一種適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置，該裝置采用傳聲器陣列形式和具有強(qiáng)處理能力的可編程控制器，結(jié)構(gòu)緊湊，外形規(guī)則，通用性好，輕便節(jié)能，具有多種通信接口方式，易于便攜和大規(guī)模組網(wǎng)。智能節(jié)點(diǎn)裝置能夠在節(jié)點(diǎn)級(jí)在線完成對(duì)預(yù)定聲源信號(hào)的采集、增強(qiáng)、檢測(cè)、定位、跟蹤、識(shí)別等本地處理工作，可以顯著降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的要求，在復(fù)雜或惡劣的野外工作環(huán)境下具有更高的能量和帶寬等網(wǎng)絡(luò)資源利用效率。
【專利說(shuō)明】一種適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置，尤其是一種集聲源信號(hào)采集、增強(qiáng)、檢測(cè)、定位、跟蹤、識(shí)別、通訊等多種在線處理功能于一體并且外形規(guī)整易于使用、運(yùn)輸、存放的低功耗便攜式智能節(jié)點(diǎn)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]聲測(cè)節(jié)點(diǎn)是傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)感知周圍世界的重要傳感器節(jié)點(diǎn)類型。采用不具備本地在線處理能力的常規(guī)聲測(cè)節(jié)點(diǎn)只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的信號(hào)采集工作，功能非常有限，發(fā)往網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)都是未經(jīng)處理或僅經(jīng)過(guò)初步壓縮處理的原始數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信帶寬和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源的需求很高，系統(tǒng)資源的稀缺性將嚴(yán)重制約網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)展能力。此外，相當(dāng)一部分聲測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)儆跓o(wú)人值守或戶外便攜，所處地域無(wú)法使用電力線供電，該類系統(tǒng)的連續(xù)工作時(shí)間受限于能量效率的瓶頸問(wèn)題也已日益突出。研究表明，傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送未處理過(guò)的原始數(shù)據(jù)對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)融合性能的必要性不大(A.D’ Costa,A.M.Sayeed.Data versus decis1n fus1n in wireless sensor networks.Proc.1EEE ICASSP，2003: 832-835.)。隨著微電子技術(shù)高速發(fā)展，節(jié)點(diǎn)通信耗能已遠(yuǎn)大于本地計(jì)算耗能，因而在能量消耗、通信帶寬、計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間等網(wǎng)絡(luò)資源都不可能無(wú)限擴(kuò)展的現(xiàn)實(shí)條件下，采用具有較強(qiáng)本地處理能力的智能傳感器節(jié)點(diǎn)和較低數(shù)據(jù)量網(wǎng)絡(luò)通信的融合策略所構(gòu)建起來(lái)的聲測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)將具有更高的系統(tǒng)資源利用效率(J.C.Chen, K.Yaoj R.E.Hudson.Source localizat1n and beamforming.1EEE Signal ProcessingMagazine, 2002, 19(2): 30-39.)和更強(qiáng)的系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)展能力。已有的聲測(cè)節(jié)點(diǎn)可以分為基于單個(gè)傳聲器和基于傳聲器陣列兩種類型。如天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)的中國(guó)專利申請(qǐng)201220251087.7提出的“帶有定位功能的聲音傳感器節(jié)點(diǎn)模塊”采用單個(gè)傳聲器，僅能完成簡(jiǎn)單的聲音活動(dòng)檢測(cè)功能，其定位功能需要依靠配套的GPS模塊實(shí)現(xiàn)，且該定位信息僅針對(duì)節(jié)點(diǎn)位置，無(wú)法實(shí)現(xiàn)聲源具體位置的定位。如西安普碩電子科技有限公司的中國(guó)專利申請(qǐng)201210310519.0提出的“傳感網(wǎng)智能數(shù)據(jù)站點(diǎn)及利用其組建的傳感網(wǎng)絡(luò)”雖然能夠連接多達(dá)128個(gè)傳感器，但是該技術(shù)方案主要適合工業(yè)監(jiān)控場(chǎng)合，如果用于聲測(cè)節(jié)點(diǎn)領(lǐng)域則存在明顯的缺點(diǎn):一是采用了多路交叉開關(guān)進(jìn)行輸入信號(hào)的切換選擇，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)多路輸入信號(hào)的同步采集；二是無(wú)內(nèi)置電池供電方式，僅能采用外部直流電源供電，無(wú)法滿足無(wú)人值守或戶外便攜等無(wú)電力線供電情況下的要求。盡管已有一些采用傳聲器陣列構(gòu)建智能聲測(cè)節(jié)點(diǎn)的嘗試，即在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)針對(duì)預(yù)定聲源目標(biāo)開展測(cè)向、識(shí)別等較復(fù)雜的本地處理功能,但現(xiàn)有該類節(jié)點(diǎn)多屬于實(shí)驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng),不僅缺乏通用性(Andreas MantikAli, Shadnaz Asgari, and Travis C.Collier.An Empirical Study of CollaborativeAcoustic Source Localizat1n [J].Sign Process Syst, 2009 (57): 415-436.),而且外形不規(guī)則且體型較大，無(wú)論是安裝使用還是存放和運(yùn)輸，都不方便，不適合在現(xiàn)代傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種集聲源信號(hào)采集、增強(qiáng)、檢測(cè)、定位、跟蹤、識(shí)別、通訊等多種在線處理功能于一體并且外形規(guī)整易于使用、運(yùn)輸、存放的低功耗便攜式智能節(jié)點(diǎn)
>J-U ρ?α裝直。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:一種適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置，包括扁平方形外殼、傳聲器陣列、內(nèi)置電池和可編程處理板，其中傳聲器陣列、內(nèi)置電池和可編程處理板均位于扁平方形外殼殼體內(nèi)，所述扁平方形外殼為上下兩層結(jié)構(gòu)，分別為上殼體和下殼體，上殼體內(nèi)設(shè)置傳聲器陣列、內(nèi)置電池，下殼體內(nèi)設(shè)置可編程處理板。
[0005]所述傳聲器陣列包括四個(gè)傳聲器，該四個(gè)傳聲器通過(guò)平置錯(cuò)位旋轉(zhuǎn)內(nèi)嵌方式環(huán)繞在內(nèi)置電池外。
[0006]下殼體的外側(cè)開有外部電源輸入及通訊接口，下殼體的外側(cè)還設(shè)置電源開關(guān)。
[0007]上殼體的四個(gè)側(cè)面上各開有一個(gè)透聲孔，透聲孔與傳聲器的位置相對(duì)應(yīng)。
[0008]所述傳聲器為電容傳聲器、駐極體傳聲器或硅微傳聲器。所述內(nèi)置電池為鋰電池。所述可編程處理板采用外部電源輸入和內(nèi)置電池兩種供電方式，其中電源開關(guān)實(shí)現(xiàn)上述兩種供電方式的切換控制。
[0009]所述可編程處理板包括信號(hào)調(diào)理電路、多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、可編程控制處理器、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和通訊接口電路，所述信號(hào)調(diào)理電路、多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、可編程控制處理器、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路依次相連，其中信號(hào)調(diào)理電路接收傳聲器陣列輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔直、放大、阻抗變換處理后傳輸給多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸給可編程控制處理器，可編程控制處理器在將數(shù)據(jù)緩存至程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路的同時(shí)進(jìn)行預(yù)定聲源事件的檢測(cè)和處理工作；
所述通訊接口電路與可編程控制處理器相連，該通訊接口電路包括以太網(wǎng)接口、RS232接口和RS485接口，當(dāng)上述檢測(cè)和處理工作完成后，可編程控制處理器通過(guò)上述通訊接口電路將處理結(jié)果輸至網(wǎng)絡(luò)或顯控設(shè)備；
上述多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路包括兩片相同的雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，分別為第一雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片Ul和第二雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U2，芯片的型號(hào)為TLV320AIC32 ；所述信號(hào)調(diào)理電路包括并行的四路相同的信號(hào)調(diào)理單元，每個(gè)信號(hào)調(diào)理單元包括低噪聲四運(yùn)放芯片U15、第一電容C125、第二電容C130、第三電容C134、第四電容C138、第一電阻R109、第二電阻RllO和第三電阻Rlll ;
其中第一電容C125和第二電容C130并聯(lián)構(gòu)成輸入隔直電路,第一電容C125的一端接輸入信號(hào)ΑΙΝ1,第一電容C125的另一端連接第一電阻R109的一端,第一電阻R109的另一端和低噪聲四運(yùn)放芯片U15的反相輸入相連,第二電阻RllO的一端和低噪聲四運(yùn)放芯片U15的同相輸入相連，第二電阻RllO的另一端接入VREF信號(hào)；第三電阻Rlll —端接低噪聲四運(yùn)放芯片U15的反相輸入，另一端接低噪聲四運(yùn)放芯片U15的輸出端，第一電阻R109、第二電阻RllO和第三電阻Rlll共同作用實(shí)現(xiàn)反相比例功能；第三電容C134和第四電容C138并聯(lián)構(gòu)成輸出隔直電路，第三電容C134的一端與低噪聲四運(yùn)放芯片U15的輸出相連，第三電容C134的另一端與第一雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片Ul的管腳10連接。
[0010]所述可編程控制處理器包括DSP、ARM、FPGA和單片機(jī)這些控制處理平臺(tái)。所述通訊接口包括以太網(wǎng)接口、RS232接口和RS485接口。[0011 ] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著優(yōu)點(diǎn)為:I)本發(fā)明以高性能可編程控制處理器為核心，采用內(nèi)嵌傳聲器陣列形式，能夠在節(jié)點(diǎn)級(jí)完成聲源信號(hào)采集、增強(qiáng)、檢測(cè)、定位、跟蹤、識(shí)別等多種在線處理功能，顯著降低了對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信帶寬、網(wǎng)絡(luò)綜合能耗和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的要求，在復(fù)雜或惡劣的野外工作環(huán)境下具有更高的能量和帶寬等網(wǎng)絡(luò)資源利用效率；2)本發(fā)明采用形狀規(guī)則的扁平方形外殼設(shè)計(jì)，便于安裝、使用和大批量運(yùn)輸、存放；3)本發(fā)明采用雙層結(jié)構(gòu)布局，其上層由4個(gè)同型傳聲器采用環(huán)繞外殼內(nèi)壁的平置錯(cuò)位旋轉(zhuǎn)內(nèi)嵌方式構(gòu)成平行四邊形平面陣，并將扁平內(nèi)置電池置于陣列中心，下層放置可編程處理板和對(duì)外通訊接口，充分利用了扁平方形外殼的內(nèi)部空間，使智能節(jié)點(diǎn)整體高度集成化、小型化，便攜性好；4)可編程處理板硬件采用了通用可編程方式，軟件系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，可以針對(duì)特定應(yīng)用快速開發(fā)相應(yīng)核心處理軟件和對(duì)外接口方案，滿足相關(guān)的應(yīng)用需求。
[0012]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置的外觀側(cè)視圖。
[0014]圖2是智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置上層部分的俯視圖。
[0015]圖3是智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置下層部分的俯視圖。
[0016]圖4是智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置的可編程處理板硬件架構(gòu)圖。
[0017]圖5是可編程處理板中信號(hào)調(diào)理電路和多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖。
[0018]圖6是智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置的軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖。
[0019]圖7是智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置的主控軟件程序流程圖。
[0020]圖8是智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置的核心處理算法程序流程圖。
[0021]圖9是智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置的應(yīng)用拓?fù)鋱D。

【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明的一種適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置，包括扁平方形外殼、傳聲器陣列7、內(nèi)置電池3和可編程處理板4，其中傳聲器陣列7、內(nèi)置電池3和可編程處理板4均位于扁平方形外殼殼體內(nèi)，所述扁平方形外殼為上下兩層結(jié)構(gòu),分別為上殼體I和下殼體2，上殼體I內(nèi)設(shè)置傳聲器陣列7、內(nèi)置電池3，下殼體2內(nèi)設(shè)置可編程處理板4。
[0023]傳聲器陣列7包括四個(gè)傳聲器，該四個(gè)傳聲器通過(guò)平置錯(cuò)位旋轉(zhuǎn)內(nèi)嵌方式環(huán)繞在內(nèi)置電池3外。
[0024]下殼體2的外側(cè)開有外部電源輸入及通訊接口 6，下殼體2的外側(cè)還設(shè)置電源開關(guān)5。
[0025]上殼體I的四個(gè)側(cè)面上各開有一個(gè)透聲孔8，透聲孔8與傳聲器的位置相對(duì)應(yīng)。
[0026]所述傳聲器為電容傳聲器、駐極體傳聲器或娃微傳聲器。
[0027]所述可編程處理板4采用外部電源輸入和內(nèi)置電池3兩種供電方式，其中電源開關(guān)5實(shí)現(xiàn)上述兩種供電方式的切換控制。
[0028]所述可編程處理板4包括信號(hào)調(diào)理電路9、多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10、可編程控制處理器11、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路15和通訊接口電路，所述信號(hào)調(diào)理電路9、多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10、可編程控制處理器11、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路15依次相連，其中信號(hào)調(diào)理電路9接收傳聲器陣列7輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔直、放大、阻抗變換處理后傳輸給多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10，多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸給可編程控制處理器11，可編程控制處理器11在將數(shù)據(jù)緩存至程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路15的同時(shí)進(jìn)行預(yù)定聲源事件的檢測(cè)和處理工作；
所述通訊接口電路與可編程控制處理器11相連，該通訊接口電路包括以太網(wǎng)接口 12、RS232接口 13和RS485接口 14，當(dāng)上述檢測(cè)和處理工作完成后，可編程控制處理器11通過(guò)上述通訊接口電路將處理結(jié)果輸至網(wǎng)絡(luò)或顯控設(shè)備；
上述多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10包括兩片相同的雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，分別為第一雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片Ul和第二雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U2，芯片的型號(hào)為TLV320AIC32 ；所述信號(hào)調(diào)理電路9包括并行的四路相同的信號(hào)調(diào)理單元，每個(gè)信號(hào)調(diào)理單元包括低噪聲四運(yùn)放芯片U15、第一電容C125、第二電容C130、第三電容C134、第四電容C138、第一電阻R109、第二電阻RllO和第三電阻Rlll ;
其中第一電容C125和第二電容C130并聯(lián)構(gòu)成輸入隔直電路,第一電容C125的一端接輸入信號(hào)AINl,第一電容C125的另一端連接第一電阻R109的一端,第一電阻R109的另一端和低噪聲四運(yùn)放芯片U15的反相輸入相連,第二電阻RllO的一端和低噪聲四運(yùn)放芯片U15的同相輸入相連，第二電阻RllO的另一端接入VREF信號(hào)；第三電阻Rlll —端接低噪聲四運(yùn)放芯片U15的反相輸入，另一端接低噪聲四運(yùn)放芯片U15的輸出端，第一電阻R109、第二電阻RllO和第三電阻Rlll共同作用實(shí)現(xiàn)反相比例功能；第三電容C134和第四電容C138并聯(lián)構(gòu)成輸出隔直電路，第三電容C134的一端與低噪聲四運(yùn)放芯片U15的輸出相連，第三電容C134的另一端與第一雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片Ul的管腳10連接。
[0029]所述可編程控制處理器11包括DSP、ARM、FPGA和單片機(jī)這些控制處理平臺(tái)。
[0030]下面進(jìn)行具體描述:
本發(fā)明涉及一種適用于聲測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)的智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置，智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置包括扁平方形外殼、雙層結(jié)構(gòu)布局、傳聲器陣列及其內(nèi)嵌方式、內(nèi)置電池、可編程處理板和對(duì)外通訊接口。
[0031]結(jié)合圖1，智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置采用形狀規(guī)則的雙層扁平方形外殼設(shè)計(jì)，便于安裝、使用和大批量運(yùn)輸、存放。節(jié)點(diǎn)外殼由上層外殼I和下層外殼2兩部分組成,夕卜殼內(nèi)部也相應(yīng)的采用雙層結(jié)構(gòu)布局，內(nèi)部空間被充分利用，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)整體的高度集成化和小型化，有利于便攜和使用。上層外殼內(nèi)部是傳感和供電層，由4個(gè)同型傳聲器7和I塊內(nèi)嵌電池3組成；下層外殼內(nèi)部是處理和通訊層，包含I塊可編程處理板4、I組外部電源輸入及通訊接口 6和I個(gè)電源控制開關(guān)5。
[0032]結(jié)合圖2，在上層外殼I四個(gè)角的側(cè)面對(duì)稱位置各開一個(gè)圓形透聲孔8，每個(gè)透聲孔內(nèi)各放置一個(gè)相同型號(hào)的傳聲器7。所使用的傳聲器為1/2英寸高靈敏度的全指向背極式電容傳聲器，外形細(xì)長(zhǎng)。為降低節(jié)點(diǎn)厚度，4個(gè)傳聲器7采用如圖2所示的環(huán)繞外殼內(nèi)壁的平置錯(cuò)位旋轉(zhuǎn)內(nèi)嵌方式構(gòu)成平行四邊形平面陣，可實(shí)現(xiàn)360°的全方位無(wú)縫覆蓋。為充分利用上層外殼I的內(nèi)部空間，I塊扁平的內(nèi)置鋰電池3置于傳聲器7陣列的中心，可供節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在缺少外部供電的緊急狀態(tài)下連續(xù)工作至少6小時(shí)。
[0033]結(jié)合圖3，I塊可編程處理板4置于下層外殼2內(nèi)，處理板4上包括信號(hào)調(diào)理電路、多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路A/D、可編程控制處理器、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和通訊接口電路。作為處理板核心的可編程控制處理器可在DSP、ARM、FPGA和單片機(jī)等各類控制處理器中選用其中I種或多種配合構(gòu)成。在下層外殼2的其中一個(gè)殼體側(cè)面開有兩個(gè)孔，分別放置電源控制開關(guān)5和對(duì)外通訊接口 6。電源控制開關(guān)5用于內(nèi)置電池和外置電源兩種供電模式的切換控制。對(duì)外通訊接口 6在以太網(wǎng)和串口兩種通訊方式中選用其中I種或多種。
[0034]結(jié)合圖4，處理板中的可編程控制處理器通過(guò)控制多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)傳聲器陣列輸入信號(hào)的同步采集，然后依據(jù)編制的算法完成對(duì)陣列信號(hào)的相關(guān)信號(hào)處理工作。節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)備有以太網(wǎng)接口、RS232接口以及RS485接口，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選用其中I種或多種接口方式方便地組成無(wú)線或有線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，同時(shí)也易于與相關(guān)的顯控設(shè)備相連?？删幊烫幚戆宓牟蓸勇士赏ㄟ^(guò)嵌入式軟件在8kHz至96kHz之間靈活設(shè)置，能夠滿足大部分傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中聲測(cè)節(jié)點(diǎn)的要求。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)字長(zhǎng)可以有兩種選擇，分別為16-bit和32-bit，可以滿足不同應(yīng)用環(huán)境中的信噪比(SNR)要求?；谏鲜鲇布軜?gòu)和多種可靈活設(shè)置的參數(shù)，可編程處理板作為智能聲測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置的硬件平臺(tái)具有高度的通用性和靈活性，能夠滿足各種應(yīng)用場(chǎng)合的硬件要求。
[0035]結(jié)合圖5，U15為低噪聲四運(yùn)放芯片，AINl，AIN2，AIN3和AIN4分別表示4路傳聲器輸入信號(hào)，圍繞低噪聲四運(yùn)放芯片U15的四個(gè)運(yùn)放，相關(guān)電容和電阻共同構(gòu)成的信號(hào)調(diào)理電路完成對(duì)四路輸入信號(hào)的隔直、放大和阻抗變換處理。電路的具體描述如下:針對(duì)AINl輸入,第一電容C125和第二電容C130并聯(lián)構(gòu)成輸入隔直電路,第一電容C125的一端接輸入信號(hào)AINl,第一電容C125的另一端連接第一電阻R109的一端。第一電阻[R109]的另一端和低噪聲四運(yùn)放芯片U15的反相輸入相連,第二電阻RllO的一端和低噪聲四運(yùn)放芯片U15的同相輸入相連，第二電阻RllO的另一端接入VREF信號(hào)；第三電阻Rlll —端接低噪聲四運(yùn)放芯片U15的反相輸入，另一端接低噪聲四運(yùn)放芯片U15的輸出端，第一電阻R109、第二電阻RllO和第三電阻Rlll共同作用實(shí)現(xiàn)反相比例功能；第三電容C134和第四電容C138并聯(lián)構(gòu)成輸出隔直電路，第三電容C134的一端與低噪聲四運(yùn)放芯片U15的輸出相連，第三電容C134的另一端與第一雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片Ul的管腳10連接。針對(duì)AIN2輸入，第五電容C126和第六電容C131并聯(lián)構(gòu)成輸入隔直電路,第五電容C126的一端接輸入信號(hào)AIN1，第五電容C126的另一端連接第四電阻R112的一端。第四電阻R112的另一端和低噪聲四運(yùn)放芯片U15的反相輸入相連,第五電阻R113的一端和低噪聲四運(yùn)放芯片U15的同相輸入相連，第五電阻R113的另一端接入VREF信號(hào)；第六電阻R114—端接低噪聲四運(yùn)放芯片U15的反相輸入，另一端接低噪聲四運(yùn)放芯片U15的輸出端，第四電阻R112、第五電阻R113和第六電阻R114共同作用實(shí)現(xiàn)反相比例功能；第七電容C135和第八電容C139并聯(lián)構(gòu)成輸出隔直電路，第七電容C135的一端與低噪聲四運(yùn)放芯片U15的輸出相連,第七電容C135的另一端與第一雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片Ul的管腳11連接。針對(duì)AIN3輸入，第九電容C127和第十電容C132并聯(lián)構(gòu)成輸入隔直電路，第九電容C127的一端接輸入信號(hào)AIN1，第九電容C127的另一端連接第七電阻R115的一端。第七電阻R115的另一端和低噪聲四運(yùn)放芯片U15的反相輸入相連,第八電阻R116的一端和低噪聲四運(yùn)放芯片U15的同相輸入相連，第八電阻R116的另一端接入VREF信號(hào)；第九電阻R117—端接低噪聲四運(yùn)放芯片U15的反相輸入，另一端接低噪聲四運(yùn)放芯片U15的輸出端，第七電阻R115、第八電阻R116和第九電阻R117共同作用實(shí)現(xiàn)反相比例功能；第i^一電容C136和第十二電容C140并聯(lián)構(gòu)成輸出隔直電路，第i 電容C136的一端與低噪聲四運(yùn)放芯片U15的輸出相連,第^ 電容C136的另一端與第二雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U2的管腳10連接。針對(duì)AIN4輸入，第十三電容C128和第十四電容C133并聯(lián)構(gòu)成輸入隔直電路，第十三電容C128的一端接輸入信號(hào)AIN1，第十三電容C128的另一端連接第十電阻R118的一端。第十電阻R118的另一端和低噪聲四運(yùn)放芯片U15的反相輸入相連,第^ 電阻R119的一端和低噪聲四運(yùn)放芯片U15的同相輸入相連，第i^一電阻R119的另一端接入VREF信號(hào)；第十二電阻R120 —端接低噪聲四運(yùn)放芯片U15的反相輸入，另一端接低噪聲四運(yùn)放芯片U15的輸出端，第十電阻R118、第十一電阻R119和第十二電阻R120共同作用實(shí)現(xiàn)反相比例功能；第十五電容C137和第十六電容C141并聯(lián)構(gòu)成輸出隔直電路，第十五電容C137的一端與低噪聲四運(yùn)放芯片U15的輸出相連，第十五電容C137的另一端與第二雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U2的管腳11連接。
[0036]Ul和U2分別為第一雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和第二雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，芯片的型號(hào)TLV320AIC32，轉(zhuǎn)換字長(zhǎng)16_bit和32_bit可配置，采樣率8KSPS至96KSPS可配置，共用晶振 Gl 產(chǎn)生的同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào) CLK。AD_RESET、SDAO/K SCLO/K DOUTO/K DIN0/1、WCLKO/U BCLKO/1等數(shù)字信號(hào)與可編程控制處理器相連，通過(guò)同步配置啟動(dòng)Ul和U2實(shí)現(xiàn)傳聲器陣列輸出信號(hào)的4路同步采集工作。
[0037]結(jié)合圖6，智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置的嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，功能相對(duì)獨(dú)立的各接口驅(qū)動(dòng)模塊與主控軟件有機(jī)組合，圍繞核心處理算法協(xié)同工作，共同完成特定應(yīng)用所要求的工作。針對(duì)不同的應(yīng)用需求，通過(guò)嵌入相應(yīng)的核心處理算法，在節(jié)點(diǎn)級(jí)就能夠完成例如傳聲器陣列信號(hào)實(shí)時(shí)采集傳輸、聲源分離、測(cè)向定位等不同的本地處理功能，具有很好的靈活性和適應(yīng)性?；谠撥浖軜?gòu)可以根據(jù)用戶需求快速開發(fā)相關(guān)的演示系統(tǒng)或產(chǎn)品。其中，A/D接口驅(qū)動(dòng)模塊在實(shí)現(xiàn)傳聲器陣列數(shù)據(jù)同步采集的同時(shí)也能軟件設(shè)置傳聲器輸入信號(hào)的增益，進(jìn)一步增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的靈活性。包含以太網(wǎng)接口、RS232接口以及RS485接口驅(qū)動(dòng)的多種接口驅(qū)動(dòng)模塊能夠完成不同接口協(xié)議的數(shù)據(jù)雙向通訊。
[0038]結(jié)合圖7和圖8，智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)的功能可以通過(guò)信號(hào)處理流程的介紹來(lái)說(shuō)明。首先，傳聲器陣列接收到的聲信號(hào)經(jīng)過(guò)可編程處理板上的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、阻抗變換等處理后送至多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。主控軟件在完成上電后的自檢和初始化工作后配置并啟動(dòng)用于流水幀處理方式的DMA中斷，當(dāng)多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路連續(xù)采集數(shù)據(jù)存滿一幀時(shí)即觸發(fā)一次上述DMA中斷。在該DMA中斷處理程序(即核心處理算法程序)運(yùn)行的同時(shí)，同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路繼續(xù)連續(xù)采集并緩存下一幀數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)傳聲器陣列輸入數(shù)據(jù)的連續(xù)不間斷采集和處理。在核心處理算法程序中，依據(jù)具體任務(wù)，調(diào)用相應(yīng)的處理子模塊，完成聲源信號(hào)檢測(cè)、定位、跟蹤、增強(qiáng)、識(shí)別等全部或其中部分在線處理功能。當(dāng)檢測(cè)到一次有效的觸發(fā)事件且在本次DMA中斷處理程序中已經(jīng)完成所有相關(guān)處理過(guò)程并得到結(jié)果后，“發(fā)生觸發(fā)事件且已處理完成”標(biāo)志被置位。主控程序通過(guò)不斷查詢?cè)摌?biāo)志獲知是否已經(jīng)得到有效的處理結(jié)果。一旦檢測(cè)到該標(biāo)志被置位，主控程序讀取處理結(jié)果并本地顯示或通過(guò)通訊接口將處理結(jié)果輸至網(wǎng)絡(luò)或顯控設(shè)備。最后主控程序清零各個(gè)相關(guān)變量和標(biāo)志，繼續(xù)等待下次有效事件的檢測(cè)和處理結(jié)果。
[0039]結(jié)合圖9，在實(shí)際應(yīng)用中，智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)自或與其它類型的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，各個(gè)聲測(cè)節(jié)點(diǎn)將經(jīng)過(guò)本地分析處理后的少量環(huán)境特征數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線或有線方式傳輸至一個(gè)或多個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，各個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)再以有線或無(wú)線方式(例如GPRS網(wǎng)絡(luò)等)將數(shù)據(jù)最終傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行?，完成后續(xù)的融合處理工作。當(dāng)系統(tǒng)中聲測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較少時(shí)，也可以省略匯聚節(jié)點(diǎn)層，直接采用無(wú)線或有線方式將信息處理中心與各個(gè)聲測(cè)節(jié)點(diǎn)相連。
[0040]本發(fā)明涉及一種適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置，采用雙層結(jié)構(gòu)將4個(gè)測(cè)量傳聲器通過(guò)平置錯(cuò)位旋轉(zhuǎn)內(nèi)嵌方式環(huán)繞內(nèi)置鋰電池置于上層，將可編程處理板和通訊接口置于下層，充分利用扁平方形外殼的內(nèi)部空間，小型輕便，結(jié)構(gòu)緊湊，適于大批量運(yùn)輸、存放和便攜使用。節(jié)點(diǎn)的軟、硬件架構(gòu)采用模塊化、可編程設(shè)計(jì)思想，具有高度的通用性和良好的適應(yīng)性。
[0041]本發(fā)明經(jīng)過(guò)在多聲源檢測(cè)、分離、定位以及連續(xù)不間斷聲信號(hào)采集傳輸?shù)阮I(lǐng)域的反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，取得了令人滿意的效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置，其特征在于，包括扁平方形外殼、傳聲器陣列[7]、內(nèi)置電池[3]和可編程處理板[4]，其中傳聲器陣列[7]、內(nèi)置電池[3]和可編程處理板[4]均位于扁平方形外殼殼體內(nèi)，所述扁平方形外殼為上下兩層結(jié)構(gòu)，分別為上殼體[I]和下殼體[2]，上殼體[I]內(nèi)設(shè)置傳聲器陣列[7]、內(nèi)置電池[3]，下殼體[2]內(nèi)設(shè)置可編程處理板[4]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置，其特征在于，傳聲器陣列[7]包括四個(gè)傳聲器，該四個(gè)傳聲器通過(guò)平置錯(cuò)位旋轉(zhuǎn)內(nèi)嵌方式環(huán)繞在內(nèi)置電池[3]外。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置，其特征在于，下殼體[2]的外側(cè)開有外部電源輸入及通訊接口 [6]，下殼體[2]的外側(cè)還設(shè)置電源開關(guān)[5]。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置，其特征在于，上殼體[I]的四個(gè)側(cè)面上各開有一個(gè)透聲孔[8]，透聲孔[8]與傳聲器的位置相對(duì)應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置，其特征在于，所述傳聲器為電容傳聲器、駐極體傳聲器或娃微傳聲器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置，其特征在于，所述可編程處理板[4]采用外部電源輸入和內(nèi)置電池[3]兩種供電方式，其中電源開關(guān)[5]實(shí)現(xiàn)上述兩種供電方式的切換控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置，其特征在于，所述可編程處理板[4]包括信號(hào)調(diào)理電路[9]、多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路[10]、可編程控制處理器[11]、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路[15]和通訊接口電路，所述信號(hào)調(diào)理電路[9]、多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路[10]、可編程控制處理器[11]、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路[15]依次相連，其中信號(hào)調(diào)理電路[9]接收傳聲器陣列[7]輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔直、放大、阻抗變換處理后傳輸給多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路[10]，多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路[10]將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸給可編程控制處理器[11]，可編程控制處理器[11]在將數(shù)據(jù)緩存至程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路[15]的同時(shí)進(jìn)行預(yù)定聲源事件的檢測(cè)和處理工作； 所述通訊接口電路與可編程控制處理器[11]相連，該通訊接口電路包括以太網(wǎng)接口[12]、RS232接口 [13]和RS485接口 [14]，當(dāng)上述檢測(cè)和處理工作完成后，可編程控制處理器[11]通過(guò)上述通訊接口電路將處理結(jié)果輸至網(wǎng)絡(luò)或顯控設(shè)備； 上述多路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換電路[10]包括兩片相同的雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，分別為第一雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片[U1]和第二雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片[U2]，芯片的型號(hào)為TLV320AIC32 ； 所述信號(hào)調(diào)理電路[9]包括并行的四路相同的信號(hào)調(diào)理單元，每個(gè)信號(hào)調(diào)理單元包括低噪聲四運(yùn)放芯片[U15]、第一電容[C125]、第二電容[C130]、第三電容[C134]、第四電容[C138]、第一電阻[R109]、第二電阻[R110]和第三電阻[R111]； 其中第一電容[C125]和第二電容[C130]并聯(lián)構(gòu)成輸入隔直電路，第一電容[C125]的一端接輸入信號(hào)AINl,第一電容[C125]的另一端連接第一電阻[R109]的一端,第一電阻[R109]的另一端和低噪聲四運(yùn)放芯片[U15]的反相輸入相連，第二電阻[R110]的一端和低噪聲四運(yùn)放芯片[U15]的同相輸入相連，第二電阻[R110]的另一端接入VREF信號(hào)；第三電阻[R111] —端接低噪聲四運(yùn)放芯片[U15]的反相輸入，另一端接低噪聲四運(yùn)放芯片[U15]的輸出端，第一電阻[R109]、第二電阻[R110]和第三電阻[R111]共同作用實(shí)現(xiàn)反相比例功能；第三電容[C134]和第四電容[C138]并聯(lián)構(gòu)成輸出隔直電路，第三電容[C134]的一端與低噪聲四運(yùn)放芯片[U15]的輸出相連，第三電容[C134]的另一端與第一雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片[U1]的管腳10連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能被動(dòng)聲探測(cè)節(jié)點(diǎn)裝置，其特征在于，所述可編程控制處理器[11]包括DSP、ARM、FPGA和單片機(jī)這些控制處理平臺(tái)。
【文檔編號(hào)】G05B19/418GK104345707SQ201310344312
【公開日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月8日
【發(fā)明者】許志勇, 趙兆, 沈曙明, 吳亞琦, 錢昆, 顧添翼, 房玉琢 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)