卿桂玲 李东山 周建梅

摘 要： 火灾隐患在生活在无处不在，当火情发生时首要保证的是及时转移出被困人员，其中能否快速确定被困者的位置成为搜救工作的关键。而火灾现场情况极为复杂，搜救人员无法及时做出判断，针对于此设计一种基于麦克风阵列声源定位的火灾寻人设备。此设备内部采用语音识别算法和声源定位算法相互配合进行人员方位计算，设备中的音频数据采集由麦克风阵列完成，微控制器对音频数据进行读取并处理，数据处理完成后执行算法计算出声源位置。再通过互联网将定位信息传送至移动端设备，由客户端显示被困者的准确位置。如此进行针对性的救援将会极大提高搜救效率，并减轻搜救人员工作强度。

关键词： 树莓派;无线通信;数据采集;声源定位

1 总体设计

本设计主要由四部分组成：声音信号采集模块、音频信号处理模块、信号传输模块以及终端显示单元。

设计思路为：由声音信号采集模块，拾取环境声音并对其进行预处理（进行降噪，放大），传输到音频信号处理单元再进行深度分析：（1）一般环境：判断其中是否含有求救人声信号，如有求救人声在进行人声提取和声源定位;（2）复杂火灾环境：判断其中是否含有人声信号或者活体运动声音信号，如有直接对人声信号或者活体运动声音信号进行声源定位;再将最终的定位结果和声音通过互联网传输到终端显示单元。

2 硬件设计

2.1 控制器的选取

控制器模块选择使用树莓派Raspberry Pi 4B，它搭载了ARM Cortex-A72的处理器，Cortex-A72 是ARM性能最出色、最先进的处理器。在相同的移动设备电池寿命限制下，Cortex-A72 能相较基于 Cortex-A15 的设备提供3.5倍的性能表现，展现优异的整体功耗效率。通过对树莓派的编程，让它用作于音频信号的分析处理，进行人声识别和声源定位，并将最终的结果通过数据传输模块传送至互联网。

2.2 数据采集模块的设计

数据采集模块由声音信号拾取，音频数据预处理，音频数据输出三部分组成。

声音信号拾取装置使用4个数字麦克风，其特点是低功耗，120dB SPL声学过载点，61dB信噪比，全方位的灵敏度，-26dB FS 灵敏度，PDW输出。

音频输出采用WM8960，它是一款低功耗立体声编解码器，采用D类扬声器驱动，可为每个通道提供1W，总计8W的负载。其结构如图1所示。

2.3 数据处理模块的设计

数据处理模块是由树莓派与数据采集模块配合完成。它接收数据采集端串口传来的数据进行解码，并对数据进行分析。提取出其中的人声频率。利用最大输出功率的可控波束形成方法进行定位，其原理是首先比较阵列采集到的不同方向信号的输出功率，然后对其进行波束形成，即在某期望方向上成形，使阵列在该方向的功率谱产生一个峰值，而对其他非期望方向产生零陷，产生幅值较小的波束。用波束形成的方法对整个空间方向进行声源定位，找出功率最大的方向即可确定目标声源的方向角度。

2.4 数据传输模块的设计

数据传输是由树莓派连接信息数据的传输设备EC20 R2.0进行传输，EC20 R2.0是一款LTE Cat 4无线通信模块，采用LTE 3GPP Rel.11 技术，支持最大下行速率150Mbps和最大上行速率50Mbps;可在3G网络与4G网络之间的无缝切换。能够向后兼容现存的EDGE和GSM/GPRS网络，以确保在缺乏3G和4G网络的偏远地区也能正常工作。内置多星座高精度定位GNSS（GPS/GLONASS/BeiDou/Galileo/QZSS）接收机;定位速度快，精度高。内置丰富的网络协议，集成多个工业标准接口。

2.5 终端显示模块

终端设备通常设置在能利用通信设施与远处计算机联接工作的方便场所，它主要由通信接口控制装置与专用或选定的输入输出装置组合而成。通过终端显示器上的按钮，就可以控制整个机电系统，操作非常简单、方便;终端显示器一般内置一组或者两组通讯端口，可以支持多种通讯协议;直接控制终端显示器的按钮，就可以达到控制整个机电系统的目的，近而提高操作者的工作效率安装上相应的终端软件就可以对数据实时的接收并观察。

3 总结

利用麦克风阵列单片机对声音信号进行采集和識别，借助于数据传输与处理，通过识别算法设计出一款用于火灾搜救现场的人声提取设备。使该设备具有火灾被困人员的声源实时追踪定位，可以提高火灾搜救工作的智能化程度、安全系数和精准度。

参考文献

[1]王波.麦克风阵列语音增强算法的研究与DSP实现[D].大连理工大学，2007.

[2]洪万帆，苏淑靖.基于无线传感器网络的数据采集系统设计[J].电子器件，2016，（01）.

[3]张召磊，孙晓伟，夏德新，李芳.高精度频率分辨在振动信号辨识中的应用[J].火箭推进，2017，（02）.