董晨晨 ，李威霖 ，周杭超 ，孙 琳 ，骆达伟 ，厉乐乐

（1.浙江方圆检测集团股份有限公司，浙江 杭州310018；2.浙江省产品质量安全检测研究院，浙江 杭州310018；3.浙江省特种设备科学研究院浙江，浙江 杭州310018）

0 引言

随着我国经济的发展汽车制造成本的下降，私家汽车保有量持续增长，这使得城市停车位严重不足。据统计，我国城市汽车与停车位的比值约为1∶0.8到1∶0.5，停车位十分紧缺[1-2]。但是城市土地使用成本也是逐年攀升，这就必须提升停车位的利用率，立体车库在此环境下得到了飞速的发展。

随着越来越多的立体车库进入居民小区，立体车库的振动和噪声逐步成为影响居民生活主要原因之一[3]。对于停车设备的噪声而言，JB/T 10215-2000《垂直循环类机械式停车设备》规定“设备等效连续A声级的噪声应不大于75 dB（A）”；GB/T 27545-2011《水平循环类机械式停车设备》、JB/T 10475-2015《垂直升降类机械式停车设备》、JB/T 10474-2015《巷道堆垛类机械式停车设备》、JB/T 11455-2013《多层循环类机械式停车设备》和JB/T 10545-201《平面移动类机械式停车设备》规定“设备的声压级噪声不应大于 70B（A）”；JB/T 8910-2013《升降横移类机械式停车设备》和JB/T 8909-2013《简易升降类机械式停车设备》规定“停车设备声压级噪声不应大于70 dB（A）；安装在地下室时，停车设备声压级噪声不应大于75 dB（A）”。从上述主要国家和行业的标准可知：立体车库的噪声在70 dB以下是合格的[4]。但是实际上在夜间只要超过50 dB的噪声就会造成人们生活的很大影响。

对于停车设备的振动而言，参考GB 10070-1988《城市区域环境振动标准》，城市主要铅垂向Z振级标准值如表1所示。可见，对于立体停车库昼间的振动等级不能大于75 dB。

表1 Z振级标准值

如何避免振动及噪声问题影响人们的正常生活成为立体车库投资者和建设者需要正视的因素。因此亟需对立体车库噪声振动进行有效的监测。

传统的监测方法通常是在关键点安装传感器，采用有线连接方式传到上位机。但是对于立体车库而言，噪声及振动监控点分布范围大、结构复杂，信号线铺设难、运行过程中容易被破坏等因素影响，无法建立可靠的噪声振动监测方案。

本文提出采用ZigBee无线通信技术构建无线传感器网络的无线传感方案，通过对立体车库的运行噪声与振动信号进行无线采集，并对其振动信号进行1/3倍频及功率谱分析，最终利用LabVIEW平台进行软件编程，实现了振动噪声的无线监测。

1 算法原理

1.1 等效声级

立体车库的噪声采用等效声级进行衡量，该指标是可有效的反映人实际能接受噪声能量的大小。在立体车库的某一指定位置上，用某一段时间内间歇的几个不同A声级噪声采用能量平均的方法来计算和表示该段时间的噪声大小[5]。

式（1）中：LPA指的瞬间的声级，T指的测量所用的时间。

立体车库噪声监测，使用无线噪声传感器，所以测量时间 T 为 1 s，则式（1）离散化后如式（2）。

式（2）中，LPA（i）指的是编号 i对应的瞬间声级，N=200，i=1，2，…，200。

1.2 Z振级及1/3倍频程

在声学及机械振动的测试分析中常用1/3倍频程分析方法，具有谱线少频带宽的特点，本文将其用在立体车库振动信号监测中。

倍频程表示指定频率点上下频带内信号的有效值（平均幅值）大小。制定的频率点称作中心频率，频率点上下频带称作上限频率和下限频率，上下限频率之间的频率范围称为频带宽度[6]。如果在一个倍频程的上、下限频率之间再插入两个频率点，那么就会有4个频率值，3个频带，如果使得他们之间的比值相同，称这种频程为1/3倍频程。

对于振动加速度信号，对其进行时域以及频域分析，在频域内采用Z计权振动加速度级进行三分之一倍频程分析[7]。根据国际标准ISO2631，Z振级（VLZ）的计算公式为：

式中，a0为基准加速度，值为10-6m/s2；aw为计权加速度均方根，由式（4）计算：

式中：T为振动测量的平均时间（s）；ai为经过三分之一倍频程谱分析逆变换得到的加速度信号。

2 总体结构

监测系统主要分为3个部分，即传感信号采集模块。数据传输模块及数据分析模块。

（1）传感信号采集模块：负责振动噪声采集及预处理，并将处理后的数据采用ZigBee的无线传输方式进行传输。具体包括振动及噪声敏感元件、电源单元、控制及数据预处理、无线发送单元等。

（2）数据接收模块：负责多传感信号的无线接收，并将接收数据采用modbus协议上传到上位机，主要包括电源单元、控制及数据处理、无线接收单元及数据发送单元等。

（3）数据分析模块：负责数据接收模块发送的数据的监测及处理分析。主包括要上位机及检测软件，软件负责完成数据的接收传输及结果展示。

3 硬件系统

整个系统硬件结构如图1所示。

图1 硬件结构图

3.1 无线传输方案选择

目前无线传输方式主要有WiFi、ZigBee、蓝牙等。其中蓝牙数据传输速率较快，但存在传输数据小距离较；WiFi传输距离较远，但功耗较高；相比而言，ZigBee功耗低，但在数据传输速率较慢[8]。立体振动及噪声的监测因需要长期在线，通信距离适中，故满足采样参数的情况下，需要满足功耗低、体积小及实时性高的要求。故本设计选用ZigBee的无线通信方式。

ZigBee收发单元采用CC2420无线射频芯片，最高数据传输率高达250 kbit/s，可以实现多点对多点的快速组网，接口简单，功耗低，满足本项目振动噪声数据传输需求。

3.2 振动传感器

选取高灵敏度MEMS传感芯片作为振动采集元件，采用ARM微处理器进行实时高速数据处理，设局足够容量的存储器，先将数据采集到储存器内，然后进行数据处理。硬件设计上尽量做大微小话，满足了立体车库对体积的要求，根据参数进行选择三轴振动传感方案，且采样频率高达单轴1 600 Hz，且具有功耗低、体积小，可满足立体车库振动状态检测需求。

3.3 噪声传感器

完成对立体车库运行过程中的噪声测量。其中主要包括噪声敏感元件、信号预处理、模数转换器及无线传输单元，传感器将采集到的噪声信号经放大传给模数转换器，经过微处理器进行计算处理后，通过无线传输单元传输。立体车库噪声测量要求性能稳定、动态范围宽、频响平直，本设计选用传声器为AWA14423。

3.4 微处理器模块

微处理器是传感器及基站的核心部分，均采用ARM模块。各监测点的微处理器对噪声及振动信号进行放大、滤波及模数转换，将振动噪声数据处理后通过zigbee单元发送到建站，各监测点轮流发送，同时基站微处理器对数据进行接收并发送至上位机。

4 软件系统

LabVIEW是一种用图标代替文本创建应用程序的图形化编程语言，即虚拟仪器，它提供了丰富的图形控件，并采用图形化编程方法。本系统就是以LabVIEW为软件开发平台而开发的立体车库无线监测[9]。软件主要包括噪声监测、振动时域波形监测及1/3倍频分析，主界面如图2所示。

图2 软件监测界面

5 系统的应用

5.1 数据采集

（1）监测地点：某企业研发用的立体车库。

（2）监测设备：采用上述无线振动噪声传感器；依据标准声级计应距离地1.2 m，距车库1 m。试验中采用三角架将其固定，振动传感器采用磁性基座固定在立体车库结构架上。

（3）接收设备：无线数据传输基站放置在车库附件的安全区域，上位机放置在地下车库入口办公房内部。

（4）数据采集：在立体车库四周放置了10个噪声监测传感器及4个振动监测传感器，各个传感器通过ZigBee无线传感网将数据传输到无线接收基站，最终进入上位机进行分析。

设备安装如图3所示。

图3 设备安装图

5.2 测试结果

节点噪声及加速度信号通过内嵌程序进行采集，数据通过CC2420无线传输到基站节点，输入并存储在上位机中。由于篇幅限制此处给出了测试结果：放车阶段实测最大噪声可达70.7 dB（A）；取车实测最大噪声可达65.9 dB（A）；停车提升阶段振动在中心频率315 Hz及500 Hz振动最强烈，而其余各频率段振幅分布较为均匀；取车阶段振动在中心频率63 Hz及315 Hz振动最强烈，而其余各频率段振幅分布较为均匀。

检测结果界面如图4、图5所示。

图4 噪声监测结果

图5 振动监测结果

立体车库在不同提升阶段在不同频域范围内不同的振动情况证明，立体车库振动时有一定规律的，振动会引起不同程度的噪声，因此有必要对立体车库的振动噪声进行监测，形成大数据库，以便进一步分析其内在参数，为减小立体车库的振动噪声做好充足的准备。

6 结束语

随着立体车库的大量建设，立体车库的噪声污染成了亟需解决的重大问题，在该背景下，结合实际情况，本文提出了一种基于虚拟仪器的立体车库无线监测系统，利用无线传感器网络技术中的ZigBee技术对立体车库的运行噪声与振动信号进行无线采集，并对其振动信号进行1/3倍频，最终利用Lab－VIEW平台进行软件实现，最终实现了立体车库振动及噪声的连续监测，并且具有高效实时无线采集以及耗能低等特点。软件系统界面清晰简单，检测数据可以实时保存，便于后期分析比较。硬件系统安装方便，移动性强，运行可靠，与基于有线网络的监测系统相比具有特殊优点，为立体车库噪声污染监测及振动特性分析提供一套便捷高效地噪声监测系统。

该系统还可以进一步优化，增强数据传输能力，采集更多的有效数据，增强实时性；另一方面进一步完善软硬件系统，从结构上对立体车库进行分析，指导立体车库设计，从噪声源减小振动及噪声。