環(huán)境噪聲監(jiān)測通信技術(shù)
隨著人們生活水平的提高和環(huán)境噪聲污染的加劇，改善城市和鄉(xiāng)村的聲環(huán)境質(zhì)量已經(jīng)成為人們迫切的需求。噪聲監(jiān)測作為噪聲污染防治的基礎(chǔ)也自然成為環(huán)境保護部門的工作重點。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測方法耗時、費力并且可靠性差，因此，環(huán)境噪聲網(wǎng)絡(luò)化自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)對于實現(xiàn)環(huán)境噪聲的長時間連續(xù)自動監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義。
由于國外歐美一些發(fā)達國家的工業(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)用已有二十多年的歷史，西班牙、法國及瑞典等發(fā)達國家已生產(chǎn)出全天候長年能在戶外進行測量噪聲的自動監(jiān)測系統(tǒng)，并能根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進行噪聲預(yù)測軟件的設(shè)計和城市規(guī)劃，實現(xiàn)科學(xué)合理地控制城市環(huán)境噪聲［1 ～4］。
由于環(huán)境噪聲自動連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)在國外城市區(qū)域的廣泛應(yīng)用，大大地促進了城市區(qū)域環(huán)境噪聲的戰(zhàn)略研究。有關(guān)噪聲軟件根據(jù)環(huán)境噪聲自動連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測數(shù)據(jù)可繪制城市區(qū)域的瞬時三維立體彩色噪聲譜圖以顯示噪聲超標地段、時間［5，6］。目前，國內(nèi)的大部分環(huán)境噪聲網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是前端利用噪聲采集終端或數(shù)據(jù)采集儀完成噪聲信號的采集，然后利用顯示屏直接顯示噪聲分貝等級，或者是利用 GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到噪聲監(jiān)控中心，噪聲監(jiān)控中心實現(xiàn)噪聲數(shù)據(jù)的處理、存儲及噪聲等級顯示等功能［7］，這些方案具有費用較高、操作復(fù)雜及資源不能重復(fù)利用等缺點。因此，筆者提出基于虛擬儀器技術(shù)的環(huán)境噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)。
1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
本系統(tǒng)開發(fā)本著集約化原則，以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、PC 機和噪聲傳感器為硬件基礎(chǔ)，以現(xiàn)有的局域網(wǎng)和 Internet 為依托，以 LabVIEW 和 GIS 為軟件開發(fā)平臺，融合噪聲檢測技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，構(gòu)建一個分布式全自動噪聲實時監(jiān)測系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。該系統(tǒng)設(shè)定為三級管理模式，監(jiān)控中心作為一級管理中心下轄 M 個二級數(shù)據(jù)平臺，而每個二級數(shù)據(jù)平臺再管理 n 個噪聲監(jiān)測節(jié)點，所有監(jiān)測節(jié)點利用 LabVIEW 提供的聲音采集函數(shù)庫和 PC 機實現(xiàn)采集外界的噪聲數(shù)據(jù)，監(jiān)測節(jié)點完成噪聲信號的顯示和分析處理功能，并將等效聲級作為噪聲監(jiān)測的參數(shù)上傳到所屬區(qū)的數(shù)據(jù)平臺，數(shù)據(jù)平臺完成節(jié)點巡檢和噪聲數(shù)據(jù)的存儲，最后各分區(qū)的數(shù)據(jù)平臺將存儲的噪聲數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心形成噪聲地圖并實時顯示噪聲等級。該系統(tǒng)監(jiān)控中心與二級數(shù)據(jù)平臺通過 Internet 實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)平臺與監(jiān)測節(jié)點實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸，局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)平臺與監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸和實時監(jiān)控功能是利用了 LabVIEW 提供的共享變量和瀏覽器網(wǎng) 絡(luò)通信技術(shù)。
2 通信系統(tǒng)實現(xiàn)
系統(tǒng)中監(jiān)測節(jié)點是依據(jù) GB3096-2008 聲環(huán)境質(zhì)量標準開發(fā)的一種基于 LabVIEW 環(huán)境噪聲自動監(jiān)測儀，以聲壓傳感器和 PC 機為硬件基礎(chǔ)，應(yīng)用 LabVIEW 中的聲音采集技術(shù)設(shè)計完成的。儀器可以在 25 ～138dB 測量范圍內(nèi)實現(xiàn) ±1． 5dB 的精確度和 0． 1dB 的分辨率，實時檢測并記錄周圍環(huán)境的聲級、瞬時聲級和連續(xù)等效聲級并圖形化實時顯示噪聲的時域波形和頻譜，自動實現(xiàn)環(huán)境聲級超限報警，具有網(wǎng)絡(luò)通信功能［8］。監(jiān)控節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
數(shù)據(jù)平臺根據(jù)用戶的需求規(guī)劃為網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理和分析顯示 3 個功能模塊，網(wǎng)絡(luò)通信模塊對下負責與監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)通信，完成對節(jié)點的巡檢與遠程監(jiān)控任務(wù)，對上負責與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信，完成關(guān)鍵數(shù)據(jù)的上傳任務(wù)。數(shù)據(jù)處理模塊主要承擔關(guān)鍵數(shù)據(jù)的計算和存儲。分析顯示模塊負責數(shù)據(jù)分析、局部噪聲地圖的生成與顯示。數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)如圖 3 所示。
數(shù)據(jù)處理中的存儲功能利用了 LabVIEW 提供的數(shù)據(jù)庫模塊建立 SQL 數(shù)據(jù)庫并設(shè)定各個監(jiān)測節(jié)點上傳的等效噪聲，每隔 30s 存儲一次。LabVIEW 的網(wǎng)絡(luò)通信方法主要有共享變量、TCP、RDA、瀏覽器及 DataSocket 等幾種網(wǎng)絡(luò)通信方式。鑒于數(shù)據(jù)平臺管理的各監(jiān)測節(jié)點在同一局域網(wǎng)內(nèi)進行通信，采用 LabVIEW 平臺提供的共享變量方式實現(xiàn)節(jié)點巡檢功能。同時利用 LabVIEW 的提供的 Web 服務(wù)器監(jiān)控區(qū)域內(nèi)各個監(jiān)測節(jié)點的實時運行畫面，以便確定節(jié)點上傳到分區(qū)數(shù)據(jù)平臺的準確性和真實性。共享變量通信方式最大的特點是用戶不需要了解任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，不用任何編程就能輕松實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換，適用于實時系統(tǒng)。鑒于 TCP 協(xié)議的開放性和實用性強，具有交互式通信、網(wǎng)絡(luò)安全性能高及不用安裝其他輔助軟件等優(yōu)點，本系統(tǒng)采用 TCP 通信函數(shù)實現(xiàn)分區(qū)數(shù)據(jù)平臺與監(jiān)控中心的通信。鑒于 LabVIEW 具有實現(xiàn)多任務(wù)、多線程的特點，數(shù)據(jù)平臺的對上和對下通信在同一個 LabVIEW 管理程序下實現(xiàn)并行運行，其中與監(jiān)測節(jié)點的通信流程如圖 4 所示，與監(jiān)控中心的通信流程如圖 5 所示。
根據(jù)用戶的需求監(jiān)控中心規(guī)劃為網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理和分析顯示 3 個功能模塊，網(wǎng)絡(luò)通信模塊負責與各二級數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)處理模塊主要承擔關(guān)鍵數(shù)據(jù)的計算和存儲。分析顯示模塊負責數(shù)據(jù)分析、將各局部噪聲地圖匯總生成區(qū)域噪聲地圖并顯示。監(jiān)控中心與區(qū)域內(nèi)的分區(qū)監(jiān)控平臺的通信采用 LabVIEW 提供的 TCP 網(wǎng)絡(luò)通信方式，接收各個分區(qū)監(jiān)控平臺上傳的區(qū)域內(nèi)平均等效聲級，利用了 VB + GIS 技術(shù)繪制噪聲地圖，直觀顯示各區(qū)域內(nèi)的環(huán)境噪聲等級。
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