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基于g p r s 技术的数字化环境噪声监测终端的研究与设计 摘要 基于g p r s 技术的城市环境噪声监测终端是信息技术在环境监测领域的应 用。我国噪声监测的最终目标是实现实时在线自动监测、无线传输。目前，我 国水和大气自动监测己经具有相当的规模和技术，而城市环境噪声污染具有瞬 时性和空间分布上的不连续性，只有采用多点抽样法测量且尽量提高监测频次， 才能较真实的反映噪声污染水平。由于我国在环境噪声实时在线自动监测系统 项目开发上的欠缺和现有监测仪器的落后，使环境噪声实时在线自动监测系统 的开发成为环境监测部门亟待深入开展的工作。 合肥工业大学噪声与振动工程研究所将此作为课题深入研究，开发了基于 g p r s 通信技术的环境噪声实时在线自动监铡系统，此系统由环境噪声监测终端、 噪声数据管理中心、噪声数据处理中心和分析处理软件四个部分组成。本论文 是它的一个子系统，即基于g p r s 技术的环境噪声监测终端的研究与设计，本论 文根据课题的实际要求提出了整体设计方案和原理框图。接着从硬件和软件设 计两方面对监测终端的设计做了详细的说明。在硬件设计方面，本文从前端探 头设计、信号调理模块设计、数据采集处理模块设计和g p r s 通信模块设计等四 个方面讨论了监测终端的硬件设计和解决方法。在软件设计方面以c 8 0 5 1 f 0 2 3 单片机为核心，详细阐述了监测终端的软件设计思想，主流程图以及相应参数 计算的流程图。监测终端将噪声数据及时、准确地通过g p r s 网络传给环境监督 管理部门。为环境噪声监测和治理提供有效的依据，为我国各大中型城市实施 安静工程提供有效的环境噪声监测手段，对推动环保领域的技术进步和科技发 展具有十分重要的现实意义。 关键词：噪声监测；g p r s ；c 8 0 5 1 f 0 2 3 r e s e a r c ha n d d e s i g no fd i g i t a le n v i r o n m e n t n o i s em o n i t o r i n g r e r m i n a lb a s e do i lg p r s a b s t r a c t r e s e a r c ha n dd e s i g ao fd i g i t a le n v i r o n m e n tn o i s em o m t o f i n gt e r m i n a lb a s e d o ng p r si sa na p p l i c a t i o no fi n f o r m a t i o nt e c h n i q u ei ne n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g a r e a a c h i e v i n go n l i n ea u t om o n i t o r i n gi so n u l t i m a t et a r g e to fn o i s em o n i t o r i n g a t p r e s e n t ，t h ea u t om o n i t o r i n go f w a t e ra n da t m o s p h e r eh a sp o s s e s s e dq u i t es c o p ea n d t e c h n i q u ei nc h i n a t h ec i t ye n v i r o n m e n t a ln o i s ep o l l u t i o ni si n s t a n t a n e o u sa n di t s s p a t i a ld i s t r i b u t i o n i sd i s c o n t i n u o u s ，s oo n l yt h em u f t i s a m p l em e t h o da n dt h e i m p r o v e m e n to fm o n i t o rf r e q u e n c i e sc a nm a k et h er e s u l tr e s p o n d i n gt h ea c t u a l e n v i r o n m e n t a ln o i s ep o l l u t i o nl e v e l t h e r ea r em a n yd e f i c i e n c i e si nt h ei t e m d e v e l o p m e n to fe n v i r o n m e n t a l n o i s eo n l i n ea u t om o n i t o r i n gs y s t e m ，a n dt h e d e v e l o p m e n t o f t h i ss y s t e mb e c o m e st h eu r g e n tt a s ko f m o n i t o r i n gd e p a r t m e n t t h ei n s t i t u t eo fs o u n da n dv i b r m i o nr e s e a r c hh u ts t u d yt h eo b j e c ta n d c o n t r i v et h en o i s eo n l i n ea u t om o n i t o r i n gs y s t e m t h e r ea r ef o u rp a r t si nt h i ss y s t e m ： f o r e i n t e l l i g e n tm e t e r ；n o i s ed a t aa d m i n i s t e rc e n t e r ；n o i s ed a t ad i s p o s ec e n t e r ； a n a l y s es o f t w a r e r e s p o n d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f t h ep r o j e c t 。t h i sp a p e ro f f e r st h e s c h e m ea n dt h ep r i n c i p l ef r a m ew h o l l y t h ef o l l o w i n ge l a b o r a t i o na b o u tt h ed e s i g n o ft h et e r m i n a ld e t e c t i o ni sg i v e nf r o mt h ea n g l eo fs o f t w a r e & h a r d w a r e f o r h a r d w a r ed e s i g n i n g ，i td i s c u s s e st h ed e s i g n sa n dt h ew a y so ft h et e r m i n a ld e t e c t i o n f r o mt h ed e s i g n i n go ft h e f o r e p a r tp r o b e ，t h es i g n a l - m o d u l a t e dm o d u l e ，t h e d a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e ，t h eg p r sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，e t c a sf o rs o w a r e ，i t e l a b o r a t e st h em a i ni d e ao fm i st e r m i n a ld e t e c t i o nd e s i g n m e n t , t h em a i nf l o wc h a r t a n dt h ec a l c u l a t i o no fc o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt oc 8 0 5 1 f 0 2 3 t h e t e r m i n a ld e t e c t i o nw i l ls e n dt h ed a t ao fn o i s et os o m ea d m i n i s t e rd e p a r t m e n ta b o u t e n v i r o n m e n t p r o t e c t i n gb yg p r si m m e d i a t e l ya n de x a c t l y , w h i c hw i l lo f f e re f f e c t i v e d a t af o rt h en o i s ed e t e c t i o na n dd i s p o s a l i na d d t i o n ，i t uo f f e re f f e c t i v em e a s u r ef o r t h en o i s ed e t e c t i o na b o u t ”q u i e t - p r o j e c t ”i nm a n ym e d i u m & b i gc i t i e si no u rc o u n t r y a n dt h e r ei si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rf u r t h e rt h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g ya n d s c i e n c ei nt h ef i e l do f e n v i o n m e n t - p r o t e c t i n g k e yw o r d s ： n o i s em o n i t o r g p r sc 8 0 5 1 f 0 2 3 插图清单 图2 - 1 等响度曲线1 9 图2 - 2 计权频率响应曲线1 9 图2 3 声级出现概率分布图1 9 图3 - 1 基于g p r s 通信的环境噪声监测系统的结构框图2 4 图3 2 监钡4 终端的硬件结构图2 5 图3 3n 沟道型场效应管所构成的源极输出前置放大器2 7 图3 4 同楣放大器电路图2 8 图3 5a 计权网络的特性曲线2 9 图3 - 6m f i o 标准2 0 管脚双列直插式封装图2 9 图3 - 7m f l 0 电原理图3 0 图3 8 二阶带通滤波器响应图3 1 图3 - 9m f l o 应用电路图3 2 图3 - 1 0 有效值检波器的原理框图3 3 图3 1 1 对数有效值检波器的原理框图3 3 图3 1 2a d 5 3 6 a 的简单工作原理图3 4 图3 1 3a d 5 3 6 a 封装图3 5 图3 - 1 4a d 5 3 6 a 的应用电路图一3 6 图3 1 5m c u 峰值执行速度比较3 7 图3 1 6c 8 0 5 1 f 0 2 3 原理框图3 9 图3 1 7c 8 0 5 1 f 0 2 3 封装图4 0 图3 1 8a d c 的原理框图4 2 图3 - 1 9 片内存储器组织。4 3 图3 2 0s a r o l 0 0 0 pg p r s d t u 模块结构。4 6 图3 2 1c 8 0 5 1 f 0 2 3 和g p r s 模块的连接图4 8 图4 一l 监测终端软件主程序流程图5 2 图4 2 d 采样程序流程图5 3 图4 3 计算等效连续声级l e q 的流程图5 4 图4 - 4 记录统计声级l 。的流程图5 5 图4 5g p r s 通信软件流程图5 7 表格清单 表2 一la 计权响应与频率的关系 表2 - 2i s o 及几个国家和地区的环境噪声限值 表2 3 我国城市区域环境噪声标准( l a 。) 表2 4 环境噪声质量等级 表2 5 l 。；范围的干扰因子 表2 6 环境噪声评价等级 表3 1m f l 0 引线图说明 表3 2a d 5 3 6 a 各管脚的作用 1 7 2 1 2 l 2 2 2 3 2 3 3l 3 5 主要符号表 声压 密度 面积 声强 基准声强 平均声能量 瞬时声压 时间间隔 基准声压 响度 响度级 第i 个频带的声压级 相应频带的a 计权修正值 a 计权瞬时声压 瞬时a 声级 等效连续声级 累计百分声级 标准偏差 昼夜等效声级 噪声污染级 中心频率 最大声级 最小声级 ，p。，厶旷，m。h k龇咖k。k厶：重 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 盒e b 王些右堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：耐前争 签字日期：“年￥月姻 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王、业盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 匿王些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据摩进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名；前葡晕 签字日期；知r 年妒月w 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 ，一 签字日期：2 磊。月叫日 电话： 邮编； 致谢 值此论文完成之际，我要向我的导师李志远教授致以最诚挚的敬意和最衷 心的感谢! 在近三年的研究生学习期间，无论是在科研工作中，还是在生活中，李老 师都给予我悉心的指导和照顾。李老师严谨认真的治学态度和对学术孜孜追求 的精神深深影响了我。他渊博的学识和对学术问题的独到见解，对研究课题的 敏锐发现和研究方向的准确把握，都体现了很高的学术素养。 从开始收集与本论文相关资料，一直到论文的完成，李老师都给予了我无 私的指导和帮助。在选题、开题及至完成论文的每一个阶段，李老师都严格把 关，并在课题的研究思路上给以具有建设性的意见。对论文的审阅也同样耐心 细致，大到论文的框架，小到一个知识点，李老师都是一样细心批阅纠正。同 时李老师也是我生活中的老师，他对人的平和、亲切，对学生的关心爱护，教 会了我坦诚热情的待人处事方式。 感谢许滨老师、陈品老师的无私帮助，还要感谢课题组成员的愉快合作。 感谢师弟、师妹等实验室全体同学和朋友给予我的鼓励和帮助。 最后还要特别感谢我的父母和女朋友，是他们不辞劳苦、任老任怨的辛勤 付出给予了我精神和物质上的支持，使我最终得以完成学业。 作者：武前军 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 1 1 课题提出的背景、来源及来源意义 1 1 1 课题提出的背景 随着我国国民经济的迅速发展，城市环境噪声污染问题日益突出，它已和 大气污染、水污染及固体废物污染一起被称作城市环境方面的四大公害，噪声 污染在城市几乎无处不在，并且正在向乡村扩展，在环境污染扰民而发生的投 诉案件中，噪声污染占三分之二以上的比例。噪声，从物理定义而言，振幅和 频率上完全无规律的震荡称之为噪声。从环境保护角度而论，凡是人们所不需 要的声音统称为噪声。噪声的显著特点是：无污染物存在、不产生能量积累、 时间有限、传播不远、振动源停止振动噪声消失、不能集中治理。噪声来源于 交通工具、工厂机器设备、建筑施工和人们的社会、家庭活动。噪声对人类的 危害个是多方面的，其主要表现为对听力的损伤、睡眠干扰、人体的生理和心 理影响。当人在1 0 0 分贝左右噪声环境中工作时会感到刺耳、难受，甚至引起 暂时性耳聋。超过1 4 0 分贝的噪声会引起眼球的振动、视觉模糊，呼吸、脉膊、 血压都会发生波动，甚至会使全身血管收缩，供血减少，说话能力受到影响。 “，所以噪声问题越来越引起人们的重视，因此环保中关键的一环就是对噪声源 的监测。 环境噪声的传统监测主要依靠手持声级计，人工现场采样。由于监测点分 散，分布范围广，而且大多设置在环境较恶劣的地区，传统的以人工为主的环 境监测方法己不能满足发展的需要，人工监测存在以下问题：( 1 ) 实时性差，不 利于及时掌握污染情况：( 2 ) 连续性差，不能长期评价某地区或企业的污染情 况：( 3 ) 对于突发性污染事故，不能及时发现并处理：( 4 ) 不利于环境管理部门宏 观掌握总体环境污染水平。“1 九十年代经济比较发达的城市使用过噪声监测屏，噪声数据虽然可以现场 显示，但其监测的范围不大，而且也不利于监测点的机动变化，当测点变化时 还要重新布线和调试系统，重复性劳动和投资。而且每个噪声监测屏建设需花 费数万元，维修工作量大，现已基本淘汰。 长期以来，在一些城市的噪声远程监测系统大多采用无线数传电台进行数 据远程传输，然而，传统上采用电台做无线数传的设计方案有其显著的缺陷： 电台硬件部分成本高昂，系统初始安装费用不菲。目前多数商用电台或者电 台模块为国外进口产品，本身价格尤其是高品质长距离的传输电台非常昂贵， 因此再开发产品成本居高不下，限制了电台在远程监控系统中的发展空间。 电台数传距离短。一般商用电台的传输距离都在1 0 0 公里数量级，如需超长距 离数据传输，必须自行建设中继站，又进一步增加了投资成木。 电台数据传输的可靠性差。一般商用电台工作在单一频点，电磁环境恶劣， 另外由于数传协议上的缺陷也使数据传输的可靠性降低。 系统维护困难，维护成本高。基于电台的远程监控系统一般均为自行建设的 封闭系统，虽然无需另行交纳运行费用，但系统( 如电台、中继站等) 维护均需 自行完成，而商用电台的工作功率大、货源复杂等都导致电台故障频率较高， 系统维护的费用也相当惊人。 而随着城市的不断规划和建设，原来超短波台站和中心台站之间新建的高 楼大厦阻挡了信号的传输，使得数据不能正常传送。还有无线电频谱是一种资 源，随着国家对无线电频谱资源的限制和对电磁污染的治理，无线数传电台通 信已不是数据采集传输的最佳方案。所以为了有效解决以上环境噪声监测存在 的问题以及有效地显示城市各区域的环境噪声变化规律，以便在城市环境噪声 整治中得以重点控制，进一步加强对各噪声污染源的整治工作，因此开发一套 用于城市环境噪声监测的系统非常有必要。基于此本文研究了一种以单片机为 核心，采用g p r s 无线传输技术构成的低成本数字化环境噪声监测终端。 1 1 2 课题的来源 淮南市环境监测站为了全面监测水、大气、环境噪声，建立网络化、数字 化管理系统，委托合肥工业大学研制基于g p r s 技术的数字化环境噪声监测系统， 本课题就是其组成的一部分。这就形成了本论文研究工作的来源。 1 1 。3 课题提出的意义 城市环境噪声污染是一种能量污染，仅通过瞬间的能量叠加表现出声级的 大小变化，具有时间上的瞬时性和空间上的不连续性，只有采用多点抽样法测 量且尽量提高监测频次，才能较真实的反映一个区域的噪声平均污染水平。我 国大多数城市的噪声监测都沿用一年监测若干频次和时段的监测方法。 随着科学技术的进步，开展实时自动噪声监测已成为我国噪声监测的发展 必然趋势。环境噪声实时自动监测系统有着无人员值守、2 4 h 连续运行的特点， 极大地解决了当前噪声监测耗时、费力、代表性差等问鼹。可为环境噪声执法、 评价和治理提供及时、可靠、有效的依据，还可为我国各大中型城市实施安静 工程提供了及时的、准确的环境噪声监测手段，对推动环保领域的技术进步和 科技发展具有十分重要的现实意义。但我国迄今为止还没有成熟完善的噪声自 动监测技术，虽然国外已有定型产品，如丹麦b & k 公司的全天候户外传声器单元、 噪声自动监测仪等，但由于仪器造价昂贵，广泛推广使用不切合我国实际国情， 因此，基于g p r s 技术的环境噪声监测终端的研究与设计是我国环境监测部门亟 待深入开展的工作。 1 2 环境噪声监测现状、存在的问题及趋势 1 2 1 环境噪声监测概况 控制环境污染的前提是掌握环境质量状况，而掌握环境质量状况的最科学 手段是环境监测。环境监测是环境科学的一个重要分支。”1 广义上，是在一定 时期内对污染因子进行重复测定，追踪其污染的变化：狭义上，是对污染物进行 定期测定，判断是否达到环境标准或评价环境管理和控制环境系统的效果。”1 环境监测是人们认识环境、评价环境的重要手段，是制定和执行环境法规、标 准，进行环境决策的依据，是实现环境管理科学化的基础，是环境保护工作的 重要组成部分。 城市环境噪声监测是目前环境监测的三大主要监测项目( 水、气、噪声) 之 一，包括环境噪声常规监测和污染源噪声监测，前者一般指功能区噪声监测、 区域环境噪声监测和交通噪声盟测；而后者主要指工业企业厂界噪声监测、建 筑施工场界噪声监测和各种生活噪声监测。要想改善城市声环境质量，必须加 强环境噪声监测工作，使其为环境噪声管理提供准确、及时、科学、全面的信 息，才能保证环境噪声管理工作有的放矢、行之有效。”“1 1 2 1 1 国外环境噪声监测现状及发展趋势 国外环境噪声监测工作是伴随着环境质量恶化的过程而开展的，由于国外 工业化和城市化程度早于我国，环境问题的产生也早于我国，开展环境噪声监 测则自然早于我国。 一些发达国家，如美国、日本、丹麦等国，无论从环境噪声监测仪器还是 监测布点技术方面而言都是比较成熟的。由于计算机的应用，噪声监测信息的 处理、加工和评价，均己达到较高的水平。丹麦的b & k 公司，挪威的n o r - s o n i c 公司等国际上著名的声学仪器公司所开发的噪声监测仪器己经能够做到自动测 量、自动数据处理、信息自动传输、信息网络互联、监测信息共享，且很好的 解决了监测仪器的全天候的问题。“”随着环境噪声监测仪器的自动化和小型化 水平的不断提高，实现自动监测将不存在技术上的问题，仅仅简化为经济上能 否承受的问题。 目前国外噪声自动监测大都应用在机场噪声监测和固定噪声源的监测中。“ 国外比较大型的国际机场均建立有飞机噪声自动监测系统，各类飞机的起降噪 声由自动监测系统自动监测，并直接与机场塔台联网，以确定其是否超标。“2 3 日本已能做到对固定噪声源进行自动监测，全国布有7 0 0 0 个固定源噪声自动监 测点，随时随地监控各噪声源对周围环境的干扰情况，确定是否需要对其收费、 限期治理、甚至责令其停产。 目前的研究热门和发展方向表现在三个方面：一是更加深入地进行环境噪 声预测，为环境噪声管理、治理、控制和规划提供依据；二是加强噪声信息的 实验室分析研究，着重进行噪声信息频率成分、时间特性、空间分布、噪声信 息的模拟等方面的研究，三是完善噪声的全自动监测，增加监测时段，提高监 测数据的时间代表性和空间代表性。“” 国外许多噪声专业研究机构，目前的主要研究精力均集中在如何简捷、准 确地预测环境噪声的声级及其影响范围。除通常的理论推导外，更注重于显示 环境的实验室模拟，在专业的消声室或混响室内，利用建筑模型或道路模型， 运用高频声信号做实验源，研究噪声在不同环境条件下的传播规律。“”还有 的国家，如美国，将噪声预测模式图解化，根据不同的环境条件，可直接从图 上查阅出预测声级，且有较高的准确率。 随着计算机的逐步普及，环境噪声的数值预测技术将目趋成熟。多年的环 境噪声监测和评价时间发现，目前普遍采用的一些评价参量，如等效声级l e q ， 并不能完全反映人们对噪声的主观感受，特别是在夜间，噪声级的大小与人们 的噪声烦恼度有较大差异。如何更为贴切地反映人们对环境噪声的实际感受， 准确地表示声环境质量，一直是国内外许多声学工作者和环境工作者希望解决 的课题。“”从而，环境噪声的实验室分析得到了加强。如噪声信息的现场分析 仅能分析其倍频程或1 3 倍频程平均频谱，不能反映噪声信息在整个频率范围内 的能量分布。在实验室中，利用实时分析技术，或借助于更为精密的1 1 0 甚至 1 1 0 0 倍频程滤波器，就可方便地得到整个频率范围的能量分布。“7 3 随着环境噪声传播规律研究的不断深入，有可能优化环境噪声监测点位， 从而实现环境噪声的自动连续监测。 1 2 1 2 国内环境噪声监测现状 1 、我国开展环境噪声监测的历史 我国的环境噪声监测开始的并不晚。早在2 0 世纪6 0 年代，我国少数声学专 家就在北京等地进行了环境噪声调查。1 9 7 6 年，中国科学院声学研究所与有关 省环境保护部门合作，进行了北京、天津、哈尔滨、杭州、南京、武汉、重庆 和广 n 8 个城市的交通噪声调查，这可以说是我国环境噪声监测的开始。1 9 7 9 年，原国务院环境保护领导小组办公室在湖南衡阳举办了环境保护系统第一次 噪声监测与控制培训班，为环境保护系统培养了首批噪声监测人员。从此以后， 我国的环境噪声监测才正式纳入常规项目，全国已有4 0 多个城市开展了道路交 通噪声或区域环境的普查。“”1 随着我国环境噪声监测工作的逐步开展，1 9 8 2 年我国制定了城市区域环 境噪声标准( g b 3 0 9 6 8 2 ) 和城市环境噪声测量方法( g b 3 2 2 2 8 2 ) ，从而使 我国环境噪声监测和评价方法趋于统一。1 9 8 6 年，由国家环境保护局发起中 国环境监测总站组织有关部门制定了我国第一部环境监测技术规范( 噪声部 分) ，规定了噪声监测项目、时段、频率、数据处理方法、数据报告程序等， 从此我国环境噪声监测工作正式纳入例行监测的范畴，我国的环境噪声监测技 术走上了规范化的道路。从“七五”期间开始，我国绝大多数城市每年平均进 行了道路交通噪声、功能区噪声和区域环境噪声监测，上海、天津等少数城市 还开展了高空噪声监测。1 2 、城市环境噪声监测现状 监钡4 项目 常规监测项目：功能区噪声定期监测、道路交通噪声监测、区域环境噪声普 查。 监测周期 功能区噪声定期监测：大城市、列为环境保护重点的中等城市，每季度测量 一次，每季最末一个月测量：其它中、小城市，每半年测量一次，六、十二两月 为测量月。 道路交通噪声：每年监测一次，测量时间选择春季或秋季。 区域环境噪声普查：每年进行一次，测量时间选择春季或秋季。 布点方法 我国的环境噪声监测布点是根据不同的测量内容选用不同的布点方法。 监钡4 道路交通噪声接自然路段布点，由交叉路口自然分割成的各路段内， 距路口5 0 m 布设一个测点，来反应该路段的交通噪声水平；对整条道路或整个道 路系统，则由一自然路段的监测结果经长度加权平均后求得。 对于区域环境噪声，测区内按等面积网格法均匀布点，常用的网格尺度力 2 5 0 m x2 5 0 m ，5 0 0 m x5 0 0 m 或1 0 0 0 m 1 0 0 0 m 等，在每个网格中心测量。 功能区噪声在每类功能区内选择功能特征明显、代表性强的位置布设一个 测点进行昼夜2 4 h 连续监测。 1 2 2 我国环境噪声监测技术存在的主要问题及原因分析 经过多年的努力，我国的环境噪声监测初步形成了监测体系，已具备了环 境噪声常规监测的能力。但与发达国家相比，还存在很大差距。环境噪声监测 技术和仪器的不成熟，严重不能够适应日益强化的环境噪声管理的需要。存在 以下问题： ( 1 ) 监测频次低，数据代表性差 我国环境噪声监测频次：道路交通噪声每年监测一次，区域环境噪声4 6 个国 家城考城市每年监测一次，其他城市每五年监测一次，功能区噪声每季度监测 一次。而噪声的污染水平与人们的活动程度密切相关，春季北方风沙大、南方 游人多：夏季人们户外活动频繁，昆虫呜叫；秋季能流、物流量大；冬季北方 采暖嗓声源增加。四季的噪声污染程度存在很大的差异，仅靠一年一次的测量 尚不足以真实反映一个城市本年度的平均噪声水平。但由于仪器设备和人员数 量、素质的限制，目前尚难以大幅度地提高监测频次。各城市由于监测时段不 统一，噪声城市间环境噪声监测数据可比性差。 ( 2 ) 监测点位多，监测仪器设备落后，浪费人力物力 噪声信号不同于大气污染物、水体污染物等化学物质，其空间分布是不连 续的。由于受地形地貌、建筑物等的遮挡，噪声信号发生诸如反射、折射、衍 射、吸收等波动现象，而使声能量的分布发生变化，导致空间分布的不连续性。 只有采用多点抽样法测量，才能较为真实地反映一个区域的噪声平均污染水平。 然而，由于目前使用的监测仪器都是便携式，需要监测人员到现场。如此多的 点位，需要浪费大量的人力物力。如此繁琐而简单的工作耗费了监测技术人员 大量的精力，因而大多数噪声监测只停留在简单的数据获取阶段，而无暇进行 更深层次的分析和评价，导致我国环境噪声监测水平的滞后。” 1 2 3 我国噪声监测发展趋势 我国环境监测的目标是最终实现自动连续监测，环境噪声监测作为整个环 境监测体系的一个重要组成部分，当然也不例外。从上述的问题来看，目前的 监测水平己经远远不能满足管理的需要。伴随着科学技术的进步，开展在线自 动噪声监测已成为我国噪声监测的发展必然趋势。但由于我国在环境噪声在线 自动监测系统项目上的欠缺，迄今还没有成熟完善的噪声自动监测技术，虽然 国外已有定型产品，如丹麦b & k 公司的全天候户外传声器单元、噪声自动监测仪 等，但由于国外仪器造价昂贵，广泛推广使用不切合我国实际国情。因此基于 g p r s 技术的环境噪声监测系统的开发是我国环境监测部门亟待深入开展的工作 自动监测技术是环保部门极为重视的项目。 由此可见，过去那些传统的环境噪声测量方法，已经不能适应飞速发展的 城市建设的需要，有必要开发一种不需要测量人员干预的、具有自动远程数据 传输功能的、能够进行实时同步测量的、一对多点的基于g p r s 传输的城市环境 噪声监测终端。该监测终端是将噪声信息利用传感技术、通讯技术和计算机及 其网络技术有机结合而构成的新型环境噪声监测终端，主要功能是将噪声数据 通过采集、存储、传输、统计、分析等处理后，以图形和报表的形式，通过网 络及时准确地自动传输给环境噪声监督管理部门，该系统针对全国各大中型城 市环境噪声监测而设计的大型分布式计算机网络监测系统，有极大的伸缩性， 利用国家移动电话网络g p r s 进行控制和数据传输，同时也可以扩展到全国联 网，可随时随地实施监测。此系统的建设使用必将为推动我国环境噪声监测自 动化、网络化和高效化带来新的局面，成为环境噪声监测现代化的标志。 1 3 g p r s 技术 1 3 1g p r s 简介 g p r s “”是g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 的缩写，即通用分组无线业务 6 属g s mp h a s e2 十+ 标准业务体系。所谓分组交换是对电路交换特点相比而言。 电路交换：从信道资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地 分配传输线路的资源。电路交换是在通话之前，通过用户的呼叫( 即拨号) t 由 网络预先给用户分配传输带宽( 这里指的是广义的带宽，即将时分制的时隙宽度 也称为带宽) 。用户若呼叫成功，则从主叫端到被叫端就建立了一条物理通路。 此后双方才能通话，通话完毕挂机后，即自动释放这条物理通路。 电路交换的关键就是，在通话的全部时间内用户始终占用端到端的固定传 输带宽。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 即通用分组无线业务) ，它是以分组 交换技术为基础，每个用户可同时占用多个无线信道，而同一无线信道又可以 由多个用户共享。 分组的概念是通常我们将欲发送的整块数据称为一个报文，在发送报文之 前，先将较长的报文划分一个个更少的等长数据段，在每一个数据段前面，加 上首部后就构成了一个分组，首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信 息，分组交换网只有从分组的首部才能获知应将此分组发送何处。 在传送分组的过程中，通过存储转发的分组交换，实质上是采用了数据通 信的过程中断该分配传输带宽的策略，这对传送突发式的计算机数据非常合适， 使得通信线路的利用率大大提高了。 1 3 2g p r s 的特点 首先是分组交换。分组交换的基本过程是把数据流先分成若干个小的数据 包，通过不同的路由转发、传送到目的端，然后再组装成完整的数据流。分组 数据的传输基本上不具有实时性，通常延时也不固定，最大的优点是可以使不 同的数据“分享”传输信道。另一方面，分组交换可以在高层实现灵活的差错 控制和流量控制，以减少其他网络层不必要的开销，还可以在网络部分环节上 增加控制，提高安全性。另外，通过设置服务等级q o s 等方式，可以有效的控制 和分配延时、带宽等，所以分组交换非常适用于数据应用。 第二个特点是频谱利用率高，在g s m 无线系统中，无线信道资源非常宝贵。 如采用电路交换，通信需建立端到端的连接，在通信过程中，要独占信道，每 条g s m 信道只能提供9 6 k b p s 或1 4 4 k b p s 的传输速率，如果多个信道组合在一起 ( 最多8 个时隙) ，虽可提供更高的速率，但只能被一个用户独占，在成本效率上 显然缺乏可行性。而采用分组交换的g p r s 可以灵活地使用无线资源，每一个用 户可以同时占用多个无线信道，而所有的信道又可以由多个用户共享，从而极 大地提高了无线资源的利用率，在理论上，g p r s 可以将最多可以将8 个时隙组合 在一起，给用户提供最高达1 7 1 2 k b p s 的传输速率。可以保证较大数据的传输， 由于g p r s 用户的数据业务计费，以数据量为基础，而不是通信时长，所以g p r s 用于i p 业务的接入效率。 第三个特点是直接可以与互连网连接，传统地与互连网连接的方式是用户 通过拨号接入某- - i s p ，然后再实现互连网接入。因此，用户需要付电话费和网 络使用费。采用g p r s 接入互连网则有很大的不同，因为g p r s 是无线分组数据系 统，只要用户打开g p r s 终端，就可以附着在g p r s 网络上。也就是用户通过g p r s 系统的网关g g s n 连接到互联网，g g s n 提供相应的动态地址分配、路由、域名解 析、安全和计费等互联网功能。目前，任何一种在固定i n t e r n e t 上的业务通过 利用g p r s 将同样能在移动网络上实现。所以，移动业务运营商同时也是互联网 业务的提供商。 目前，中国移动开通的g p r s 数据服务主要是为手机用户提供无线上网功能， 针对专业数据的传输经由专业开发商借助移动通信网，i n t e r n e t 网，城域专网， 组建专用的数据传输系统，开发g p r s 终端发送接收软件，中转点数据接受转 发软件，数据处理服务器端处理软件：并灵活选择，采用高效加密，压缩算法及 授权许可协议以保障专业数据于开放网络中的传输安全。实际_ k g p r s 的基础还 是g s m ，它是在g s m 之上增加了g g s n 和s g s n 两个关键节点和一个p c u ( 分组控制单 元) ，并对部分软、硬件进行了修改，因此g p r s 投资少，受到世界各国g s m 运营 商的欢迎。正是由于g p r s 的这些优点，本论文采用此技术为环境噪声监控数据 提供一个灵活、方便的传输平台，为环境的综合治理提供准确及时的数据。 环境噪声监测是环境治理不可缺少的重要一环，随着社会的发展和对环境治理 要求的不断提高，需要监测的地方会越来越多。由于该系统加入新的监控点方 便、灵活，能够适应未来发展的需要。由于公众移动网覆盖面广，技术成熟。 用公众移动网来传输特定的应用数据技术，在任何需要传输无线移动数据的地 方都可实现。因此使用方便、灵活，取得的研究成果可以快速地推广用于各种 需要传输无线移动数据的应用之中，如金融部门的信用卡确认系统、石油天然 气管道管理部门的遥测监视系统等。 随着信息技术的飞速发展，移动数据业务必然成为未来信息社会的主要业 务种类。本论文以移动数据传输应用为目标，以目前无线覆盖面积最大的移动 网络为媒质，研制数据传输系统，这样可以极大的推动数据应用的开发，为今 后开发出更多的类似产品奠定基础。 1 3 3g p r s 提供的业务及特点 移动用户可以在公众陆地移动网中( p l m n ) ，使用g p r s 得到用户能够端到端 分组传输模式下发送和接收数据。g p r s 通信中提供了两种类型的承载业务，即 点对点( p t p ) 和点对多点( p t m ) 。g p r s 承载业务支持的标准网络协议为基础，g p r s 网络运营者可以支持或提供给用户各种业务。 g p r s 提供业务的特点： 其一，g p r s 提供的数据业务，适用不连续的非周期性或是突发的数据传送 其二，每分钟可以出现几次是数据量一般小于5 0 0 字节可以频繁传送。 其三，适用几千字节大数据量事物处理业务，允许每小时出现几次。 上述这些特点表明：g p r s 非常适合突发数据应用业务，能高效利用信道资 源，但对大数据量g p r s 网络要加以限制。g p r s 提供的承载数据业务又g q g p r s 网 络业务，包括点对点数据业务( p t p ) 和点对多点数据业务( p t m ) 。点对点数据业 务又可细分为三类：即点对点无连接网络业务，点对点面向连接网络业务。点对 多点数据业务( p t m ) 细分为三点，即点对多点传播业务，点对多点群呼业务 ( p t m - g ) 和i p 传播业务( i p m lg p r s 基本业务可适用部分补充业务，适用g p r s 承 载业务的补充业务可分为两类：g s mp h a s e2 的补充业务和g p r s 特定的补充业务。 用于g p r s 的业务包括无条件呼叫前转( c f u ) 和m s 不可及呼叫前转( c f n r ) ：闭合用 户群( c u g ) ：计费通知的信息类( h o c i ) 和计费通知的计费类( h o c e ) 。g p r s 特定的 补充业务，目前提供的为闭锁g p r s 互通文件业务。该补业务通知闭锁激活的互 通文件，从而限制用户接入到外部数据网络。 1 4 城市区域环境噪声监测终端的基本设计思想 环境噪声监测终端其原理是通过信号采集技术，把城市区域需要监测的环 境噪声数据采集下来，通过微控制器对采集的噪声数据进行存储和编码，经过 先进的g p r s 无线通信方式，定时把数据发送到远程的监测中心，并且具有当被 测数据超过设备正常运行的临界值时报警触发，终端自动将变化的数据信息上 传给监测中心。因此，只要在监测中心对监测数据进行分析就可以完全了 解现场的具体情况，并且可以随时做出判断，给监测终端发送控制和查询命令， 让监测终端做进步的、更详尽的监测。其履盖范围可以达到广域的范围，无 论监测点在同一地区还是在几百公里之外，都可以胜任。 基于g p r s 通信的环境噪声监测终端有以下优点： 无线通信的覆盖面大，可以灵活适用于大小范围的监测的需要。 用户系统容量大，便于分布式监测系统的升级、扩容，而且扩容时只需要增 加监测终端即可，极大降低了系统改进升级的工作量。 自由组网，施工简单易行，一次投资和日常运维费用低，数据传输可靠性、 实时性高。 抗干扰能力强，一定程度上可以保障覆盖区域内通信质量良好。 1 5 论文的主要研究内容和组织结构 本文主要完成了以下几个方面的工作： 一、针对淮南市环境监测站的监测特点，提出环境噪声监测终端的用户需 求技术要求； 二、查阅相关资料，分析硬件及软件功能，确定设计方案； 三、设计硬件电路，绘制硬件原理图； 四、编制硬件调试程序，修改硬件电路： 五、完成软件方案并将其细化，进行具体的软件编程。 本论文的组织结构： 第一章主要完成对环境噪声监测的国内外发展现状进行研究以及提出环境 噪声监测终端的基本设计思想，为课题的提出做出铺垫。 第二章主要介绍环境噪声的常用评价方法以及城市区域环境噪声标准与评 价。 第三章重点介绍环境噪声监测终端的功能规划、硬件组成以及各个部分的 硬件设计与实现。 第四章介绍环境噪声监测监控终端软件开发的环境、特点、应用程序的设 计和实现。 第五章结论与展望 1 6 本章小节 本章介绍了城市区域环境噪声监测的背景、意义以及国内、外的发展现状， g p r s 技术简介：s i l i c o nl a b s 系列单片机概述。在此基础上，提出了本课题环 境噪声监测终端的组织结构及总体设计