環境噪聲自動監測系統研究進展
摘要：由于國外工業化和城市化進程比較早，環境問題的產生和相應的環境噪聲監測研究與應用也早于我國。幾個著名的國外聲學儀器公司開發的噪聲監測產品已經解決了自動測量、自動數據處理、信息自動傳輸、信息網絡互聯、監測信息資源共享、工作環境不受限制等技術問題。
關鍵字：環境噪聲 自動監測系統
1、 國內環境噪聲監測發展現狀
由于國外工業化和城市化進程比較早，環境問題的產生和相應的環境噪聲監測研究與應用也早于我國。幾個著名的國外聲學儀器公司開發的噪聲監測產品已經解決了自動測量、自動數據處理、信息自動傳輸、信息網絡互聯、監測信息資源共享、工作環境不受限制等技術問題。僅就技術而言，目前環境噪聲監測技術已經發展的比較完備，能夠滿足當前環境噪聲監測的技術要求，實現自動監測僅僅是經濟上能否承受的問題。
國外噪聲自動監測系統大都應用在機場噪聲的監測和固定噪聲源的監測中。大型的國際機場均有飛機噪聲自動監測系統，各類飛機的起降噪聲數據由自動監測系統取得，并直接與機場塔臺聯網，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測點，監控各種噪聲源對周圍環境的干擾情況。
由于我國現有環境噪聲監測儀器以手持式為主，自動監測技術開發投入不足，環境噪聲自動監測技術水平發展滯后于國際先進水平，成為環境噪聲研究領域中一項亟待深入開展的工作。
2、 自動監測系統
我國已設立噪聲自動監控系統的城市有北京、上海、哈爾濱等，噪聲監測點1000多個。各個城市所采用的自動噪聲監測系統組成大同小異，大致分為數據采集系統、前端供電系統、數據傳輸（有線或無線）系統以及數據中心等四大部分。
2.1數據采集系統
數據采集系統的主要作用是完成對現場聲環境的測量工作，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，頻率響應不平直，但是受溫度影響較大，穩定性差；電容式傳聲器具有頻度范圍寬、頻率響應平直、靈敏度變化小、長時間穩定性好等優點。根據噪聲監測系統要求的工作范圍和工作環境，一般都選用電容傳聲器。
數據采集系統一般有以下兩種實現方式：
⑴傳聲器模塊+AD轉換模塊：傳聲器模塊將采集到的噪聲信號轉換成微弱電信號（電壓或電流信號）后經放大傳給AD轉換模塊，由AD轉換模塊將模擬信號轉換成數字信號，直接送到數據傳輸系統。
⑵傳聲器模塊+AD轉換模塊+信號分析模塊：即在前種采集方式的基礎上，通過信號處理模塊對數字信號進行簡單計算分析，再將分析后的數據傳給數據傳輸系統。信號處理模塊可以利用單片機技術自己開發，也可選用現有的噪聲頻譜分析儀的機芯。
現在很多的監測系統都利用計算機軟件實現對信號的處理分析工作，這樣做可以簡化前端硬件設計，降低硬件成本。
2.2前端供電系統
噪聲監測系統中數據采集系統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合供給兩種方式。利用蓄電池供電，不受監測地點的限制，流動性好，適合短期監測工作；利用市電網絡為監測系統供電則適合于長期監測工作，為防止停電的情況發生，可接入小型蓄電池以提供緊急情況下的電源。
戶外工作的監測系統一般需要滿足其工作環境的需要，其外觀設計需要滿足防風、防雨、防鳥停的功能，即使在監測條件不佳的情況下也能保證正常工作。
2.3數據傳輸系統
數據傳輸系統將采集系統取得的數據傳輸至數據中心以供處理，同時將數據中心發出的指令傳輸至數據采集系統，一般傳輸距離較遠。
數據傳輸根據其采用的方式，可分為有線（架設光纜、電纜或租用電信專線）和無線（建立專用無線數據傳輸系統或借用GSM/GPRS、CDMA等公用無線網絡平臺）兩大類。
現有的很多環境噪聲監測系統采用有線、有線加調制解調器或光纖等通訊方式。基于電話線的傳輸方法有兩種：一種是監測儀器和數據中心都通過調制解調器接入電話線網，傳送、接收雙方是對等的，隨時都可通過撥號詢問對方。另一種是監測儀器用調制解調器接入電話線網，而數據中心接入計算機互聯網接收數據。因為電話線網的覆蓋面比較廣，利用電話線傳輸數據具有初期投資較小、數據傳輸的正確率較高等優點，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據量少的監測系統。如果監測儀器周圍沒有電話線，就需要專門架設電話線，增加前期安裝工作的難度，增大監測成本。采用光纖方式傳輸數據，雖然傳輸速度快，傳輸數據量大，但鋪設光纖成本過大，監測部門很難承擔。
計算機和通信兩個領域的相互滲透、逐步融合促進了無線網絡技術的不斷完善提高，無線網絡技術將成為未來環境噪聲監測系統數據傳輸的主要實現方式。無限數據通訊主要有以下幾種方式：無線電、移動通訊網短消息服務和移動通訊網+計算機互聯網等。
⑴無線電：利用一定頻率的無線電波信號，傳輸、接收監測數據。無線電通訊一般在200~400MHz或2.4GHz左右的頻段使用。
采用無線電技術進行數據傳輸的優點是不需要傳輸資費，一般都數話兼容，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備造成不良影響。
⑵移動通訊網短消息服務：短消息業務SMS（Short Message Service）是全球移動通信系統提供的一種能夠使用受機或GSM模塊接收和發送文本消息的服務。每條短消息最多可包含160個字母或70個漢字。
以SMS業務進行數據通信，雖然通信費用比較低廉，但由于其在傳輸過程中存在時延，不能滿足一些監測系統實時性的要求。同時如果傳輸的數據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據，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+計算機互聯網：移動通信網是一種新型的基于分組交換的數據業務，具有傳輸速度高、使用方便、經濟等特點，逐漸在各行業內開始應用。將數據借用GSM/GPRS、CDMA等公用移動通訊網信息平臺傳送到計算機互聯網上，數據中心再從互聯網上獲取監測數據。
全球移動通信系統，最早在歐洲開發出來并投入使用，由于受到無線接口的單個業務通信數據傳輸速率最高不能超過12kbp/s的限制，與其他網絡數據通信速率最高為9.6kbp/s。
通用分組無線業務（GPRS），作為第二代移動通信技術（GSM）向第三代移動通信（3G）技術的過渡，GPRS在現有的GSM網絡基礎上疊加了一個新的網絡，是一項高速數據處理的技術，GPRS網絡理論上最大傳輸速率是171.2kbit/s，現在的網絡實際支持的速率約為20~40kbit/s。計費方式按流量收取。
CDMA，是在數字技術的分支（擴頻通信技術基礎上發展起來的，具有數據傳輸速率快、保密性好、功率低等特點。理論最高數據傳輸速率是2Mbit/s以上，實際可支持的速率為308kbit/s。
在計算機測控系統中，數據通訊主要采用異步串行通訊方式。必須根據需要選擇標準接口，用來實現監測系統與計算機之間的數據通訊。應用在監測系統的異步串行通訊接口有三種：
RS-232C：是美國電子工業協會（EIA）正式公布的異步串行通訊中應用最廣的標準總線，適合于短距離或帶調制解調器的通訊場合；
RS-485：EIA為了提高數據傳輸率和通訊距離公布的等串行總線接口標準；
20mA電流環：是一種非標準的串行接口電路。
目前大部分的噪聲監測系統選用RS-232串行接口進行數據傳輸。
無線數據終端與數據中心之間需要采取一定的協議進行數據傳輸，包括UDP、TCP以及一些自主開發的協議。每種傳輸協議，適用的范圍不同，UDP協議適用于實時性強、數據差錯和順序要求不高的應用，其優點為寬帶利用率相對高，實時性相對好；TCP協議適用于數據差錯和順序要求高的應用，其優點為保證數據的正確和保持原有的順序；一些自主開發的協議則是建立在TCP的基礎上，適用于數據完整性、差錯控制和順序要求極高的應用，其優點為不但保證數據的正確和保持原有順序，而且保證不會因為無線網絡的不穩定帶來TCP斷鏈而產生的用戶數據丟失。根據監測數據傳輸的特點，目前大多采用TCP協議或以TCP協議為基礎開發的協議作為數據傳輸協議。
2.4數據中心
數據中心是噪聲監測系統的最后一部分，主要功能是對噪聲數據分析、計算、統計、動態顯示波形圖、噪聲統計分布（正態分布或偏態分布）、相關性檢驗、期望值和標準差、噪聲趨勢預測、噪聲超標報警及現場錄音回放、噪聲頻譜分析等，并可結合地理信息系統完成空間數據的地理信息演示工作繪制各種日、月、年統計圖表等，為環境噪聲監測和治理提供有效依據。有些監控管理中心還為每個監控點設置不同的噪聲限制級別，一旦噪聲超限就會發出警告。所有的采集數據都記錄在數據庫中。建立環境噪聲監測數據庫，為制定環境噪聲管理工作提供數據資料。
數據中心的軟件根據不同監測要求制定、完成特定的監測功能，一般由VB、VC++等高級計算機語言編寫，具有實現功能快、升級便捷等特點。
數據中心的工作內容，是根據數據采集系統傳送的信號性質決定的。如果數據采集系統已包括信號分析模塊，就可以直接進行統計分析工作；如果數據中心接收到的是未經計算處理的電信號，就需要先將信號計算轉化成聲壓級，然后再做其它統計分析工作。利用計算機軟件實現對信號的處理分析工作不僅可以簡化前端硬件設計、降低硬件成本、減少硬件處理數據精度的損失，還獲取大量的監測數據，有利于對監測數據的管理工作。
3 結論
環境噪聲自動監測系統具有無人員值守、24小時連續運行的特點，在對固定源監測方面有明顯優勢；可為環境噪聲執法、評價和治理提供及時、可靠、有效的依據；還可為我國各大中型城市實施安靜工程提供及時、準確的環境噪聲監測手段。環境噪聲自動監測系統具有以下特點：
⑴實現噪聲實時監測，監測數據具有時間代表性、可比性；
⑵系統安裝、操作簡便，工作環境、時間不受限制，節省人力物力；
⑶有線或無線聯網傳輸數據，數據采集、傳輸方便快捷；
⑷軟件處理升級快速便捷，能夠適應不同的監測要求。
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