采用RK3308模组的图书馆全向噪声监测系统设计

来源:用户上传      作者:胡海云

　　图书馆全向噪声监控是保证安静阅览环境的有效技术，考虑到专业噪声全向监测设备的专业性及成本、安装使用条件，广大中小学校、社区、基层文化单位等非专业图书馆往往缺乏有效的全向噪声监控手段。该文利用瑞芯微RK3308模组具备的声源定位功能进行二次开发，通过频率参数的针对性设计实现面向图书馆场景的全向噪声监测。实验室环境下的噪声监测实验验证了该系统设计的有效性。
　　：图书馆 RK3308 智能音箱 麦阵 全向
　　文献标识码：A文章编号：1672-3791（2022）12（a）-0000-00
　　
　　
　　361022China
　　Library omnidirectional noise monitoring is an effective technology to ensure a quiet reading environment. Considering the professionalism， cost， installation and use conditions of professional noise omnidirectional monitoring equipment， non professional libraries such as primary and secondary schools， communities and grass-roots cultural units often lack effective omnidirectional noise monitoring means. In this paper， the sound source positioning function of Ruixin micro RK3308 module is used for secondary development， and omnidirectional noise monitoring for library scenes is realized through targeted design of frequency parameters. The noise monitoring experiment in the laboratory environment verifies the effectiveness of the system design.
　　Library; RK3308； Intelligent speaker; Wheat array; Omnidirectional
　　
　　图书馆是要求安静环境的阅读、学习场所，相对于教室、会议室、讨论室等一般的学习、办公环境，图书馆对于环境噪声的安静程度提出了更高的要求。2021年，《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中提出要加环境噪声污染治理。2022年6月5日起施行，《中华人民共和国噪声污染防治法》噪声污染防治法规定，任何单位和个人都有保护声环境的义务，同时依法享有获取声环境信息、参与和监督噪声污染防治的权利。典型地，对恼人的夜间施工噪声、机动车轰鸣疾驶噪声、娱乐健身音响音量大、邻居宠物噪声扰民等问题，法律都作出了相应规定，还静于民，守护和谐安宁的生活环境。图书馆作为一类提供学习、自习等对环境安静程度有较高要求的功能性空间，对其噪声污染的监测、治理得到各有关方面的高度重视。
　　在图书馆噪声无人的监测、治理工作中，针对不同类型、不同范围噪声源对图书馆安静环境造成的干扰，需要全向噪声监测系统以保证图书馆对于噪声的监控及针对性管理。特别是，与单个麦克风相比，麦克风阵列通过特定几何阵型利用多个阵元获得的声信号空间信息进行声源方向估计，可以获得噪声的方向信息，因此常常用于进行噪声全向监测应用。
　　但是，考虑到配备麦克风阵列的专业全向噪声监测仪器的成本、安装、使用要求较高，如在设计规范上需要满足《环境噪声自动监测系统技术要求》（HJ 907―2017）和《环境噪声自动监测仪检定规程》（JJG 1095―2014）等规定对该类型仪器的计量性能要求，因此噪声检测仪器设备属于专用仪器设备，价格高。大量中小学校、社区、部队、企业等基层单位图书馆往往不具备配备此类专业全向噪声监测的条件。
　　自从2014年亚马逊推出的Echo系列智能音箱开创了语音交互智能音箱产品的先河，Google、微软、Facebook等国际知名企业纷纷研发智能音箱产品，该类产品在全球范围内得到快速发展。分析报告显示，未来几年全球智能音箱出货量将大幅增长，预计到2025年，智能音箱市场将增长20%以上。推动智能音箱市场快速增长的主要原因是智能家居在全球范围内的普及，包括智能家电、智能门锁、窗帘、灯等一系列智能产品，而智能音箱可作为智能家居的控制中枢。
　　此外，人工智能和机器学习的发展，以及谷歌、亚马逊、苹果等互联网科技巨头的加入，也是推动全球智能音箱市场快速增长的重要因素。国内方面，各知名厂商纷纷推出功能各异的智能音箱。比如：百度、小米、华为先后推出了智能音箱产品，已在国内智能家居产品中占据重要地位。因此，智能音箱产品巨大的产销量，使该类产品作为一种大众消费商品，价格迅速降低，具有购买、使用方面的特点。

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　　RK3308模组是瑞芯微推出的基于高性能、低功耗RK3308芯片的智能音箱整体芯片解决方案。瑞芯微RK3308搭载四核A35架构，整合的高性能音频编码器配备8通道 ADC及2通道 DAC，可直接支持最大8通道模拟MIC阵列及回采功能，无需外加ADC，加上为低功耗应用开发了硬件语音检测模块（VAD），整个方案拥有高集成度和高性价比等优势。
　　RK3308模组的主要特点具体有：CPU采用4核ARM Cortex-A35（64位架构，高性能，低功耗）；整合高性能CODEC（8通道 ADC + 2通道 DAC）；直接支持最大8通道模拟MIC阵列+回采，无需外加ADC；集成主流数字音频输入输出接口；为低功耗应用开发了硬件语音检测模块（VAD）；8TX+8RX，8CH，2CH I2S/TDM/PCM数字音频接口；codec编解码器：8x ADC for MIC IN and LINE IN；USB 2.0 HOST + USB 2.0 OTG；RMII 100M；5x UART 3x SPI 4x I2C；4x PWM 6x SARADC。
　　RK3308模组配备6元环形麦克风阵列由6颗麦克风组成，麦克风阵列直径为7cm，同时配套12个led灯代表间隔15°的12个方向，从而可实现360°声源定位功能，因而适用于图书馆这类需全向监测噪声的场景。同时，RK3308模组提供了方便的二次开发功能，可供面向不同应用场景的麦克风阵列算法开发设计。
　　考虑到RK3308模组自带的智能影响解决方案中需用户说出唤醒词唤醒后方启动声源定位程序，该文中对RK3308模M进行定制化设计，按照实时输入语音、实时门限检测、实时声源定位的工作模式设计了面向图书馆的全向噪声监测流程。
　　
　　由于RK3308模组较小的阵列尺寸（圆形6麦、直径7cm），一方面具备了使用方便的特点，同时易影响麦克风阵列声源定位精度；因此，考虑到在同等情况下麦克风阵列声源定位算法对高频信号的定位精度较高，而在图书馆典型噪声源中较高频率的非平稳噪声如桌椅搬动、器皿掉落、手机铃声是较为主要的干扰源，小尺寸麦克风阵列的声源方向估计也对算法设计造成困难。
　　因此从考虑系统工程实现方便性的角度出发，在该文对RK3308模组进行的二次开发中，兼顾常见非平稳噪声的频率特性以及模组搭载麦克风阵列的尺寸，设置DOA估计算法的工作频率在2kHz，通过滤去低频成分以保证较小尺度的RK3308模组二次开发中麦阵的全向声源定位精度。
　　图2给出了RK3308模组麦阵算法工作流程图，从图2中可以看出：首先通过门限检测判断噪声是否超出设定，对超出设定门限的噪声则采用现成的DOA估计算法进行方位估计，最后以点亮对应LED的方式输出噪声方位。
　　在图书馆全向噪声监测工作中，可通过门限输入设定噪声强度，通过模组噪声方向输出信息触发相应的声、光报警，并在在此基础上进一步结合模组提供的接口功能与智能手机接口，实现方便的噪声源监测、管理、干预，从而有效实现广大基层图书馆的环境噪声监测、治理。
　　
　　为了验证基于RK3308模组二次开发所设计系统的有效性，采用RK3308模组分别在消声及混响实验室进行全向噪声监测实验。实验中，设置RK3308模组的信号采样率为16kHz，量化位数24bit，PHAT算法处理窗长为512点。
　　实验中采用音箱播放白噪声模拟作为干扰噪声，音箱距离RK3308模组中心点列距离为5m，参照图书馆全向噪声监测中对角度分辨率不高的要求，按照15°角度分辨率全方向设置音箱，实验设置如图3所示；实验中音箱播放音量设置为相当于正常说话音量的70dB（a）声压级。如图4 所示为作为测试信号的白噪波形（上）及其语谱（下），从图4可以看出测试信号在频率上包括了从0～8kHz之间的较宽频带，可以供测试较宽频带下的系统指向特性曲线。
　　如图5、图6所示分别为消声及混响实验室下系统在2kHz工作频率的360°空间指向性曲线，从图5可以看出混响实验室条件下指向性曲线性能明显优于混响实验室条件。具体地，图5所示消声条件下系统获得的指向性曲线具有更为尖锐的主波束宽度以及更低的残余旁瓣，图6所示混响实验室条件下的指向性曲线则具有较宽的主波束及稍高的残余旁边。
　　考虑到该文系统所面向的图书馆环境噪声全向监测应用场景对声源方向估计的精度并不高，从使用角度而言，图5、图6获得的消声、混响条件下的指向性曲线表明了基于RK3308模组二次开发实现的全向噪声监测系统具备对噪声的方位估计能力。
　　同时，通过该文系统基于RK3308模组进行针对性图书馆噪声全向监测常见进行的二次开发设计，克服了RK3308模组自带智能音箱产品需先进行唤醒后才能进入声源定位模式的缺点，无需唤醒词启动即可保证系统工作在实时噪声监控模式，从而方便系统在上文所示各类非专业图书馆场景方便地开展全向噪声监控工作。
　　
　　公共场所环境噪声控制与治理是建设和谐社会、提升广大人民群众幸福感的重要方面。在各类公共场所中，图书馆是一类需要安静环境的学习、自习场所，对图书馆环境噪声的监测、管理、控制是保证图书馆充分发挥其功能性公共空间作用的重要方面，专业图书馆往往采用配备麦克风阵列的全向噪声监测设备进行环境噪声的监测、全向方位估计。但是，此类设备往往具有较高的安装、使用要求及较高的价格。
　　针对中小学校、社区等基层单位图书馆缺乏专业噪声检测设备、影响了图书馆静音环境管理效率的问题。该文综合考虑在当前智能音箱产品迅速发展、产销量大增的情况，采用目前采购方便、成本低、尺寸小，提供二次开发功能的瑞芯微RK3308智能音箱模组进行针对性设计开发，实现了全向噪声检测功能并在实验室进行了有效性测试。
　　在消声室、混响室进行的噪声方向监测实验结果表明，结合合适的工作频率设计，本文基于瑞芯微RK3308智能音箱模组设计的系统可为上述各类非专业图书馆全向噪声监测提供一类成本低、方便、有效的技术手段。
　　 [3] 黄静，胡馨月.基于麦克风阵列的室内三维声源定位优化算法[J].计算机系统应用，2021，30（9）：212-21. [6] 佚名.报告：到2025年，全球智能音箱市场将增长20%以上[J].世界电子元器件，2021（7）：3-4.

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