可穿戴式个体噪声暴露评估预警系统

摘要

本发明涉及一种可穿戴式个体噪声暴露评估预警系统，该系统包括：噪声数据采集预警前端模块和作业环境噪声特征分析评估模块两个部分；噪声数据采集预警前端模块可以设置为肩章式佩戴于作业人员；作业环境噪声特征分析评估模块集成于平板计算机，与噪声数据采集预警前端模块通过蓝牙进行数据连接。实现了方便佩戴，隐蔽性高，环境适应性强，操作独立，可靠耐用的技术效果。

说明书

技术领域

本发明涉及噪声评估领域，特别涉及一种可穿戴式个体噪声暴露评估预警系统。

背景技术

噪声是一种人们所不希望要的声音。它经常影响着人们的情绪和健康，干扰人们的工作、学习和正常生活。长期工作在高噪声环境下而又没有采取任何有效的防护措施，必将导致永久性的无可挽回的听力损失，甚至导致严重的职业性耳聋。国内外现都已把职业性耳聋列为重要的职业病之一。强噪声除了可导致耳聋外，还可对人体的神经系统、心血管系统、消化系统，以及生殖机能等，产生不良的影响。

一般来说，采用工程控制措施或个人防护措施，将人们实际接受的噪声控制在85dB(A)以下(按接噪时间每工作日8小时计)，噪声对听力所产生的影响就很小了。与此同时，噪声对健康的其他方面的影响也将大大减弱。因此，职业噪声危害的控制往往总是与听力保护工作紧密联系在一起。有关噪声标准法规，自20世纪70年代以来，工业比较发达的国家，已趋于完善并得到严格执行。

在实际工作中在采取工程控制措施或个人防护措施之前，对于人员进行个体噪声暴露评估是判断是否需要对工作人员进行噪声防护的一个重要的过程。噪声测量与评价是工业噪声防治工作的基础，也是工作的难点。传统的工业噪声测量多采用针对生产环境和噪声源的定点定时噪声测量方法，在测量评价复杂环境对于工作人员健康影响时存在许多人体。近年来，使用个体噪声暴露评估预警设备针对工作人员的个体噪声测量与评价成为一种新的趋势，其逐渐受到各方的关注。

但是，目前采用个体噪声暴露评估预警设备存在以下的技术问题：在首先，在硬件上存在以下问题：1)个体噪声暴露测量装置一般需要将话筒固定到工作人员耳朵附近进行采集噪音，噪音处理和数据存储系统等仪器设备通过有线的连接方式与噪音采集装置连接，整个系统不能够实现随时的移动，造成使用不方便；2)设备上按键繁琐，容易误操作；3)两体设计或者声学部件裸露外边，易损坏；第二，在软件上方面，在生产环境中噪声多数为非稳态噪声，噪声源以及现场的情况比较复杂，对于复杂噪音源，目前的个体噪声暴露测量装置还存在一定的测量准确性问题；2)现有的设备在软件上不支持蓝牙实时通讯，无法远程操作设备。

因此，需要提供一种方便佩戴，隐蔽性高，环境适应性强，操作独立，可靠耐用，对于各类噪音情况均具有测量准确性的个体噪声暴露评估预警设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：1)整个系统不能够实现随时的移动，造成使用不方便；2)设备上按键繁琐，容易误操作；3)两体设计或者声学部件裸露外边，易损坏；4)对于复杂噪音源的测量准确性问题；5)不支持蓝牙实时通讯，无法远程操作设备。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种可穿戴式个体噪声暴露评估预警系统，该系统包括：噪声数据采集预警前端模块和作业环境噪声特征分析评估模块两个部分；噪声数据采集预警前端模块可以设置为肩章式佩戴于作业人员；作业环境噪声特征分析评估模块集成于平板计算机，与噪声数据采集预警前端模块通过蓝牙进行数据连接。

进一步地，噪声数据采集预警前端模块包括：传声器、ADC采集模块、主控芯片、SD存储卡、蓝牙通讯模块、报警装置、电池。

进一步地，传声器采用自由场测量传声器。

进一步地，ADC采集组件采集传声器电压信号模拟量并转换成数字信号，并将上述数字信号进行滤波。

进一步地，作业环境噪声特征分析评估模块包括：蓝牙通讯组件、数据存储器、数据处理组件、标准数据库、比较判断组件。

进一步地，蓝牙通讯组件通过蓝牙通信实现与噪声数据采集预警前端模块的连接，通过将同步保存在SD存储器上的数据传送到数据存储器中以及将比较判断组件判断个体噪声暴露情况超过标准数据库中相应的标准时，传输信号到噪声数据采集预警前端模块的报警装置上，从而启动报警装置进行报警。

进一步地，数据存储器用于存储或者缓存从噪声数据采集预警前端模块发送的测量数据。

进一步地，标准数据库用于存储多种卫生标准，从而能够用于与测量数据相比较，判断是否超出噪音累计阈值。

基于所述的可穿戴式个体噪声暴露评估预警系统采用的个体噪声暴露评估方法，其特征在于：该方法包括：

第一步、通过传声器检测工作人员耳部附近的噪声振动对应的电压值；

第二步、通过ADC采集模块，将该电压值转化为数字信号，并进行滤波处理；

第三步、将该滤波处理后的数字信号，存入SD存储器，并且通过蓝牙通信组件和，将该数字信号发送到数据存储组件；

第四步、通过数据处理组件对该数据进行处理；

第五步、通过比较判断组件，用于将第四步中得到的针对稳态噪音分量、非稳态噪音分量和脉冲噪音分量分别进行声压级、响度和频率与标准数据库中存储的各种分量的卫生标准，进行比较，当单个分量的噪音累计情况或者分量复合的噪音累计超过卫生标准时，比较判断组件通过蓝牙通讯组件向噪声数据采集预警前端模块的报警装置发送启动信号，启动报警装置进行报警。

第四步进一步包括：

S1.将白噪音部分从该噪音数据中去除；

S2.将去除白噪音后的噪音数据进行开始点和结束点判断，并根据上述开始电和结束点将去除白噪音后的噪音数据划分为多段；

S3.分离各段噪音中的稳态噪音分量、非稳态噪音分量和脉冲噪音分量；

S4.针对稳态噪音分量、非稳态噪音分量和脉冲噪音分量分别进行声压级、响度和频率的评估和分析。

本发明提供的可穿戴式个体噪声暴露评估预警系统，具有以下有益效果：

1)能够快速、实时、精确的进行噪声分析，有效评估作业人员的噪声暴露等级，提供符合多国标准的听力保护指导。

2)本设备能够在第一时间评估相关人员的噪声暴露和听力损伤预测，通过建立各种作业环境下的噪声暴露数据库，有效指导听力保护行为，综合改善作业环境，进而提高和改善人员听力保护状态。

3)通过蓝牙控制设备的工作状态，省去复杂的按钮和外置传声器控制，减少了误操作、外部干扰和外力损伤等风险。设备采用电池供电，无需外置电源，整体低功耗设计有效延长续航时间。

4)设备体积小巧，佩戴方便，隐蔽性高，不干扰人员作业，极大地提升了设备的便携性。

5)便携性高、环境适应性强确保了设备使用的多样性，可以涵盖普通实验室、外部实验场、设备维护空间和实时现场等多种应用场景。

6)核心部件采用防潮设计和防电磁干扰设计，从而确保设备环境适应性强。

附图说明

图1为本发明提供的可穿戴式个体噪声暴露评估预警系统的结构示意图。

图2为本发明提供的可穿戴式个体噪声暴露评估预警系统的硬件系统结构图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有益效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须作出大量实施细节以实现开发者的特定目标。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用一方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供的可穿戴式个体噪声暴露评估预警系统，包括：

噪声数据采集预警前端模块和作业环境噪声特征分析评估模块两个部分。

其中，噪声数据采集预警前端模块可以设置为肩章式佩戴于作业人员，内置充电电池，电池的寿命和内存容量充足，可以执行各种连续位移噪声测量，通过比较各种卫生标准，对个体噪声暴露剂量进行预警。

作业环境噪声特征分析评估模块集成于平板计算机，与噪声数据采集预警前端模块通过蓝牙进行数据连接。主要功能为对噪声数据采集预警前端模块的数据控制、数据收集以及进一步的作业环境噪声特征分析评估。

下面对噪声数据采集预警前端模块和作业环境噪声特征分析评估模块两个部分的具体组成和功能进行详细的介绍。

噪声数据采集预警前端模块

如图1所示，噪声数据采集预警前端模块包括：传声器单元、ADC采集模块、主控芯片、SD卡存储、蓝牙通讯模块、报警模块、电池模块。

传声器单元通过ADC采集模块连接于主控芯片，用于主控芯片接受噪音相关信号。主控芯片还双向连接于蓝牙通讯模块以及SD卡存储，用于主控芯片发送和接受蓝牙通讯模块或者存储或者读取SD卡存储中的数据。此外，主控芯片还与报警模块连接，用于在一定的条件下触发报警模块进行报警；主控芯片还与电池模块进行连接，用于向主控芯片提供必要的电能。

其中，传声器单元采用自由场测量传声器，该传声器通过感应声波震动，并将该震动转化为电压信号。该传声器无需极化电压，并符合IEC61072标准。优选地，该传声器的频率范围是20HZ-20KHZ，典型灵敏度：10mv/pa，采用上述传声器提高了设备的感应的灵敏度。

ADC采集模块主要功能是采集传声器电压信号模拟量并转换成数字信号。程序设计采用了抗混叠滤波方式，并采用24位Δ-Σ方式ADC，固定64倍过采样，51.1KhZ采样率，分析带宽20kHZ；减陡度超过-300dB/oct，并具有小于0.08mVrms@±10V量程的本底噪声。采用上述ADC采集组件可以在测量端进行滤波处理，减少了无线蓝牙传输的数据量，从而提高的设备整体的工作效率。

主控芯片优选采用STM32芯片，该芯片属于32位ARM微控制器，其内核是Cortex-M3，主频为72M。主要作用是：1)用来读取ADC采集模块的数据，并实时计算及保存至SD存储卡；2)驱动蓝牙通讯模块发送数据。

SD卡存储用于保存原始时间和幅值数据，便于后续计算和评估。优选地，其存储容量可选择16G或32G。

蓝牙通讯组件通过蓝牙通信实现设备和平板电脑的连接，数据同步保存在SD卡上，同时可以进行实时传输，从而实现数据实时观测的功能。

报警模块优选为LED指示灯，其根据不同工作模式和测试数值进行不同颜色及闪烁报警，从而实现分级报警功能。正常采集的工作模式下，LED显示间歇闪烁的绿色，超过设定限值时，显示为红色。

电池模块可以为镍氢电池或其他小型电池，整套系统的设计续航时间是小时。

作业环境噪声特征分析评估模块

该作业环境噪声特征分析评估模块包括：蓝牙通讯组件、数据存储器、数据处理组件、标准数据库、比较判断组件和用户界面。

其中，蓝牙通讯组件通过蓝牙通信实现与噪声数据采集预警前端模块的连接，通过将同步保存在SD存储器上的数据传送到数据存储器中以及将比较判断组件判断个体噪声暴露情况超过标准数据库中相应的标准时，传输信号到噪声数据采集预警前端模块的报警装置上，从而启动报警装置进行报警。

数据存储器用于存储或者缓存从噪声数据采集预警前端模块发送的测量数据。

数据处理组件用于将数据存储器中存储或者缓存的噪音数据进行处理，该处理包括：

S1.将白噪音部分从该噪音数据中去除；

S2.将去除白噪音后的噪音数据进行开始点和结束点判断，并根据上述开始电和结束点将去除白噪音后的噪音数据划分为多段；

S3.分离各段噪音中的稳态噪音分量、非稳态噪音分量和脉冲噪音分量；

S4.针对稳态噪音分量、非稳态噪音分量和脉冲噪音分量分别进行声压级、响度和频率的评估和分析。

标准数据库用于存储多种卫生标准，从而能够用于与测量数据相比较，判断是否超出噪音累计阈值。

比较判断组件，用于将S4步骤中得到的针对稳态噪音分量、非稳态噪音分量和脉冲噪音分量分别进行声压级、响度和频率与标准数据库中存储的各种分量的卫生标准，进行比较，当单个分量的噪音累计情况或者分量复合的噪音累计超过卫生标准时，比较判断组件通过蓝牙通讯组件向噪声数据采集预警前端模块的报警装置发送启动信号，启动报警装置进行报警。

如图2所示为上述可穿戴式个体噪声暴露评估预警系统的硬件系统结构示意图。其中，作业环境噪声特征分析评估模块及其构成组件安装于操作终端上，该操作终端可以是PC机，智能便携设备或者其他现有的可执行的计算机设备。作业环境噪声特征分析评估模块及其各模块在操作终端上的安装和设置方式为本领域中公知的计算机模块的安装和设置方法此处不再赘述。通过作业环境噪声特征分析评估模块中的用户界面来对可穿戴式个体噪声暴露评估预警系统进行操作。

在操作终端的蓝牙通讯组件可以远程控制设备的开始、停止的工作状态，相比于现有的可穿戴式个体噪声暴露评估预警系统比较复杂的按钮设计，本发明中提供的可穿戴式个体噪声暴露评估预警系统省去了复杂的按钮和外置传声器控制，减少了误操作。噪声数据采集预警前端模块制作为独立的可穿戴的装置，该可穿戴装置具有壳体，用于保护噪声数据采集预警前端模块的内部组件。该壳体可以为塑料、树脂、硬质织物等具有一定保护性的材料。优选地，在该壳体外部还增加了多层三防漆防护。在传声器的壳体内部还增加设置了防止电磁干扰的屏蔽层，该屏蔽层可以为金属防护罩，用于防止外部的干扰以及外力的损伤。

传声器单元通过信号走连接到ADC采集模块和主控芯片，优选地该连接方式可以尽量使得传声器单元的晶振与主控芯片靠近，从而降低了走线延长增加的干扰风险。优选地，可以在传声器单元和ADC采集模块或者主控芯片之间设置高品质的电容滤波装置，从而进一步避免噪声信号的干扰。

优选地，噪声数据采集预警前端模块中的电路走线可以采用差分走线，蛇形走线等多种走线形式。多种形式的走线可以进一步增加模拟信号和数字信号之间的距离，降低串扰。

传声器单元的信号线中传送模拟信号，而ADC采集模块的信号线传输数字信号。由于模拟信号和高频的数字信号之间存在信号干扰，本发明通过将传送模拟信号的传声器单元的信号线和传输高频数字信号的ACD采集模块的信号线进行了地分离，从而加大高速信号与模拟信号的间距，降低了不同模块信号之间的串扰。而提供地分离的地平面，是通过在电路的空白区域中进行敷铜来形成了，进而提供更大面积的地平面，提高了电路连接的便利性以及信号屏蔽的效果。

基于可穿戴式个体噪声暴露评估预警系统的个体噪声暴露评估方法

基于本申请提供的可穿戴式个体噪声暴露评估预警系统，其执行了以下的个体噪声暴露评估方法，该方法包括以下步骤：

第一步、通过传声器检测工作人员耳部附近的噪声振动对应的电压值；

第二步、通过ADC采集模块，将该电压值转化为数字信号，并进行滤波处理；

第三步、将该滤波处理后的数字信号，存入SD存储器，并且通过蓝牙通信组件和，将该数字信号发送到数据存储组件；

第四步、通过数据处理组件对该数据进行处理，具体步骤包括：

S1.将白噪音部分从该噪音数据中去除；

S2.将去除白噪音后的噪音数据进行开始点和结束点判断，并根据上述开始电和结束点将去除白噪音后的噪音数据划分为多段；

S3.分离各段噪音中的稳态噪音分量、非稳态噪音分量和脉冲噪音分量；

具体地,分离各段中的噪音分量可以采用matlab图形数据拟合的方式，通过将每一段噪音信号转换为具有一定时间长度的波形信号，随后通过图形的波形因子、最大峰值、斜度参数进行数据的拟合以及稳态噪音分量、非稳态噪音分量和脉冲噪音分量的分离。通过上述方式，能够准确地分离噪音中的稳态噪音分量、非稳态噪音分量和脉冲噪音分量，提高了噪音评估的准确性。

S4.针对稳态噪音分量、非稳态噪音分量和脉冲噪音分量分别进行声压级、响度和频率的评估和分析；

第五步、通过比较判断组件，用于将第四步中得到的针对稳态噪音分量、非稳态噪音分量和脉冲噪音分量分别进行声压级、响度和频率与标准数据库中存储的各种分量的卫生标准，进行比较，当单个分量的噪音累计情况或者分量复合的噪音累计超过卫生标准时，比较判断组件通过蓝牙通讯组件向噪声数据采集预警前端模块的报警装置发送启动信号，启动报警装置进行报警。

通过上述的个体噪声暴露评估方法通过去除白噪音、噪音暴露分段更加准确地确定了噪音的暴露时间和强度的边界。此外，将噪音分为稳态噪音、非稳态噪音和脉冲噪音多个分量，由于不同类型的噪音对于工作人员造成的损伤不同，并且存在不同的承受能力范围，因此划分不同的分量使得噪音暴露评估更加准确客观。

本发明提供的可穿戴式个体噪声暴露评估预警系统，具有以下有益效果：1)能够快速、实时、精确的进行噪声分析，有效评估作业人员的噪声暴露等级，提供符合多国标准的听力保护指导；2)本设备能够在第一时间评估相关人员的噪声暴露和听力损伤预测，通过建立各种作业环境下的噪声暴露数据库，有效指导听力保护行为，综合改善作业环境，进而提高和改善人员听力保护状态；3)通过蓝牙控制设备的工作状态，省去复杂的按钮和外置传声器控制，减少了误操作、外部干扰和外力损伤等风险。设备采用电池供电，无需外置电源，整体低功耗设计有效延长续航时间；4)设备体积小巧，佩戴方便，隐蔽性高，不干扰人员作业，极大地提升了设备的便携性；5)便携性高、环境适应性强确保了设备使用的多样性，可以涵盖普通实验室、外部实验场、设备维护空间和实时现场等多种应用场景；6)核心部件采用防潮设计和防电磁干扰设计，从而确保设备环境适应性强。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“垂直”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。