УДК 004.042:534.88
DOI: 10.15587/1729-4061.2021.247658
Підвищення якості безпровідного модуля моніторингу та спостереження звукових рядів розширеного призначення
Ж. О. Бєлозьоров, О. М. Трунов
Розглянуто звукові ряди як доповнення візуальних та тепловізійних пото- ків інформації при застосуванні комп’ютеризованих систем (КС) моніторингу.
Запропоновано мінімально повну структуру КС рознесених мікрофонів, для збору даних про звукові ряди, яка придатна калібрувати, виділяти і передавати дані про звукові аномалії (ЗА). Забезпечено дублювання каналу передачі даних дротом і Wі-Fі модулем для запису та визначення типу і координат ЗА.
Зібрано експериментальний приймальний модуль? до якого входять мік- рофони, підсилювачі та узгоджувачі цифрового і аналогового сигналу, контро- лер ARDUINO UNO WIFI REV2 з інтегрованим Wі-Fі модулем. Продемонстро- вано, що його доповнення персональним комп’ютером і смартфоном з опера- ційною системою Андроїд утворює КС дистанційного безпровідного керування ходом експерименту аналізу звукових рядів. Підтверджено експериментально, що її структура є мінімально-повною. Розроблено алгоритм та написано ком- плект програмного забезпечення (ПЗ) на C/C++ мовах. Показано, що кількість мікрофонів обирається із умов задачі від 1 до 5, але їх число обмежено п’ятьма цифровими входами плати ARDUINO UNO WIFI REV2.
Застосовано хвильове представлення закону часових змін інтенсивності та інтегральної норми ЗА. Продемонстровано можливості калібрувати всі дані звукових рядів у аналоговому та цифровому вигляді. Представлено прида- тність апробувати алгоритми визначення фаз ехограм за даними часових ря- дів, які містять ЗА різного походження і зареєстровані трьома різними мік- рофонами. Показано вплив підключення Wі-Fі модуля на зниження спаду напру- ги на 0,5–1 В. Продемонстровано необхідність додаткової умови реєстрації ЗА всіма мікрофонами. Розроблено інтерфейси ПЗ калібрування приймального мо- дуля і роботи мобільного додатку.
Ключові слова: комп’ютеризована система, модульна структура, алго- ритм прийому, програмне забезпечення, випробування системи.
1. Вступ
Інноваційну привабливість звукових рядів [1, 2], як інформаційне допов- нення [3–5] у складі мобільних засобів [6–9] до візуальних та тепловізійних по- токів [10–12] демонструє все більше прикладів практичного застосування [13–
15] комп’ютеризованих систем (КС) моніторингу [16, 17]. Розвиток геоінфор- маційних [18], сенсорних [19], відео, та безпровідних [20–22], безпілотних тех- нологій [23–25] і мініатюризація однокристальних реалізацій елементної бази пристроїв, створює передумови для перегляду та пошуку нових структурних схем модулів. Однак, реалізація теоретичних передумов, що представлено в ро-
Not
a reprint
ботах [26, 27] вимагає широкої функціональної перевірки та доведення. Такі пристрої відповідатимуть вимогам до їх застосування у новій якості в тому чи- слі у складі безпілотних апаратів [3–5], медичних реабілітаційних модулів [26, 28] та автоматизованих систем широкого призначення [6, 7, 12]. Крім того, розвиток їх застосування для рішення задач віддаленого моніторингу вимагає детального експериментального дослідження характерних особливостей звуко- вої послідовності. Моделі фіксації подій за звуковими супроводами, як події із стрибком інтенсивності звуку, не дають однозначних результатів. Формування детального опису таких подій вимагає попереднього експериментального ви- вчення та пошуку методів однозначного представлення їх як множин прообра- зів та відповідних образів. Особливості часового перебігу змін інтенсивності звукового потоку демонструють необхідність деталізації. Особливою пробле- мою стає накладання звукових потоків різного походження, що ускладнює пос- тановку та розв’язок задачі ідентичної фіксації події різними мікрофонами. У зв’язку з цим постановка та розв’язок задачі автоматизованих досліджень зву- кових особливостей для відомих подій груп аномалій стає актуальною.
Таким чином, створення модулів для проведення і фіксації детального екс- перименту відкриє можливості для всебічного вивчення як самих КС визначен- ня координат звукових аномалій (ЗА) так і їх сумісного використання у складі інших апаратів. На підставі означеного актуальність набуває розробка макету модуля як інструменту для перевірки моделей і програмних засобів (ПЗ). Їх на- явність у свою чергу створить умови для експериментального дослідження і формування мінімальної структури безпровідного модуля моніторингу та спо- стереження звукових рядів розширеного призначення [18, 28–31].
2. Аналіз літературних даних та постановка проблеми
В роботах [1–3] здійснюються спроби створити малогабаритні КС, що пра- цюють за принципом реєстрації та подальшого аналізу сукупності звукових си- гналів. Сигнали або окремі звукові часові ряди, що записано синхронно розне- сеними мікрофонами, доповнюють інформаційну базу прийняття рішення.
Останнє є причиною розвитку і розширення функціональних можливостей. Так, в роботі [1] на підставі результатів аналізу сформовано відомості про акустич- ний діапазон стрільби зі стрілецької зброї та продемонстровано, як з допомогою одного вузла датчика і руху руки відстежувати рухи цілі. Однак особливості природи ЗА, як випадкового, а іноді і разового сигналу ускладнюють застосов- ність результатів [1]. Також важливими є результати знаходження координат та формування напрямків акустичних променів, перетин яких визначає просторове положення точок вогню [2]. Однак, причиною ускладнень при застосуванні ре- зультатів [2], як і в [1], є потреба в аналізі звукових сигналів, що є імпульсні і не повторюються. Крім того, як означається в [2], підвищення точності визна- чення координат ЗА досягається шляхом збільшення кількості мікрофонів. По- треба збільшення кількості мікрофонів входить у протиріччя із необхідністю загальної мініатюризації КС. Вимога мініатюризації також продиктована впро- вадженням одного із способів підвищення ефективності устаткування звуково- го контролю за рахунок розміщення на мобільних літальних апаратах [3]. Од-
For reading
only
нак, особливості розміщення у просторі утворюють специфічний влив на конс- труктивні відмінності будови засобів акустичної розвідки, особливо при малих габаритних розмірах [4]. Крім того, як показано у роботі [5], для оптимальної організації обчислень важливим є відносне розташування групи мікрофонів, наприклад у вершинах Платонових тіл. Не менш важливим прикладом розгляду акустичного потоку інформації, що спостерігається та обробляється стохастич- ними методами, є моделювання, оцінка та застосування в системах повітряного контролю [6]. Робота розвиває методи оцінки та прогнозування, що дозволяє представити модель прогнозного керування для гібридної системи [7]. Переваги комбінованих систем продемонстровано у роботі [8]. Така система включає FLIR, CCD з безперервним масштабуванням, лазерний далекомір, GPS, систему управління командиром і кілька "абонентів", розташованих разом зі снайперами підрозділу [8]. SPOTLITE аналізує виявлені джерела вогню, перевіряє, чи кож- не джерело насправді є вогнем противника. Після перевірки дані передаються до підрозділу, що підтримується і який керує вогневою підтримкою [8]. В робо- ті [9] продемонстровано, що забезпечення систем засобами віддаленого керу- вання принципово розширює їх функції та можливості. Роботою [10] теж підт- верджено цей висновок. Так, Metravib Defence solutions, яка більше 25 років знаходиться у обслуговуванні приладів широкого розповсюдження світової безпеки, демонструє їх функціональність та надійність [10]. Бумеранг ІІІ визна- чає місце пострілу із стрілецької зброї [11], а за принципом пасивного акустич- ного виявлення та комп'ютерної обробки сигналу розраховує координати стрі- льця [11]. Час визначення координати, який досягнуто, менш ніж секунда, неза- лежно від розташування на стаціонарному або рухомому засобі. Особливості та тенденції розвитку звукових систем, як доповнювальних джерел інформації про стан оточуючого середовища, що фіксується засобами відео- та тепловізорного спостереження, подається у роботі [12]. Означені роботи [8–12] мають спільну тенденцію, яка проявляється у збільшенні загального числа мікрофонів до 6–8.
Одночасне застосування не прямих методів постановки задачі про визначення координат джерела звука та застосування градієнтних методів збільшує похиб- ку її розв’язку. Збільшення кількості мікрофонів збільшує число доданків у фу- нкціоналі та зменшує похибку розв’язку, у зв’язку з цим практичні системи збі- льшували кількість мікрофонів. В роботі [13] показано багаторівневий навчаль- ний підхід на основі B-сплайнів для локалізації джерел звуку, а у роботі [14]
представлено автоматичне визначення координат мікрофонів. Якість створено- го апаратного забезпечення, у якому простежуються тенденції на мініатюриза- цію та інтеграцію одно-кристальних одно-платних комп’ютерів, приводить до поширення прикладів застосування у реабілітації військових, які працювали у зонах підвищеного шуму [15]. Другим успіхом є застосування у гнучких робо- то-технічних системах [16]. Особливу роль відіграли успіхи з розвитку елемен- тів КС у робототехнічних системах блоків навігації та позиціонування у вироб- ничих елементах систем гнучкої перебудови [17]. Удосконалення методів та засобів побудови динамічних сценаріїв у роботі навігаційних геоінформаційних систем, що ґрунтуються на принципах звукової локації, теж удосконалено на підставі розвитку елементів КС [18].
Not
a reprint
Однак, незважаючи на позитивні результати розвитку КС в цілому, розши- рення їх функцій та удосконалення якісних характеристик потребує пошуку но- вих гіпотез про склад ЗА, характер хвилі та особливості її розповсюдження. Бе- зумовно, що останнє потребує наявних засобів фізичного моделювання для по- будови та перевірки моделей [19]. У цій же роботі [19] теоретично проведено аналіз причин похибки та показано, що ірраціональність функціоналу є голов- ною з них. Застосування перебудованого функціоналу та методу рекурентної апроксимації дозволила підвищити точність та зменшити відповідно необхідну кількість мікрофонів до 3–4. Однак реалізація цих результатів і алгоритмів за- гальмована відсутністю КС, що була б спроможна мониторити акустичне поле та визначати момент часу входження однієї фази хвилі до різних мікрофонів.
Огляд та порівняльний аналіз КС виявлення позиції снайпера проведено у ро- боті [20]. У роботі [21] авторам вдалося визначити параметри звуку пострілу, які впливають на виконання спеціалізованих вогневих завдань силами безпеки.
Там же означено, що ці параметри підлягатимуть регламентації [21]. Роботи з навігації на основі камер не коштовного квадрокоптера продемонстрували, що вони представляють підвищений інтерес [22]. Дві особливості є тому причина- ми: стабілізація руху та відео-фіксації та вивчення взаємного впливу роботи си- стем [22]. Розробка методу визначення зони експлуатації безпілотних машин за допомогою теорії графів продемонструвала очікувані негативні наслідки спіль- ної роботи систем [23]. Там же означено, що додаткове завантаження джерела живлення потребує контролю, а у випадку падіння величини напруги потребує змін умов калібрування сигналу [23]. Застосування сенсорних модулів адаптив- них роботів, як принцип підвищення ефективності, впроваджувався для різно- рідних інтелектуальних датчиків з урахуванням взаємовпливів ще у роботі [24].
Перегляд вимог до будови КС для додаткового вивчення взаємовпливу систем є однією з задач, без розв’язку якої неможливо розв’язувати задачу квадрокопте- рної розвідки [22, 23].
У зв’язку з означеним рекурентна мережа як інструмент для калібрування в автоматизованих системах та інтерактивних тренажерах проявить свої пере- ваги [25]. Однак, проблемами такого дослідження, як і попереднього дослі- дження про взаємовплив систем, представлено у [25]. Її розв’язок, як там же запропоновано, полягає у створенні фізичної моделі для проведення модельних експериментів. Підтвердженням такого висновку є робота, що застосовує реку- рентне наближення в задачах синтезу нейронної мережі для контролю процесу фототерапії [26]. Як доведено у роботі [27], рекурентна апроксимація при спе- ціальних умовах проєктування апаратної частини виступає одночасно як ін- струмент розширення функцій та режимів роботи нейронної мережі [27]. Про- блема величини обсягів інформації, що передається, є однією з проблем вибору елементів та будови апаратної частини системи та алгоритму роботи програм- ного забезпечення обробки. Однак, як показали автори у роботі [28], під час аналізу розвитку інноваційної індустрії флуктуації перетворюють процес на складні вимірювання, що потребує застосування методу ateb-прогнозування.
Однак це розв’язує задачу тільки для стабільного тренду [28]. Застосування ateb-прогнозування для інших випадків тренду при використанні функції Діра-
For reading
only
ка підлягає додатковому вивченню та доведенню [29]. У зв’язку з цим предста- вляє інтерес інший підхід до стиснення, що було запропоновано для іншого практичного застосування [30]. За цим підходом параметри формуються, але до тих пір, поки їх величини лежать у допустимих межах, передаються тільки дан- ні про один їх узагальнений показник. У випадку виходу величини хоча б одно- го з параметрів за допустимі межі, передаються дані про всі параметри. Такий алгоритм приводить до суттєвих скорочень обсягів даних, що передаються без інформаційних втрат [30]. Як показано у роботі [31], аналіз акустичних засобів виявлення пострілу зі стрілецької зброї та їх класифікація потребує модельних експериментів, а значить утворення фізичної комп’ютеризованої моделі прийо- му, реєстрації та обробки сигналів системою мікрофонів [31]. В роботі [32]
продемонстровано необхідність дослідження двох типів хвиль: дульної та над- звукової. Кожна з них потребує подальшого дослідження фізичних особливос- тей. Перша – дульна хвиля, яку утворено пороховими газами, має еквідістантну форму фронту хвилі. Друга – надзвукова, що утворено кулею або снарядом, швидкість руху яких більше за звукову та має змінну форму фронту хвилі. Для такого дослідження потрібно створення та удосконалення КС мікрофонів безд- ротової фіксації звукових рядів. Робота [33] підтверджує плідність ідеї виділен- ня дульної хвилі і демонструє її здатність визначати координати і напрям на во- гневу позицію противника групою звукоприймачів. Таким чином, в роботах [32, 33] підкреслюється необхідність створення устаткування, що здатне до то- чної фіксації моменту часу переходу звукового бар’єру та моменту часу виходу порохових газів. У свою чергу це потребує створення комбінованої КС спосте- реження, для проведення автоматизованого експерименту і фізичного моделю- вання. Крім того, головним протиріччям, яке означилось у роботах [8–11], є не- обхідність збільшення числа мікрофонів до 6–8, що суттєво збільшує точність, та вимога мініатюризації устаткування [3, 4, 20–24]. Реалізація результатів ро- боти [19], що теоретично та числовими експериментами продемонструвала мо- жливості зменшення кількості мікрофонів до 3–4 теж потребує створення КС, яка задовольняє вимогам мініатюризації устаткування у цілому. Досягнення вимог мініатюризації може здійснюватися за рахунок формування мінімальної структури та за рахунок спеціального вибору функціонально повних компонен- тів, що підвищує якість КС.
Таким чином, головною не розв’язаною проблемою, що стримує фізичне лабораторне моделювання ЗА різних типів, є структурна недосконалість устат- кування та алгоритму його роботи і відсутність дистанційного безпровідного керування ходом експерименту.
3. Мета та задачі дослідження
Метою роботи є підвищення якості устаткування КС мікрофонів для моні- торингу і реєстрації звукових сигналів, шляхом формування та обґрунтування її мінімальної структури. Це надасть можливість реалізовувати функції дистан- ційного безпровідного керування ходом експериментального дослідження зву- кових рядів та відкриє можливості для подальшого удосконалення елементів всієї КС.
Not
a reprint
Для досягнення цієї мети було поставлено наступні задачі:
– сформувати мінімальну структуру КС проведення фізичного моделюван- ня для одночасної реєстрації рознесеними мікрофонами ЗА, як розв’язок задачі динамічного програмування з обмеженнями;
– побудувати алгоритм визначення фаз ехограм за даними часових рядів, що зареєстровані різними мікрофонами;
– провести випробування КС, що калібрована та придатна для моніторингу і спостереженню звукових рядів при наявності фіксації ЗА.
4. Матеріали та методи дослідження
В основу формування і створення мінімальної структури безпровідного модуля моніторингу та спостереження звукових рядів розширеного призначен- ня перш за все було покладено визначення ЗА як окремого феномена. Вважа- лось, що його властивості різко відрізняються від загального постійного звуко- вого фону. Також покладалось, що ідея створення модуля моніторингу та спо- стереження ґрунтується на ідеї можливості виокремлення ЗА відомого опису, а аномальною є її поява у районі спостереження. Другим варіантом ЗА є випадки, коли попередньо не відомий звук містить стрімко подібні зміни інтенсивності, що не притаманні даному району спостереження, з’являється випадково та зни- кає. У основу дослідження покладались наступні гіпотези про те, що ЗА задо- вольняє принципу суперпозиції, а черговість виокремлених фаз не порушуєть- ся. За цих умов прийнято наступні припущення:
– ЗА є точковим джерелом акустичної сферичної хвилі;
– мікрофони системи є точковими приймачами акустичних хвиль;
– відстань між мікрофонами стабільна та на два порядки більше за розміри мікрофонів.
На основі сформульованих гіпотез та припущень, що було сформовано, для розв’язку першої задачі застосовано поняття якості. Далі під якістю будемо розуміти: відповідність вимогам за означеним переліком у тому числі з надій- ності і довговічності. Як кількісний показник її визначено комплексним мето- дом шляхом зіставлення корисного ефекту від споживання з еталонним. Унор- мування за однією з Евклідових норм звело задачу до кількісного опису та до- зволило застосувати методи дослідження операцій, а саме динамічного програ- мування, множинного та функціонального аналізу.
Крім того, було покладено, що часовий перебіг інтенсивності ЗА є непере- рвною функцією, яка допускає розклад у ряд Фур’є і є інтегрованою з квадра- том. Застосовано методи розкладу у ряди Фур’є, методи скінчено-інтегральних перетворень, функціонального аналізу та пошуку кореню нелінійних алгебраїч- них рівнянь.
Для розв’язку третьої задачі було покладено, що імітатор генерує типову ЗА, яка імітує основні її властивості: неперервність, часову протяжність і інтег- рованість з квадратом. Було застосовано методи калібрування, визначення кла- сів точності, теорії похибок для визначення оцінки похибки при опосередкова- них вимірюваннях. Головною функцією модуля моніторингу та спостереження звукових рядів, що проєктується, є забезпечення інформаційної повноти та ін-
For reading
only
телектуалізованої обробки потоків інформації. Для контролю якості інтерфейсу моніторингу даних смартфону та відображення за вимогою на його екрані було застосовано методи формування узагальненого інтегрального показника якості інтерфейсу.
5. Дослідження модуля, методів та інструментів калібрування і функ- ціонування автоматизованих приладів розширеного призначення
5. 1. Мінімальна структура моніторингу та спостереження звукових рядів
Аналіз структури систем практичного спостереження, розвідки та моніто- рингу різного призначення [6–20] переконує, що ефективність побудови КС ви- значення координат ЗА росте при збільшенні кількості мікрофонів до 3–5 оди- ниць. Однак було констатовано, що цей висновок означених робіт знаходився у протиріччі із потребою і тенденцією загальної мінімізації таких систем. У зв’язку з цим було поставлено задачу аналітичного знаходження мінімальної структури. Для її постановки покладено, що сигнал на виході кожного з мікро- фонів необхідно підсилити та привести до унормованого діапазону, і передати до одно-кристального контролеру. Кількість модулів підсилювання і приведен- ня не може бути меншою за кількість мікрофонів. Отже, мінімізація структури модуля за рахунок цих елементів можлива, як за рахунок зменшення кількості мікрофонів, так і кількості одно-кристальних контролерів. Для формування мі- німальної структури було поставлено задачу динамічного програмування про мінімізацію функцій та елементів блок-схеми. Було представлено блок-схему структури у максимальному варіанті із N рядків та покладено, що початковий склад рядка містить максимальну кількість блоків М (рис. 1). Кількість рядків дорівнює максимальній кількості мікрофонів N.
Рис. 1. Блок-схема комп’ютеризованої системи визначення координат звукової аномалії
Кожен з рядків містить функціональні блоки, які реалізують повний пере- лік функцій M, починаючи від часової фіксації акустичної хвилі, її перетво- рення до передачі сигналу до смартфону. Так, блок 1 перетворює коливання, в мікрофоні на електричний сигнал. Блок 2 його підсилює, у блоці 3 сигнал узго- джується відповідно до вимог вхідного каналу (входу) АЦП контролера – блок 4. Далі сигнал передається блоком 5 до смартфону 6 або до робочої станції 7.
Not
a reprint
Якщо початковий стан представлено блок-схемою максимально можливої стру- ктури, а опис кожного її елементу задано функціями кількісного або якісного виміру, то задачу зведено до задачі з відомим початком. Також застосуванням нормування за однією з Евклідових норм зведено задачу пошуку мінімальної структури до задачі оптимального проектування – динамічного програмування з обмеженнями нерівностями.
Цільову функцію цієї задачі сформовано як адитивну:
,
1 1
, , ,
N M i ji j
F i j k f k (1)
де F(i, j, k)–позначено цільову функцію, i – номер рядка, j – номер блоку, первин- ного упорядкування блок-схеми, а k – номер нового варіанту кроку переходу. Крім того, fi,j(k) введено унормовану цільову функцію однієї змінної для кожного еле- менту i, j, з якого здійснено крок k, тоді задача запишеться наступним чином:
, , 1 1 ,
min ;
N M i ji j k i j
f k
5 ;
N t b T i1,N,
4;
out
N b j1,M, k 4,5. (2)
Тут позначено Nout – кількість виходів з блоків узгодження, Δt – час фор- мування підсиленого і узгодженого сигналу у одному каналі, b4 – максимальна кількість входів АЦП контролера, b5 – міжопераційні витрати часу з підготовки до передачі даних каналу зв’язку, T – допустимий час на визначення даних про аномалію. Розв’язок задачі (2) представиться:
min 3 4, , 1 1
min , , ,
N ij i j k
i j
F i j k f F (3)
де F4 є функція, що визначається як добуток об’єднання цільових функцій з k (4) та (5) на функцію рішення в умовах порівняння за декількома еталонами за ал- горитмом [34]. Якщо всі блоки (мікрофон, підсилювач та узгоджувач сигналу) різних рядків ідентичні, то останнє запишеться:
min 3 min
14 15
, , 1 1 1
3
min 14 15
1
min , ,
.
N N
i j k ij
i j i
ij j
F i j k f f f L i
f f f L i
N
(4)
For reading
only
Функція L(t) розраховується за функціями властивостей за продуктивним правилом:
4 54 5
0, if 1
1, if 1 .
i i
i i
f f
L i f f (5)
Таким чином, розв’язок (4), що отримано за принципом Р. Беллмана, пред- ставлено як стратегію двох кроків. На першому обрано мінімальну кількість мікрофонів Nmin. На другому із бази даних сучасних та доступних контролерів обрано елемент, який об’єднає функції контролера та каналу зв’язку, задоволь- няючи перелік вимог відкритості коду, наявності програм, надійності та кілько- сті входів, яка повинна бути більше за Nmin. Тобто обрано елемент, який має ма- ксимальну якість. Застосування означеної методики дозволило сформувати та виготовити КС мінімальної структури.
Крім того, враховуючі вимогу передачі даних за допомогою Wi-Fi модуля, обрано ARDUINO UNO WIFI REV2 (RS Components, Виробник Arduino, Номер виробника ABX00021, Україна). Плата має інтегрований Wi-Fi модуль, харак- теристики якого та каналу зв’язку подані табл. 1.
Таблиця 1
Характеристики каналу та модуля зв’язку
Найменування NINA-W102
Виробник u-blox
Тип модуля зв'язку IoT
Вид мережі Bluetooth Low Energy, WiFi
Напруга живлення 3...3,6 В
Комунікаційний протокол IEEE 802.11b/g/n
Потужність передавача 14 дБм
Чутливість приймача 90 дБм
Монтаж SMD
Властивості модулів зв'язку антена
Розміри 14×10×3,8 мм
Робоча температура –40...85 °C
Швидкість передачі 150 Мбіт/с
Смуга 2,412...2,484 ГГц
Дальність 300 м
Кількість входів/виходів 24
Тип модуля зв’язку, вид мережі, величина напруги живлення, комуніка- ційний протокол, потужність передавача і чутливість приймача засвідчує, що ARDUINO UNO WIFI REV2 забезпечить роботу із декількома мікрофонами.
Інші характеристики швидкість передачі, смуги частот, дальність і кількість
Not
a reprint
входів переконує у принциповій можливості формування мінімальної структу- ри КС проведення фізичного моделювання для реєстрації рознесеними мікро- фонами. Таким чином, якщо зупинитись на такій структурі, то буде забезпечено повну функціональну спроможність та мінімізацію компонентів, розмірів та маси. На рис. 2 показано структурну схему приймального модуля та інших мо- дулів КС для проведення фізичного моделювання і реєстрації ЗА.
Структурну схему представлено у вигляді єдиного модуля, до складу якого входять датчики, плата Ардуіно, програмні модулі управління платою та каліб- рування і тестування. Також до складу КС входять програмні модулі обробки, аналізу та відображення даних на базі ПК і обробки, аналізу та відображення даних на базі смартфону. Акустичні, режимні та габаритні характеристики дат- чиків подано у табл. 2.
Датчик 5
Датчик 1 Датчик 2
Програмне забезпечення плати
Arduino uno wifi rev2 1. Програма управління платою signal_locator3.ino 2. Програми калібрування та тестування:analog_calibra- tion.ino; digital_calibration.ino;
digital_interrupt_calibration.ino;
noise_interrupt_test.ino;
mic_test.ino;time_test.ino;
wifi_test.ino;webserver_test.ino.
Приймальний модуль з платою
Arduino uno wifi rev2
Програмний модуль обробки, аналізу та відображен-
ня даних на базі ПК
Програмний модуль обробки, аналізу та відображен-
ня даних на базі смартфону Акустична хвиля
Рис. 2. Структурна схема комп’ютеризованої системи визначення координат звукової аномалії
Таблиця 2
Характеристики моделей мікрофонів:
Найменування KY-037 МАХ4466 Miс+AMP
Напруга живлення, В 3,3...5 2,4-5,5 4V~12V
Робоча температура, °C 0...+70 40 °C…+85 °C 0...+70
Розмір монтажного отвору, мм 3 3 відсутні
Розміри модуля, мм 34×16 20×14×10 41×13×13,5
For reading
only
До складу кожного з датчиків входять підсилювач та схема узгодження ді- апазону сигналу. Кількість датчиків може змінюватись до п’яти. Всі датчики живляться від єдиного джерела живлення разом з приймальним модулем, що виготовлено на базі ARDUINO UNO WIFI REV2. Окремим елементом є смарт- фон. На цій схемі смартфон умовно не показано, також не показано зв'язок з ним. Пропонується застосовувати смартфони з Андроїд процесором. При пара- лельному підключенні опитування датчиків здійснюватиметься почергово.
Останнє викликає затримку. У зв’язку з цим кількість мікрофонів необхідно обмежити до мінімально необхідної кількості. У роботі [19] теоретично показа- но, що кількість мікрофонів можливо зменшити до 3. У подальшому буде вра- ховано цей висновок та експерименти проведено із зменшеною кількістю мік- рофонів: трьома.
Таким чином, з метою подальшого впровадження елементів цілісної сис- теми побудовано приймальний модуль та проведено його дослідження. Основ- ною метою цього експерименту є підтвердження можливості практичної побу- дови модуля, що забезпечує режими і роботу в складі цілісної системи визна- чення координат ЗА.
5. 2. Алгоритм визначення фаз ехограм за даними часових рядів, що зареєстровані різними мікрофонами
Формування алгоритму визначення моменту часу фаз ехограм за даними звукових часових рядів, які зареєстровані різними мікрофонами, є головним джерелом похибок [19]. У зв’язку з цим було визначено розробити ключовий елемент загального алгоритму роботи програми модуля. Задачею модуля пок- ладено встановити умови, які забезпечують однозначність і однаковість фікса- ції ідентичного моменту часу у різних ехограмах однієї ЗА. Розгляд ЗА, у виді протяжної у часі зміни інтенсивності, приводить до гіпотези про фазову інварі- антність будь-якої з її точок у ході розповсюдження. На підставі сказаного при- пускалось, що така точка ехограми знайдена та існує однозначне співвідношен- ня для її визначення. На підставі одного з висновків роботи [27] про порядок калібрування, як інструменту розширення функцій і можливостей КС моніто- рингу, було застосовано чотирьохточковий розклад за методом рекурентної ап- роксимації (МРА). Так представлено інтенсивність акустичної хвилі ЗА i(t) як функцію часу t:
1
cos ,
n i i ii t I t kr (6)
та введено норму
2 1/2
1
cos( ) d .
n i i i i t I t kr t (7)
Not
a reprint
Тут позначено Iωі – амплітудне значення сили струму, ωі – циклічна часто- та із складових набору частот, k – хвильовий вектор відповідної довжини хвилі, r радіус вектор, αi – початкова фаза. Якщо в ході калібрування ЗА даного типу за фіксованим набором частот ωі встановлено коефіцієнти λωі, то підставою для побудови алгоритму є наступне обґрунтування. Відповідно до калібрування фрагменту ЗА із N точок для набору частот ωі та за визначенням коефіцієнти ωі
,λωі, є розв’язком рівняння:
i
0.i t i t (8)
Розкладено (8) у силу неперервності його доданків у ряд за МРА:
n i
n
n i
n, i, i
...
n 0.i t i t i t A t R t (9)
Тоді рекурентне наближення моменту часу однієї фази будь якого мікро- фону буде розраховано:
1
... .
, , ...
n i n n
n n
n i n i i n
i t i t R t
t t
i t A t R t (10)
У виразах (9), (10) відповідно позначено R(tn) - остаточний член розкладу за МРА та диференційовані доданки А(tn, ωі, λωі):
2 1/2
1
1
, , cos
cos sin d .
n
n i i i i n i
n
i i n i i i n i
A t I t kr
t kr t kr t
I
(11)
Таким чином, на підставі обґрунтування моменту часу фази tn+1 сформу- льовано алгоритм обчислення моменту часу.
Для довільного моменту часу за чотирьох точковою схемою заміряно чо- тири значення інтенсивності акустичної хвилі i(tn).
За виразом (7) розраховано норму для кожної частоти ωі із набору для да- ного типу ЗА.
Розраховано за значеннями інтенсивності акустичної хвилі i(tn) числові значення перших та других похідних.
Розраховано за (11) значення константи А(tn , ωі ,λωі).
За виразом (10) розраховано величину моменту часу входження акустичної хвилі. У випадку, коли розбіжність між двома послідовними моментами часу не задовольняє необхідній точності, то наближення повторюється до досягнення необхідної збіжності.
For reading
only
Таким чином, введення інтенсивності ЗА як неперервної функції (6), що є інтегрованою з квадратом, норма якої (7), допускає декілька способів визначен- ня характерної фази за даними калібрування множників λωі, як часу реєстрації приходу ЗА до мікрофону. Аналіз різних можливостей приводить до співстав- лення амплітуди хвилі та норми, центра ваги або відносного розташування точ- ки протяжності як однозначного критерію, на якому може ґрунтуватися алго- ритм фіксації ЗА.
Алгоритм роботи програми signal_locator3.ino (Україна) [35] представлено на рис. 3. За своєю суттю він є нескінченим циклом і полягає в тому, що про- грама після старту та запуску метода loop() постійно працює в режимі зовніш- нього циклу.
Рис. 3. Блок-схема програми signal_locator3.ino
На кожній ітерації зовнішнього циклу лічильник збільшує номер ітерації та через кожних 10000 ітерацій проводиться перевірка, факту отримання всіма мі- крофонами сигналу «одиниця» (1, 1, 1). Якщо факт реєстрації ЗА зафіксовано всіма мікрофонами, то зберігається час входження звукового сигналу в кожен із
no
yes yes
no start
cycle++
cycle % cycle_frequency == 0
sendDataToClient(client, long[] times) all_have_first_signal
times[i] = -1 cycle = 0, long[] times, cycle_frequency = 10000
void loop()
Not
a reprint
трьох мікрофонів у вигляді масиву. Після цього перевіряється робота програми керування приймальним модулем signal_locator3.ino [3, 5], яку встановлено на плату ARDUINO UNO WIFI REV2, на факт наявності масиву.
Далі масив часу входження звукової хвилі до кожного мікрофону, що було збережено на платі ARDUINO, відправляється до смартфону по бездротовому каналу зв’язку за допомогою вбудованого WI-FI модуля.
У ході розробки алгоритму та його тестових випробувань на кожній ітерації зчитуються дані, які зареєстровано мікрофонами, незалежно від того, чи отримано позитивний сигнал «одиницю», чи ні. Такі кроки алгоритму призводили до пере- вантаження ARDUINO, що відбувалось через обмеження ресурсів його оператив- ної пам'яті і продуктивності процесора. У зв'язку з цим, в режимі зчитування да- них, що зареєстровано мікрофонами, було запропоновано програмно відключати Wі-Fі модуль. Відключення зменшувало додаткове навантаження на плату ARDUINO. За наступним кроком підключається Wі-Fі модуль і відправляється інформація на смартфон. Це рішення позитивно позначається на продуктивності роботи плати. Однак, наступна проблема, що виникає у наслідок переключень Wі- Fі модуля, – це просідання спаду напруги по живленню. У результаті дані каліб- рування мікрофонів стають не придатними, а результати вимірювання стають не стабільні і викривленні. Для уникнення дестабілізації робочої напруги у подаль- шому Wі-Fі модуль не відключається. Крім того, стан мікрофонів перевіряється не на кожному проході зовнішнього циклу, а після кожних 10000 ітерацій. Факт вхо- дження звукової хвилі підтверджується і фіксується тільки при наявності сигналу на всіх трьох мікрофонах. Крім того, було оптимізовано кількість змінних та їх тип, завдяки чому було стабілізовано роботу плати ARDUINO по живленню. Ос- таточне калібрування мікрофонів при включеному модулі Wі-Fі забезпечило якіс- не відсікання системою так званого природного «шуму». Видалення природнього шуму дозволило під час експериментів вільно спілкуватися без ризику отримання помилкової фіксації сторонніх звуків. Під час експерименту система реагувала тільки на звукові коливання, які генерувались імітатором звукового сигналу. Імі- татор звукового сигналу забезпечував стійкість, якість та постійну гучність дже- рела звуку під час дослідження.
5. 3. Випробування комп’ютеризованої системи, що калібрована та придатна для моніторингу звукових рядів
Для підтвердження працездатності мінімальної структури безпровідного модуля моніторингу та спостереження звукових рядів експериментально дослі- джено процеси виконання набору функцій. Так, у ході експериментального ви- пробування було побудовано приймальний модуль на основі плати ARDUINO UNO WIFI REV2 з інтегрованим в неї Wі-Fі модулем та підключеними до неї модулями мікрофонів. Побудований пристрій складається з стійки 1 (рис. 4), антенної решітки 2, що зручна для фіксації мікрофонів 3 (рис. 5). Також до складу пристрою введено плату ARDUINO UNO WIFI REV2 9 (рис. 7) з інтег- рованим в неї Wі-Fі модулем 4.
Антенну решітку 2 закріплено на верхній частині стійки 1. На антенній решітці 2 в свою чергу розташовані основні елементи приймального модуля.
For reading
only
Для встановлення відповідного, заздалегідь розробленого авторами [3, 5], про- грамного забезпечення цей модуль за необхідністю приєднується до комп'юте- ру 5. В робочому режимі здійснює обмін даними з мобільним пристроєм за до- помогою бездротової локальної мережі Wі-Fі (на фото не показано). На рис. 6, 7 зображено елементи, що закріплено на антенній решітці 2:
– модуль мікрофона (наприклад KY-037) з високою чутливістю, має циф- ровий 6 та аналоговий 7 виходи. Рівень його спрацьовування регулюється змін- ним резистором 8;
– плата ARDUINO UNO WIFI REV2 – 9 (рис. 7) з інтегрованим в неї Wі-Fі модулем;
– шина з'єднувач 10, розширює кількість точок підключення до шин
"плюс" та "земля";
– мережа з'єднувальних дротів 11;
– основа антенної решітки 12.
Рис. 4. Загальний вигляд приймального модулю
Кут нахилу Антенної решітки 2 змінюється з допомогою сферичного шарніру 13 із стопорним гвинтом 14, що закріплено на верхній частині штанги стійки 1.
Not
a reprint
Рис. 5. Антенна решітка мікрофонів
Рис. 6. Модуль мікрофона KY-037
Рис. 7. Плата ARDUINO UNO Wі-Fі REV2
For reading
only
Комплект програмного забезпечення приймального модулю, що встанов- лено на плату ARDUINO, складається з наступних програм:
– основна програма signal_locator3.ino виконує функції прийому, обробки, аналізу звукового сигналу і виокремлення інформації щодо часу входження звукової хвилі до кожного з мікрофонів 3. Вона також формує масив отриманих даних та передає останній до мобільного пристрою 5 засобами локальної Wі-Fі мережі;
– допоміжна програма analog_calibration.ino забезпечує налаштування мік- рофонів на прийом сигналу в аналоговому режимі. Саме вона дала можливість виявити особливості функціонування плати ARDUINO в режимі з працюючим та відключеним Wі-Fі модулем.
Під час калібрування мікрофонів інформація про запис ехограм надходить по кабелю на вхід комп’ютеру, а Wі-Fі модуль при цьому не задіяний. Відобра- ження запису ехограм здійснюється на моніторі комп’ютера. Під час тестуван- ня інформація передається через Wі-Fі модуль. Фрагмент запису ехограм для трьох окремих мікрофонів та їх сумарного сигналу представлено на (рис. 8).
Рис. 8. Зображення екрану ехограм під час калібрування мікрофонів: ● – mic_min0; ● – mic_max0; ● – mic_min1; ● – mic_max1; ● – mic_min2; ● –
mic_max2; ● – mic_target_min; ● – mic_target_max
Після порівняння результатів роботи в різних режимах виявилось, що в бездротовому режимі дані не співпадають с попередніми та спотворені. З'ясу- валось, що основною відмінністю цих двох режимів є те, що сама плата при увімкнутому Wі-Fі модулі просідає по живленню на 0,5–1 В. Це в свою чергу деформує результати попереднього калібрування. Так як відмовитись від кана- лу передачі даних через Wі-Fі модуль на період, коли система працює в режимі спостереження, немає можливості, було проведено повторне калібрування мік-
