噪音環(huán)境下人聲提取設備的硬件設計

卿桂玲 李東山 周建梅

摘 要： 火災隱患在生活在無處不在，當火情發(fā)生時首要保證的是及時轉移出被困人員，其中能否快速確定被困者的位置成為搜救工作的關鍵。而火災現(xiàn)場情況極為復雜，搜救人員無法及時做出判斷，針對于此設計一種基于麥克風陣列聲源定位的火災尋人設備。此設備內部采用語音識別算法和聲源定位算法相互配合進行人員方位計算，設備中的音頻數(shù)據(jù)采集由麥克風陣列完成，微控制器對音頻數(shù)據(jù)進行讀取并處理，數(shù)據(jù)處理完成后執(zhí)行算法計算出聲源位置。再通過互聯(lián)網(wǎng)將定位信息傳送至移動端設備，由客戶端顯示被困者的準確位置。如此進行針對性的救援將會極大提高搜救效率，并減輕搜救人員工作強度。

關鍵詞： 樹莓派;無線通信;數(shù)據(jù)采集;聲源定位

1 總體設計

本設計主要由四部分組成：聲音信號采集模塊、音頻信號處理模塊、信號傳輸模塊以及終端顯示單元。

設計思路為：由聲音信號采集模塊，拾取環(huán)境聲音并對其進行預處理（進行降噪，放大），傳輸?shù)揭纛l信號處理單元再進行深度分析：（1）一般環(huán)境：判斷其中是否含有求救人聲信號，如有求救人聲在進行人聲提取和聲源定位;（2）復雜火災環(huán)境：判斷其中是否含有人聲信號或者活體運動聲音信號，如有直接對人聲信號或者活體運動聲音信號進行聲源定位;再將最終的定位結果和聲音通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)浇K端顯示單元。

2 硬件設計

2.1 控制器的選取

控制器模塊選擇使用樹莓派Raspberry Pi 4B，它搭載了ARM Cortex-A72的處理器，Cortex-A72 是ARM性能最出色、最先進的處理器。在相同的移動設備電池壽命限制下，Cortex-A72 能相較基于 Cortex-A15 的設備提供3.5倍的性能表現(xiàn)，展現(xiàn)優(yōu)異的整體功耗效率。通過對樹莓派的編程，讓它用作于音頻信號的分析處理，進行人聲識別和聲源定位，并將最終的結果通過數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送至互聯(lián)網(wǎng)。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊的設計

數(shù)據(jù)采集模塊由聲音信號拾取，音頻數(shù)據(jù)預處理，音頻數(shù)據(jù)輸出三部分組成。

聲音信號拾取裝置使用4個數(shù)字麥克風，其特點是低功耗，120dB SPL聲學過載點，61dB信噪比，全方位的靈敏度，-26dB FS 靈敏度，PDW輸出。

音頻輸出采用WM8960，它是一款低功耗立體聲編解碼器，采用D類揚聲器驅動，可為每個通道提供1W，總計8W的負載。其結構如圖1所示。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊的設計

數(shù)據(jù)處理模塊是由樹莓派與數(shù)據(jù)采集模塊配合完成。它接收數(shù)據(jù)采集端串口傳來的數(shù)據(jù)進行解碼，并對數(shù)據(jù)進行分析。提取出其中的人聲頻率。利用最大輸出功率的可控波束形成方法進行定位，其原理是首先比較陣列采集到的不同方向信號的輸出功率，然后對其進行波束形成，即在某期望方向上成形，使陣列在該方向的功率譜產(chǎn)生一個峰值，而對其他非期望方向產(chǎn)生零陷，產(chǎn)生幅值較小的波束。用波束形成的方法對整個空間方向進行聲源定位，找出功率最大的方向即可確定目標聲源的方向角度。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊的設計

數(shù)據(jù)傳輸是由樹莓派連接信息數(shù)據(jù)的傳輸設備EC20 R2.0進行傳輸，EC20 R2.0是一款LTE Cat 4無線通信模塊，采用LTE 3GPP Rel.11 技術，支持最大下行速率150Mbps和最大上行速率50Mbps;可在3G網(wǎng)絡與4G網(wǎng)絡之間的無縫切換。能夠向后兼容現(xiàn)存的EDGE和GSM/GPRS網(wǎng)絡，以確保在缺乏3G和4G網(wǎng)絡的偏遠地區(qū)也能正常工作。內置多星座高精度定位GNSS（GPS/GLONASS/BeiDou/Galileo/QZSS）接收機;定位速度快，精度高。內置豐富的網(wǎng)絡協(xié)議，集成多個工業(yè)標準接口。

2.5 終端顯示模塊

終端設備通常設置在能利用通信設施與遠處計算機聯(lián)接工作的方便場所，它主要由通信接口控制裝置與專用或選定的輸入輸出裝置組合而成。通過終端顯示器上的按鈕，就可以控制整個機電系統(tǒng)，操作非常簡單、方便;終端顯示器一般內置一組或者兩組通訊端口，可以支持多種通訊協(xié)議;直接控制終端顯示器的按鈕，就可以達到控制整個機電系統(tǒng)的目的，近而提高操作者的工作效率安裝上相應的終端軟件就可以對數(shù)據(jù)實時的接收并觀察。

3 總結

利用麥克風陣列單片機對聲音信號進行采集和識別，借助于數(shù)據(jù)傳輸與處理，通過識別算法設計出一款用于火災搜救現(xiàn)場的人聲提取設備。使該設備具有火災被困人員的聲源實時追蹤定位，可以提高火災搜救工作的智能化程度、安全系數(shù)和精準度。

參考文獻

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