信號分析模塊采集并簡單處理信號。傳聲器是一種聲電換能器，可將測得的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，有電動式傳聲器、壓電式傳聲器和電容式傳聲器等三種：電動式傳聲器的優(yōu)點在于其固有噪聲小，輸出阻抗低，不需要阻抗變換器，可以直接連接衰減器和放大器，但是它的體積偏大，頻率響應(yīng)不平直，但是受溫度影響較大，穩(wěn)定性差；電容式傳聲器具有頻度范圍寬、頻率響應(yīng)平直、靈敏度變化小、長時間穩(wěn)定性好等優(yōu)點。根據(jù)噪聲監(jiān)測系統(tǒng)要求的工作范圍和工作環(huán)境，一般都選用電容傳聲器。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般有以下兩種實現(xiàn)方式：
⑴傳聲器模塊+AD轉(zhuǎn)換模塊：傳聲器模塊將采集到的噪聲信號轉(zhuǎn)換成微弱電信號（電壓或電流信號）后經(jīng)放大傳給AD轉(zhuǎn)換模塊，由AD轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，直接送到數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
⑵傳聲器模塊+AD轉(zhuǎn)換模塊+信號分析模塊：即在前種采集方式的基礎(chǔ)上，通過信號處理模塊對數(shù)字信號進行簡單計算分析，再將分析后的數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。信號處理模塊可以利用單片機技術(shù)自己開發(fā)，也可選用現(xiàn)有的噪聲頻譜分析儀的機芯。
現(xiàn)在很多的監(jiān)測系統(tǒng)都利用計算機軟件實現(xiàn)對信號的處理分析工作，這樣做可以簡化前端硬件設(shè)計，降低硬件成本。
2.2前端供電系統(tǒng)
噪聲監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多需要在戶外工作，供電一般采用蓄電池供給或蓄電池加市電聯(lián)合供給兩種方式。利用蓄電池供電，不受監(jiān)測地點的限制，流動性好，適合短期監(jiān)測工作；利用市電網(wǎng)絡(luò)為監(jiān)測系統(tǒng)供電則適合于長期監(jiān)測工作，為防止停電的情況發(fā)生，可接入小型蓄電池以提供緊急情況下的電源。
戶外工作的監(jiān)測系統(tǒng)一般需要滿足其工作環(huán)境的需要，其外觀設(shè)計需要滿足防風、防雨、防鳥停的功能，即使在監(jiān)測條件不佳的情況下也能保證正常工作。
2.3數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將采集系統(tǒng)取得的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心以供處理，同時將數(shù)據(jù)中心發(fā)出的指令傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般傳輸距離較遠。
數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)其采用的方式，可分為有線（架設(shè)光纜、電纜或租用電信專線）和無線（建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)或借用GSM/GPRS、CDMA等公用無線網(wǎng)絡(luò)平臺）兩大類。
現(xiàn)有的很多環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)采用有線、有線加調(diào)制解調(diào)器或光纖等通訊方式。基于電話線的傳輸方法有兩種：一種是監(jiān)測儀器和數(shù)據(jù)中心都通過調(diào)制解調(diào)器接入電話線網(wǎng)，傳送、接收雙方是對等的，隨時都可通過撥號詢問對方。另一種是監(jiān)測儀器用調(diào)制解調(diào)器接入電話線網(wǎng)，而數(shù)據(jù)中心接入計算機互聯(lián)網(wǎng)接收數(shù)據(jù)。因為電話線網(wǎng)的覆蓋面比較廣，利用電話線傳輸數(shù)據(jù)具有初期投資較小、數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率較高等優(yōu)點，但在使用過程中由于按占線時間的長短計費，不適合在線時間長而傳輸數(shù)據(jù)量少的監(jiān)測系統(tǒng)。如果監(jiān)測儀器周圍沒有電話線，就需要專門架設(shè)電話線，增加前期安裝工作的難度，增大監(jiān)測成本。采用光纖方式傳輸數(shù)據(jù)，雖然傳輸速度快，傳輸數(shù)據(jù)量大，但鋪設(shè)光纖成本過大，監(jiān)測部門很難承擔。
計算機和通信兩個領(lǐng)域的相互滲透、逐步融合促進了無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善提高，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將成為未來環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕獙崿F(xiàn)方式。無限數(shù)據(jù)通訊主要有以下幾種方式：無線電、移動通訊網(wǎng)短消息服務(wù)和移動通訊網(wǎng)+計算機互聯(lián)網(wǎng)等。
⑴無線電：利用一定頻率的無線電波信號，傳輸、接收監(jiān)測數(shù)據(jù)。無線電通訊一般在200~400MHz或2.4GHz左右的頻段使用。
采用無線電技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點是不需要傳輸資費，一般都數(shù)話兼容，同時還可以用來傳輸語音；缺點是隨著距離的增加，信號容易受干擾，而且容易對精密電子設(shè)備造成不良影響。
⑵移動通訊網(wǎng)短消息服務(wù)：短消息業(yè)務(wù)SMS（Short Message Service）是全球移動通信系統(tǒng)提供的一種能夠使用受機或GSM模塊接收和發(fā)送文本消息的服務(wù)。每條短消息最多可包含160個字母或70個漢字。
以SMS業(yè)務(wù)進行數(shù)據(jù)通信，雖然通信費用比較低廉，但由于其在傳輸過程中存在時延，不能滿足一些監(jiān)測系統(tǒng)實時性的要求。同時如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量超過短消息允許的最大長度，必須通過多次分組打包傳輸數(shù)據(jù)，這樣造成的時延就更長，而且通信費也隨之增加。
⑶移動通訊網(wǎng)+計算機互聯(lián)網(wǎng)：移動通信網(wǎng)是一種新型的基于分組交換的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，具有傳輸速度高、使用方便、經(jīng)濟等特點，逐漸在各行業(yè)內(nèi)開始應(yīng)用。將數(shù)據(jù)借用GSM/GPRS、CDMA等公用移動通訊網(wǎng)信息平臺傳送到計算機互聯(lián)網(wǎng)上，數(shù)據(jù)中心再從互聯(lián)網(wǎng)上獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。
全球移動通信系統(tǒng)，最早在歐洲開發(fā)出來并投入使用，由于受到無線接口的單個業(yè)務(wù)通信數(shù)據(jù)傳輸速率最高不能超過12kbp/s的限制，與其他網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信速率最高為9.6kbp/s。
通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS），作為第二代移動通信技術(shù)（GSM）向第三代移動通信（3G）技術(shù)的過渡，GPRS在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加了一個新的網(wǎng)絡(luò)，是一項高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，GPRS網(wǎng)絡(luò)理論上最大傳輸速率是171.2kbit/s，現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)實際支持的速率約為20~40kbit/s。計費方式按流量收取。
CDMA，是在數(shù)字技術(shù)的分支（擴頻通信技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有數(shù)據(jù)傳輸速率快、保密性好、功率低等特點。理論最高數(shù)據(jù)傳輸速率是2Mbit/s以上，實際可支持的速率為308kbit/s。
在計算機測控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通訊主要采用異步串行通訊方式。必須根據(jù)需要選擇標準接口，用來實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)與計算機之間的數(shù)據(jù)通訊。應(yīng)用在監(jiān)測系統(tǒng)的異步串行通訊接口有三種：
RS-232C：是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）正式公布的異步串行通訊中應(yīng)用最廣的標準總線，適合于短距離或帶調(diào)制解調(diào)器的通訊場合；
RS-485：EIA為了提高數(shù)據(jù)傳輸率和通訊距離公布的等串行總線接口標準；
20mA電流環(huán)：是一種非標準的串行接口電路。
目前大部分的噪聲監(jiān)測系統(tǒng)選用RS-232串行接口進行數(shù)據(jù)傳輸。
無線數(shù)據(jù)終端與數(shù)據(jù)中心之間需要采取一定的協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，包括UDP、TCP以及一些自主開發(fā)的協(xié)議。每種傳輸協(xié)議，適用的范圍不同，UDP協(xié)議適用于實時性強、數(shù)據(jù)差錯和順序要求不高的應(yīng)用，其優(yōu)點為寬帶利用率相對高，實時性相對好；TCP協(xié)議適用于數(shù)據(jù)差錯和順序要求高的應(yīng)用，其優(yōu)點為保證數(shù)據(jù)的正確和保持原有的順序；一些自主開發(fā)的協(xié)議則是建立在TCP的基礎(chǔ)上，適用于數(shù)據(jù)完整性、差錯控制和順序要求極高的應(yīng)用，其優(yōu)點為不但保證數(shù)據(jù)的正確和保持原有順序，而且保證不會因為無線網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定帶來TCP斷鏈而產(chǎn)生的用戶數(shù)據(jù)丟失。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，目前大多采用TCP協(xié)議或以TCP協(xié)議為基礎(chǔ)開發(fā)的協(xié)議作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。
2.4數(shù)據(jù)中心
數(shù)據(jù)中心是噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的最后一部分，主要功能是對噪聲數(shù)據(jù)分析、計算、統(tǒng)計、動態(tài)顯示波形圖、噪聲統(tǒng)計分布（正態(tài)分布或偏態(tài)分布）、相關(guān)性檢驗、期望值和標準差、噪聲趨勢預(yù)測、噪聲超標報警及現(xiàn)場錄音回放、噪聲頻譜分析等，并可結(jié)合地理信息系統(tǒng)完成空間數(shù)據(jù)的地理信息演示工作繪制各種日、月、年統(tǒng)計圖表等，為環(huán)境噪聲監(jiān)測和治理提供有效依據(jù)。有些監(jiān)控管理中心還為每個監(jiān)控點設(shè)置不同的噪聲限制級別，一旦噪聲超限就會發(fā)出警告。所有的采集數(shù)據(jù)都記錄在數(shù)據(jù)庫中。建立環(huán)境噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，為制定環(huán)境噪聲管理工作提供數(shù)據(jù)資料。
數(shù)據(jù)中心的軟件根據(jù)不同監(jiān)測要求制定、完成特定的監(jiān)測功能，一般由VB、VC++等高級計算機語言編寫，具有實現(xiàn)功能快、升級便捷等特點。
數(shù)據(jù)中心的工作內(nèi)容，是根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳送的信號性質(zhì)決定的。如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已包括信號分析模塊，就可以直接進行統(tǒng)計分析工作；如果數(shù)據(jù)中心接收到的是未經(jīng)計算處理的電信號，就需要先將信號計算轉(zhuǎn)化成聲壓級，然后再做其它統(tǒng)計分析工作。利用計算機軟件實現(xiàn)對信號的處理分析工作不僅可以簡化前端硬件設(shè)計、降低硬件成本、減少硬件處理數(shù)據(jù)精度的損失，還獲取大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，有利于對監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理工作。
3 結(jié)論
環(huán)境噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)具有無人員值守、24小時連續(xù)運行的特點，在對固定源監(jiān)測方面有明顯優(yōu)勢；可為環(huán)境噪聲執(zhí)法、評價和治理提供及時、可靠、有效的依據(jù)；還可為我國各大中型城市實施安靜工程提供及時、準確的環(huán)境噪聲監(jiān)測手段。環(huán)境噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)具有以下特點：
⑴實現(xiàn)噪聲實時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)具有時間代表性、可比性；
⑵系統(tǒng)安裝、操作簡便，工作環(huán)境、時間不受限制，節(jié)省人力物力；
⑶有線或無線聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集、傳輸方便快捷；
⑷軟件處理升級快速便捷，能夠適應(yīng)不同的監(jiān)測要求。
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