Capteur de bruit luftdaten

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Le capteur de bruit Luftdaten a été inventé par le FABLAB de Stuttgart, dans la suite des capteurs Luftdaten mesurant la pollution de l'air. Mais sur la mesure du niveau sonore, avec un dispositif appelé DNMS. Si ce projet vous intéresse, n'hésitez pas à prendre contact avec les représentants du collectif Capteurs citoyens et environnement.

Le DNMS (Digital Noise Measurement Sensor) est un module de capteur pour la mesure du niveau sonore avec une pondération de fréquence A. Il s’ajoute à la valeur LAeq sur un intervalle de temps et au min. et max. La valeur LAeq enregistrée dans cet intervalle de temps. L'élément central du DNMS est un microphone numérique MEMS (InvenSense ICS-43434). Une carte à microcontrôleur (Teensy 3.6) accepte les données numériques du microphone via l’interface I²S et effectue la formation de A-rating et de Leq. Les valeurs sont ensuite transmises via une interface I²C à un microcontrôleur à interrogation pour traitement ultérieur.

Les différents composants du capteur

Ces éléments sont contenus dans un boîtier de protection :

Il est indispensable de couler une colle dans le tube Evergreeen afin d'atténuer les résonances. Voici la référence donnée les concepteurs : https://www.buerklin.com/de/Produkte/Werkzeuge-und-Hilfsmittel/Chemisch-Technische-Produkte/Dichtmassen-und-Vergussmassen/Polyurethan-Gie%C3%9Fharz-Copaltec-PURe-Isolation-ST-33-schwarz/p/12L5900?gclid=EAIaIQobChMIhbWFrISr5QIVhuN3Ch26xgHrEAQYASABEgK1s_D_BwE Autre référence possible : https://www.jonction-et-derivation-electriques.fr/Resine-isolante-a-couler

Structure du système

Aperçu

Le microphone numérique ICS-43434 contient toutes les fonctions nécessaires pour générer un signal numérique à partir du son entrant et le transmettre via une interface I²S. La figure suivante présente les blocs de fonction de l'ICS-43434. L'ICS-43434 fonctionne comme un esclave I²S, le microcontrôleur connecté Teensy 3.6 fonctionne comme un maître I²S. Pour plus d’informations sur InvenSense ICS-43434, consultez la page Web InvenSense à l’adresse: https://www.invensense.com/products/ics-43434/ Des informations sur la carte de microcontrôleur Teensy 3.6 sont disponibles à l’adresse https://www.pjrc.com/store/teensy36.html

Principe de fonctionnement

Le système DNMS lit les données audio du microphone de l’ICS-43434 via l’interface I²S sous forme de valeurs PCM 16 bits à 44,1 kHz. Ces données audio sont évaluées via un filtre A numérique, puis la valeur RMS est déterminée et à partir de laquelle le niveau de pression acoustique est calculé en fonction de la sensibilité du microphone. Les valeurs individuelles du niveau de pression acoustique sont recalculées à une valeur LAeq continue. Un microcontrôleur d'interrogation détermine l'intervalle de l'interrogation pour la valeur LAeq et le min. et max. LAeq valeur de cet intervalle. L'intervalle peut aller d'une seconde à 3600 secondes. Dans le calcul ultérieur avec les valeurs LAeq, il convient bien sûr de noter que des intervalles de temps équidistants sont nécessaires pour former une valeur LAeq totale jour et nuit.

Connexion d’InvenSense ICS-43434 et de Teensy 3.6

La connexion des deux composants est illustrée dans l’illustration et le tableau suivant.

Connexion I²C au microcontrôleur d’acquisition de données

La connexion à un microcontrôleur d’acquisition de valeurs mesurées s'effectue via une interface I²C, le DNMS fonctionnant en tant qu’esclave et le microcontrôleur d’acquisition des valeurs mesurées en tant que maître. Le tableau suivant montre la connexion en utilisant l'exemple d'un NodeMCU ESP8266 en tant que microcontrôleur d'acquisition de valeurs mesurées. L'adresse I²C pour le DNMS est 0x55H. Si nécessaire, connectez les câbles SCL et SDA à 3,3 V avec une résistance de 4,7KOhm. La longueur de ligne habituelle des connexions I²C ne doit pas dépasser 250 mm. Si une connexion plus longue entre DNMS et le microcontrôleur de journalisation est nécessaire pour positionner correctement le microphone, une extension de bus I²C peut être utilisée.

Extension de bus I²C

L'extension de bus I²C peut être réalisée avec les blocs standard P82B715. L'extrait suivant de la fiche technique du P82B715 montre le principe de l'extension du bus.

Alimentation ICS-43434 et Teensy 3.6

L’ICS-43434 est alimenté par la carte Teensy 3.6 à 3,3 V, comme indiqué sur le schéma. La carte Teensy 3.6 est normalement alimentée via l’interface USB. Pour changer cela, déconnectez VIN en VUSB conformément à l'image ci-dessous. L'alimentation peut alors être effectuée avec 5V à VIN à partir du microcontrôleur à lecture de lecture. Si vous voulez pouvoir utiliser la carte Teensy même sans être alimenté par le microcontrôleur d’acquisition de données, connectez VIN et VUSB à un cavalier via deux connexions courtes, puis via le cavalier, la connexion pour alimenter la carte Teensy 3.6 via USB. pour flasher le tableau.

Fonction audio USB

La bibliothèque audio Teensy permet à la carte Teensy d’agir en tant que périphérique audio USB. Il transmettra ensuite le signal filtré A du microphone via l’interface USB. Ce signal peut alors être par exemple être enregistré via un PC connecté pour une évaluation ultérieure. Un signal PCM avec 16 bits et 44,1 kHz est émis. Dans ce cas, il est bien entendu nécessaire, comme décrit au point 1.5, que la connexion VIN-VUSB soit déconnectée lorsque l'alimentation est effectuée par le microcontrôleur d'acquisition de valeurs mesurées.

Construction du prototype

InvenSense ICS43434 La configuration du prototype est basée sur une carte opto-isolée avec ICS-43434 de Pesky Products et est disponible à l’adresse https://www.tindie.com/products/onehorse/ics43434-i2s-digital-microphone/

Boîtier pour l’InvenSense ICS43434 Le boîtier de l’InvenSense ICS-43434 est un tube en plastique d’un diamètre extérieur de ½ pouce. Cela permet de connecter un calibrateur standard au microphone. Les coins de la carte Pesky Breakout doivent être légèrement limés pour permettre à la carte de s'insérer dans le tube en plastique. La carte peut ensuite être collée dans le tuyau en plastique. Lors du collage, l'entrée acoustique du microphone doit être recouverte pour empêcher la poussière et la colle de pénétrer à l'intérieur du microphone. Des tubes en plastique d'un diamètre extérieur de ½ pouce (12,7 mm) sont disponibles dans les modèles ou les modèles architecturaux, par ex. Evergreen No. 236 tube rond ½ pouce. Un morceau de tube de 110 mm de long est suffisant pour l'installation du microphone. Le résultat de l'installation est présenté dans l'image suivante.

Nouvelle construction de boîtiers Pour le prototype, les autres parties du boîtier sont choisies parmi un matériel d’installation électrique peu coûteux. Un tuyau d'installation électrique de 25 mm et d'une longueur d'environ 110 mm constitue la base. Il existe également deux prises enfichables de 25 mm et un presse-étoupe M25 IP68 pour connecter le tube en microfonch à l'autre boîtier. Les images suivantes montrent les différentes pièces puis le boîtier collé. La carte Teensy avec extension de bus I²C et le microphone sont insérés dans le tube du boîtier. Le tube du microphone est maintenu au moyen du cône de serrage du presse-étoupe M25. Les images suivantes montrent cela. À la sortie du boîtier, il faut encore fournir une décharge de traction pour le câble, au moyen d'attaches de câble.

Résistance aux intempéries du boîtier et du microphone Le boîtier prototype décrit peut être construit résistant aux intempéries. La sortie de câble à l'extrémité du boîtier peut par ex. être scellé par du silicone. De même, le cône de serrage du presse-étoupe M25 peut encore être scellé avec du silicone. Le problème principal en termes de résistance aux intempéries est le microphone avec son ouverture. IvenSense a une note d'application AN-1124 - Recommandations pour le scellement des microphones MEMS Bottom-Port InvenSense contre la pénétration de liquide et de poussière. Téléchargez la note d'application à l'adresse: https://www.invensense.com/download-pdf/an-1124-recommendations-for-sealing-invensense-bottom-port-mems-microphones-de-dust-and-liquid-ingress/ Un test des lames éligibles avec l’enquête sur les changements de réponse en fréquence est toujours en attente - à déterminer.

Logiciel

Le logiciel DNMS sur la carte de microcontrôleur Teensy 3.6 est développé sous l'IDE Arduino. Pour la carte Teensy 3.6, il existe une extension pour l'IDE Arduino. Vous trouverez des informations détaillées sur le téléchargement, l'installation et les fonctionnalités à l'adresse https://www.pjrc.com/teensy/teensyduino.html

Teensy Audio Library

La bibliothèque audio Teensy fournit des fonctions pour la connexion I²S du microphone InvenSense ICS-43434. De plus, des fonctions sont utilisées pour le calcul de la valeur effective et la réalisation du filtre A à partir de la bibliothèque. Vous trouverez des informations sur la bibliothèque audio Teensy à l'adresse https://www.pjrc.com/teensy/td_libs_Audio.html

Communication I²C

• adresse I2C: 0x55 • Vitesse maximale: mode standard, 100 kbps Étirement de l'horloge: pas utilisé Library Wire est utilisé comme bibliothèque I²C dans la version pour les tableaux Teensy. avertissement: Étant donné que plus de 32 octets sont transmis lors de la transmission I²C, la valeur de la longueur de la mémoire tampon dans Wire.h doit être définie sur 64:

  1. define BUFFER_LENGTH 64

En raison des optimisations spéciales pour le processeur de la carte Teensy 3.6, le fichier WireKInetis.h est utilisé pour la communication I²C. Ici, la valeur de la longueur de la mémoire tampon est également fixée à 64:

  1. define BUFFER_LENGTH 64

Si le logiciel du microcontrôleur d’acquisition de données d’acquisition est également développé sous l’IDE Arduino, la valeur de la longueur de la mémoire tampon doit également être définie sur 64 dans le fichier Wire.h. À partir du microcontrôleur d'acquisition de valeur mesurée (maître I²C), les commandes à 2 octets décrites ci-dessous peuvent être envoyées au système DNMS (esclave I²C). La transmission des données du DNMS au microcontrôleur de journalisation est sécurisée par une somme de contrôle CRC. Tous les 2 octets, un octet CRC est inséré et transmis. La séquence de programme C suivante montre la génération de CRC:

Commandes I²C Les commandes suivantes sont actuellement disponibles. Le codage des commandes n'est pas encore définitif! Les extensions prévues sont le transfert des tiers individuels vers FFT - à déterminer.

Réinitialiser (0x0001) La réinitialisation Kommado réinitialise le DNMS sous le contrôle du microcontrôleur d’acquisition, i. les données audio précédemment enregistrées et les valeurs LAeq générées sont supprimées.

Version de lecture (0x0002) La commande Lire la version transfère une chaîne de 18 octets avec la spécification de version DNMS: Version DNMS x.x.x

Calculer LEQ (0x0003) Le calcul Calculate LEQ déclenche le calcul de la valeur LAeq totale de l'intervalle. La valeur est stockée en interne ainsi que le min. et max. Valeurs. Les valeurs sont fournies pour la transmission.

Lecture des données prêtes (0x0004) La commande Read Data Ready peut être utilisée pour demander si la valeur totale LAeq et le min. et max. Les valeurs sont prêtes à être transmises sur I²C.

Lecture de LEQ (0x0005) La commande Read LEQ transfère les données disponibles via I²C au microcontrôleur d’acquisition des valeurs mesurées. Les données sont transmises sous forme de valeurs flottantes.


Connexion au réseau luftdaten.info

Dans le réseau luftdaten.info, un microcontrôleur NodeMCU basé sur la CPU esp8266 est utilisé comme microcontrôleur d’acquisition des valeurs mesurées. Comme décrit en 1.4, la connexion est établie via I²C. Le logiciel du site NodeMCU est disponible. Comme d'autres capteurs, le système DNMS peut être intégré via le menu de configuration, comme illustré ci-dessous.

Un transfert direct des données vers un InfluxDB est bien sûr également configurable.