CN110196097A - 基于mems传声器的变电站噪声检测装置、方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置、方法及***，所述检测装置包括显示器(6)、存储器(5)、控制器(1)、通讯模块(2)和电池模块(4)，所述控制器(1)分别连接显示器(6)、存储器(5)、通讯模块(2)和电池模块(4)，还包括MEMS传声器(3)，该MEMS传声器(3)通过I2S通讯接口(9)与控制器(1)连接。与现有技术相比，本发明具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、支持大规模组网测试和易于实现智能监测等优点。

Description

基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置、方法及***

技术领域

本发明涉及一种噪声检测装置，尤其涉及一种基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置、方法及***。

背景技术

随着电网的建设发展以及城市化进程的不断加快，使得越来越多的电网工程出现在居民区周边，而居民对周围声音的控制要求越来越高，促使变电站噪声超标成为了电力分配环节最主要的矛盾。变电站噪声检测对于环境治理与早期的故障预测都有非常重要的意义。

现有传声器检测***是实现噪声检测最主要的设备，主要由传声器、前置放大器、滤波器、检波器等构成，但是这种***操作复杂、能耗高且价格昂贵，无法进行大规模的组网检测，也不利于实现变电站的长期连续监测需求。

因此急需一种可实现特高压变电站噪声检测的低功耗、高集成度、低成本的噪声检测装置。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置、方法及***。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置，包括显示器、存储器、控制器、通讯模块和电池模块，所述控制器分别连接显示器、存储器、通讯模块和电池模块，还包括MEMS传声器，该MEMS传声器通过I2S通讯接口与控制器连接。

进一步地，所述I2S通讯接口采用Lemo接口机械安装使用。

进一步地，所述MEMS传声器包括本体、第二Lemo接头、传声器咪头和MEMS芯片，所述第二Lemo接头和传声器咪头分别连接于本体两端，所述MEMS芯片可插拔地设置于本体内。

进一步地，所述MEMS芯片上设有排针，与所述传声器咪头内的排针座相匹配。

进一步地，还包括外壳，所述显示器、存储器、控制器、通讯模块和电池模块集成于该外壳内，所述外壳包括用于设置所述存储器的插槽、用于安装所述电源模块的安装槽、用于与外部电源连接的USB Mini-A型接口和与所述第二Lemo接头匹配连接的第一Lemo接头，所述显示器设置于外壳上。

进一步地，所述外壳上设置有启动按钮。

进一步地，所述外壳侧壁上设有防滑纹。

进一步地，所述通讯模块为Zigbee无线通讯模块。

本发明还提供一种采用所述的基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置的噪声检测方法，所述变电站噪声检测装置定时或者阈值触发采集指令进行原始噪声信号采集，控制器根据原始噪声信号采集计算声压级数值，通过显示器显示或通过通讯模块上传。

本发明还提供一种大规模组网变电站噪声监测***，包括多个所述的基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置和上位机监控平台，上位机监控平台向各变电站噪声检测装置发送校时指令，各变电站噪声检测装置定时或者阈值触发采集指令进行原始噪声信号采集后，上传至上位机监控平台。

与现有技术相比，本发明具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、支持大规模组网测试和易于实现智能监测的优点，能满足电力网联网构架下的特高压变电站噪声检测的测试要求，具体地：

1)本发明采用MEMS传声器获取原始噪声信号，极大的降低了噪声检测装置的成本与功耗；

2)MEMS传感器通过I2S通讯接口直接连接到控制器，无需在***中使用音频解码器；

3)MEMS传声器体积小、成本低，且内部的MEMS芯片可通过排针实现简单更换，使用方便；

4)本发明具有通讯模块，支持无线通讯模式，方便大规模组网监测，并实现智能管理；

5)本发明显示器、存储器、控制器、通讯模块和电池模块集成于一外壳内，小巧便携，外壳采用PC工程塑料制作而成，具有较好的强度、耐高温性和抗冲击性能；

6)外壳两侧还设计有防滑纹，增加握感防止使用时掉落；

7)本发明使用方便，测试效率高。

附图说明

图1为MEMS噪声检测装置总体设计方案图；

图2为外壳的一个角度示意图；

图3为外壳的另一角度示意图；

图4为MEMS传声器结构示意图；

图5为MEMS传声器芯片结构示意图；

图6为MEMS传声器读出电路模块示意图；

图7为噪声检测装置的总体实现流程；

图8为上位机监控平台软件界面示意图；

1、控制器，2、通讯模块，3、MEMS传声器，4、电池模块，5、存储器，6、显示器，7、I2C总线，8、UART通讯总线，9、I2S通讯接口，10、SPI通讯总线，11、USB Mini-A型接口，12、插槽，13、防滑纹，14、第一Lemo接头，15、安装槽，16、启动按钮，17、第二Lemo接头，18、传声器咪头，19、排针。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置，包括显示器6、存储器5、控制器1、通讯模块2、电池模块4和MEMS传声器3，显示器6与控制器1之间通过I2C总线7连接，实现控制器1与显示器6之间的数据交互，可实时显示一个采集周期内的平均值、最大值、最小值、装置电量等信息；MEMS传感器3通过I2S通讯接口9直接连接到控制器，无需在***中使用音频解码器，I2S通讯接口9采用Lemo接口机械安装使用，最高测试声压级为120dB；存储器5通过SPI通讯总线10与控制器1的相连，用于检测装置在日常运行和突发情况下的原始数据记录存储；电池模块4，可以在不方便提供供电电源的情况下采用外置电池提供***工作所需电源；通讯模块2通过UART通讯总线8与控制器1相连，可支持ZigBee无线通讯模式。

本实施例中，控制器1为CORTEX M0控制器；显示屏6为OLED显示屏，长宽尺寸分别为0.08m、0.05m；存储器5为可插拔的SD卡，最大可支持扩展内存为32G；电池模块4支持两种供电方式，一种是USB充电，另一种是采用电池供电。

该变电站噪声检测装置还包括外壳，显示器6、存储器5、控制器1、通讯模块2和电池模块4集成于该外壳内。该外壳采用PC工程塑料制作而成，具有较好的强度、耐高温性和抗冲击性能。本实施例中，外壳的长、宽、高尺寸分别为100mm×66.52mm×31mm，小巧便携。

如图2、图3所示，外壳包括用于设置存储器5的插槽12、用于安装电源模块4的安装槽和与第二Lemo接头17匹配连接的第一Lemo接头14，显示器6设置于外壳正面上，安装槽设置于外壳背面，可通过安装两节7号电池进行供电。

该外壳上设置有启动按钮16。本实施例中，第二Lemo接头17设置于外壳头顶处，启动按钮16设置外壳底端，用于装置的启动和关闭。

在另一实施例中，外壳侧壁上设有防滑纹13，增加握感防止使用时掉落。

在另一实施例中，外壳上还设有用于数据传输与电量供给的USB Mini-A型接口11。

如图4所示为MEMS传声器结构示意图，底端为第一Lemo接头14，可以直接与控制器相连，也可以使用延长电缆进行连接，顶部为可拆卸的传声器咪头18，内部使用可替换MEMS芯片，采用排针19与排针座直接插拔方式连接，可直接更换MEMS传声器芯片。

如图5所示为MEMS芯片结构示意图，结构中共有6个排针19，可直接***传声器咪头18内部的排针座进行芯片的更换，极大的降低了传声器坏损维修的成本。

本实施例中，MEMS传声器的直径按照标准1/2英寸麦克风进行设计，可以方便使用标准传声器校准仪器进行校准，长度33.4mm。

在另一实施例中，控制器与MEMS传声器之间连接有用于读出MEMS传声器信息的读出电路，读出电路将MEMS传声器芯片产生的模拟量转换为数字量。如图6所示，读出电路中，电荷泵为MEMS传声器提供稳定的直流电压，以保持传声器电容所储电荷保持不变；当声压作用于振膜时，MEMS传声器把声压级转换为两极板间变化的电压信号，传声器输出的电压信号经过增益放大器，为ΣΔ模数转换器生成稳定输出信号；ΣΔ模数转换器把输入的模拟信号转换为一系列脉冲密度调制信号；抽取器把单位脉冲密度调制信号编码为多位脉冲编码调制信号；低通滤波器过滤掉多位编码信号中的高频分量，并增加了抽取器的输出带宽；三态控制器根据通道选择端口的高低电平确认输出的数据为左声道还是右声道。该读出电路可集成于控制模块中。

上述变电站噪声检测装置的噪声检测方法包括：变电站噪声检测装置定时或者阈值触发采集指令进行原始噪声信号采集，控制器1根据原始噪声信号采集计算声压级数值，通过显示器6显示或通过通讯模块2上传。

如图7所示，该方法总体流程主要分为两部分的采集分析的思路：一方面，检测装置运行开始采集原始数据，在内部以每125ms(快档)或者每1000ms(慢档)一个数据块进行计权数值计算，并通过ZigBee通讯模块将计算结果传送至监控平台实时显示，这样将大幅节省了数据的传送量。另一方面，对采集过程中的原始时域数据进行有选择的保存，保存方式分为定时采集和阈值触发采集两种方式，定时采集可以等间隔保存1s的原始数据至本地SD卡存储器，时间间隔可以由用户自定义，在该模式下还支持阈值触发采集，即设置噪声阈值当噪声分贝值超限时采集并保存触发前后一共2s的时域数据至本地SD卡存储器，原始数据可以通过网络接口从检测装置导入至监控后台的分析软件进行频谱分析，进一步明确超标噪声的特征值及超标原因。通过这样的数据采集分析方式，最大限度的节省了数据传送量，并由于ZigBee通讯模块的数百米的通讯距离与支持无限扩展的技术优势，可以在低功耗低成本的前提下实现整个变电站噪声检测。

实施例2

本实施例提供一种大规模组网变电站噪声监测***，包括多个如实施例1所述的基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置和上位机监控平台，变电站噪声检测装置通过通讯模块与上位机监控平台进行远程交互，实现指令接收和噪声数据传送。变电站噪声检测装置的个数根据变电站噪声检测区域、测试需要和现场条件确定。

上位机监控平台通过时钟同步模块向各变电站噪声检测装置发送校时指令，各变电站噪声检测装置定时或者阈值触发采集指令进行原始噪声信号采集后，上传至上位机监控平台，上位机监控平台可通过ZigBee通讯模块接收各个检测装置的运行数据和预警信息，同步显示在上位机监控平台上。噪声检测装置可通过指示灯和通讯指令发出预警。

如图8所示为上位机监控平台软件界面，软件分实时监控与数据分析两个模块，在实时监控模块下可以实现计权数据的实时显示，图中所示即为94dB的校准结果实时显示，在数据分析目录下有项目、窗口、通道设置、FFT设置、Octave设置5个子模块，可以导入原始数据进行FFT、倍频程等分析。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置，包括显示器(6)、存储器(5)、控制器(1)、通讯模块(2)和电池模块(4)，所述控制器(1)分别连接显示器(6)、存储器(5)、通讯模块(2)和电池模块(4)，其特征在于，还包括MEMS传声器(3)，该MEMS传声器(3)通过I2S通讯接口(9)与控制器(1)连接。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置，其特征在于，所述I2S通讯接口(9)采用Lemo接口机械安装使用。

3.根据权利要求1所述的基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置，其特征在于，所述MEMS传声器(3)包括本体、第二Lemo接头(17)、传声器咪头(18)和MEMS芯片，所述第二Lemo接头(17)和传声器咪头(18)分别连接于本体两端，所述MEMS芯片可插拔地设置于本体内。

4.根据权利要求3所述的基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置，其特征在于，所述MEMS芯片上设有排针(19)，与所述传声器咪头(18)内的排针座相匹配。

5.根据权利要求3所述的基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置，其特征在于，还包括外壳，所述显示器(6)、存储器(5)、控制器(1)、通讯模块(2)和电池模块(4)集成于该外壳内，所述外壳包括用于设置所述存储器(5)的插槽(12)、用于安装所述电源模块(4)的安装槽、用于与外部电源连接的USB Mini-A型接口(11)和与所述第二Lemo接头(17)匹配连接的第一Lemo接头(14)，所述显示器(6)设置于外壳上。

6.根据权利要求5所述的基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置，其特征在于，所述外壳上设置有启动按钮(16)。

7.根据权利要求5所述的基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置，其特征在于，所述外壳侧壁上设有防滑纹(13)。

8.根据权利要求5所述的基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置，其特征在于，所述通讯模块(2)为Zigbee无线通讯模块。

9.一种采用如权利要求1-8任一所述的基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置的噪声检测方法，其特征在于，所述变电站噪声检测装置定时或者阈值触发采集指令进行原始噪声信号采集，控制器(1)根据原始噪声信号采集计算声压级数值，通过显示器(6)显示或通过通讯模块(2)上传。

10.一种大规模组网变电站噪声监测***，其特征在于，包括多个如权利要求1-8任一所述的基于MEMS传声器的变电站噪声检测装置和上位机监控平台，上位机监控平台向各变电站噪声检测装置发送校时指令，各变电站噪声检测装置定时或者阈值触发采集指令进行原始噪声信号采集后，上传至上位机监控平台。