基于树莓派的工厂噪音监测系统(附件)【字数：7636】
摘 要本课题设计探索采用Raspberry PI B3微型电脑版为主，来实现监测噪声并且降低噪声，甚至消灭噪声，用LM386声音传感器模块，根据声压来检测声波，并且将模拟信号通过PCF8581T数模转换器转换为数字信号，然后通过通过Raspberry PI B3微型电脑版与声音传感器连接的RGB灯与有源蜂鸣器，实现监测噪声的功能，还通过Raspberry PI B3微型电脑版的麦克风与扬声器实现录制与播放功能，并且在反接电路信号后，扬声器产生一个反相同频同幅信号，从而减弱声波，甚至完全吸收噪声，实现主动降噪功能。
目录
一 、引言 1
（一） 噪音污染的巨大危害 1
（二）本课题的主要研究内容 1
二、 噪音监测系统的总体设计及硬件选择 2
（一）系统总体设计 2
（二） 硬件设计 3
三、软件理想要求与设计思路与研究分析 9
（一）基本构思理论 9
（二）如果降噪效果不在预期时 10
（三）实际测试与学习后后得出结论 10
（四） 噪音控制代码大致思路如下（最基本构思原理如图16与图17） 10
四、仿真matlab 12
（一）仿真代码 12
（二）以下为标准ANC的两种电路图（如图20，21） 12
（三）理论上需要测试出 13
（四）代码需要到树莓派里 13
五、应用的设想 13
六、外形设计设想 14
七、现场使用效果记录以及调试 15
结论 16
参考文献 17
致 谢 18
附录一 19
附录二 20
附录三 22
附录四 23
附录五 26
附录六 29
一 、引言
（一） 噪音污染的巨大危害
在原始社会大部分生物大部分时间都是安静的潜伏者，只有捕食或者求偶或者警告其他生物或者社会型生物交流合作时才需要发出声音。而大部分生物收集声音信息的敏锐度和能力决定了其生存和繁衍的机会。例如鸟儿求偶歌，知了求偶鸣 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
，猩猩求偶嚎叫，狮子对入侵领地者怒吼。猎狗一边狂吠一边追捕猎物。蓝鲸群的一大段歌鸣远距离声波交流。而现代社会高密度的 人类生活的社会中灯红酒绿无时无刻不存在着噪音。人类和其他生物对噪音的敏锐阈值被不断挑战，从而导致生理上与心理上各种问题。噪音是世界公认的危害之一。飞机的噪音导致有些听觉敏锐的鸟儿受不了噪音自杀，会导致大象惊慌失措发狂乱跑。轮船的噪音导致有些蓝鲸无法找到同类，导致一些听觉敏锐海豚失聋。而人类本身也深受各种噪音的影响，出现心理或生理上的问题。例如长期接触噪音的人会脾气暴躁，血压高，精神失常，抑郁，失眠，会产生幻听。耳鸣，失聪，以及其他各种疾病，因此噪音又被称为慢性毒药。
工业上经研究表明噪音过大会损失仪器甚至导致一些仪器失灵，超过140db噪音会对大范围的建筑物产生破坏，就像高音会震碎玻璃一样，超过150db的噪音会严重破坏电阻，电容，晶体管。特强噪音甚至能使一些材料产生声疲劳而断裂。因此消除那些影响人类健康和其他生物的非正常的噪音和消除影响设备正常运行使用的噪音是人类的长期任务。
（二）本课题的主要研究内容
本课题是探索如何通过声音传感器，AD转换器，rgb灯与有源蜂鸣器监测噪音，如何通过扬声器与麦克风以及合理的算法来及时的减少噪音，如何降低噪音的影响。
噪音主要有工业噪音，交通噪音，施工噪音，社会生活噪音，而本课题主要场景是应对工业噪音且不考虑高频噪音，由于噪声的频率与相位与幅度都是随机的，难以预测，所以优先研究工厂噪声，因为工厂噪声是简单且重复的。
二、 噪音监测系统的总体设计及硬件选择
（一）系统总体设计
根据波的叠加原理，同频反向波在介质中相遇可以互相抵消，声波属于纵波，介质一般是空气。理论上只要能监测到声源处发出的声波，并考虑声波的速度，以及声源的距离，释放一个对应其时间的反向同频波就能大量的减弱声源处发出的噪音。本设计主要针对人能听到的声波噪音，并且为了简化模型只考虑声源面向吸音盒方向的噪音。系统的报警阈值，当麦监测到环境噪音小于 85db 时，系统不响应 ；当监测到环境噪音大于 85db 时，系统判定为需要进行工作，并通过树莓派计算出噪音的同频反向波，考虑距离和声音速度进行时间微调，控制扬声器释放同频反向波，并通过树莓派减去下次收到声波信号中扬声器发出的反向波从而实现滤波功能，系统设计理想流程如图1与图2所示。（根据《工业企业噪声卫生标准》规定：工业企业的生产车间和作业场所的工作地点的噪声标准为85分贝（A）。现有工业企业经过努力暂时达不到标准时，可适当放宽，但不得超过90分贝（A）。
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图1系统设计之降噪流程
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图2 监测设计流程图
（二） 硬件设计
1、控制模块用微型电脑版树莓派作为控制设备，通过连接扩展版接入面包板来控制各传感器
2、检查模块用芯片LM386的声音传感器检查噪声，将收到的声波转换成高低电压并且通过AD转换器转换成数字信号传输给树莓派，从而反应出频率。（如3与图4）
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图3声音传感器
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图4声音传感器原理图
3、输入麦克风噪音信号被麦克风接收将其频率响度转换为数字信号传输给树莓派，麦克风是将声音信号转换为电信号的能量转换器件。分类有动圈式、电容式、驻极体和最近新兴的硅微传声器，此外还有液体传声器和激光传声器。大多数麦克风都是驻极体电容器麦克风，其的工作原理是利用具有永久电荷隔离的聚合材料振动膜???。
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图5 输入麦克风
4、显示模块可以外接HDMI的显示屏，以及鼠标键盘。如果需要远程操控，可以通过树莓派与pc端共用同一个WiFi或连接网线，只要在ip网络中，电脑就可以通过用VNC远程连接控制树莓派。（如图6）
目录
一 、引言 1
（一） 噪音污染的巨大危害 1
（二）本课题的主要研究内容 1
二、 噪音监测系统的总体设计及硬件选择 2
（一）系统总体设计 2
（二） 硬件设计 3
三、软件理想要求与设计思路与研究分析 9
（一）基本构思理论 9
（二）如果降噪效果不在预期时 10
（三）实际测试与学习后后得出结论 10
（四） 噪音控制代码大致思路如下（最基本构思原理如图16与图17） 10
四、仿真matlab 12
（一）仿真代码 12
（二）以下为标准ANC的两种电路图（如图20，21） 12
（三）理论上需要测试出 13
（四）代码需要到树莓派里 13
五、应用的设想 13
六、外形设计设想 14
七、现场使用效果记录以及调试 15
结论 16
参考文献 17
致 谢 18
附录一 19
附录二 20
附录三 22
附录四 23
附录五 26
附录六 29
一 、引言
（一） 噪音污染的巨大危害
在原始社会大部分生物大部分时间都是安静的潜伏者，只有捕食或者求偶或者警告其他生物或者社会型生物交流合作时才需要发出声音。而大部分生物收集声音信息的敏锐度和能力决定了其生存和繁衍的机会。例如鸟儿求偶歌，知了求偶鸣 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
，猩猩求偶嚎叫，狮子对入侵领地者怒吼。猎狗一边狂吠一边追捕猎物。蓝鲸群的一大段歌鸣远距离声波交流。而现代社会高密度的 人类生活的社会中灯红酒绿无时无刻不存在着噪音。人类和其他生物对噪音的敏锐阈值被不断挑战，从而导致生理上与心理上各种问题。噪音是世界公认的危害之一。飞机的噪音导致有些听觉敏锐的鸟儿受不了噪音自杀，会导致大象惊慌失措发狂乱跑。轮船的噪音导致有些蓝鲸无法找到同类，导致一些听觉敏锐海豚失聋。而人类本身也深受各种噪音的影响，出现心理或生理上的问题。例如长期接触噪音的人会脾气暴躁，血压高，精神失常，抑郁，失眠，会产生幻听。耳鸣，失聪，以及其他各种疾病，因此噪音又被称为慢性毒药。
工业上经研究表明噪音过大会损失仪器甚至导致一些仪器失灵，超过140db噪音会对大范围的建筑物产生破坏，就像高音会震碎玻璃一样，超过150db的噪音会严重破坏电阻，电容，晶体管。特强噪音甚至能使一些材料产生声疲劳而断裂。因此消除那些影响人类健康和其他生物的非正常的噪音和消除影响设备正常运行使用的噪音是人类的长期任务。
（二）本课题的主要研究内容
本课题是探索如何通过声音传感器，AD转换器，rgb灯与有源蜂鸣器监测噪音，如何通过扬声器与麦克风以及合理的算法来及时的减少噪音，如何降低噪音的影响。
噪音主要有工业噪音，交通噪音，施工噪音，社会生活噪音，而本课题主要场景是应对工业噪音且不考虑高频噪音，由于噪声的频率与相位与幅度都是随机的，难以预测，所以优先研究工厂噪声，因为工厂噪声是简单且重复的。
二、 噪音监测系统的总体设计及硬件选择
（一）系统总体设计
根据波的叠加原理，同频反向波在介质中相遇可以互相抵消，声波属于纵波，介质一般是空气。理论上只要能监测到声源处发出的声波，并考虑声波的速度，以及声源的距离，释放一个对应其时间的反向同频波就能大量的减弱声源处发出的噪音。本设计主要针对人能听到的声波噪音，并且为了简化模型只考虑声源面向吸音盒方向的噪音。系统的报警阈值，当麦监测到环境噪音小于 85db 时，系统不响应 ；当监测到环境噪音大于 85db 时，系统判定为需要进行工作，并通过树莓派计算出噪音的同频反向波，考虑距离和声音速度进行时间微调，控制扬声器释放同频反向波，并通过树莓派减去下次收到声波信号中扬声器发出的反向波从而实现滤波功能，系统设计理想流程如图1与图2所示。（根据《工业企业噪声卫生标准》规定：工业企业的生产车间和作业场所的工作地点的噪声标准为85分贝（A）。现有工业企业经过努力暂时达不到标准时，可适当放宽，但不得超过90分贝（A）。
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图1系统设计之降噪流程
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图2 监测设计流程图
（二） 硬件设计
1、控制模块用微型电脑版树莓派作为控制设备，通过连接扩展版接入面包板来控制各传感器
2、检查模块用芯片LM386的声音传感器检查噪声，将收到的声波转换成高低电压并且通过AD转换器转换成数字信号传输给树莓派，从而反应出频率。（如3与图4）
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图3声音传感器
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图4声音传感器原理图
3、输入麦克风噪音信号被麦克风接收将其频率响度转换为数字信号传输给树莓派，麦克风是将声音信号转换为电信号的能量转换器件。分类有动圈式、电容式、驻极体和最近新兴的硅微传声器，此外还有液体传声器和激光传声器。大多数麦克风都是驻极体电容器麦克风，其的工作原理是利用具有永久电荷隔离的聚合材料振动膜???。
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图5 输入麦克风
4、显示模块可以外接HDMI的显示屏，以及鼠标键盘。如果需要远程操控，可以通过树莓派与pc端共用同一个WiFi或连接网线，只要在ip网络中，电脑就可以通过用VNC远程连接控制树莓派。（如图6）
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