一种基于麦克风阵列的课堂点名系统的制作方法

本发明属于教学设备
技术领域：
，特别涉及一种基于麦克风阵列的课堂点名系统。
背景技术：
：目前，各大院校都要求上课点名以确定学生的出勤率，并以此为依据帮助教师进行对学生平时成绩分数的判定，以及有效的督促学生去课堂上课。目前的点名方式主要有按名单逐一点名或签到以及基于图像识别技术点名。按名单逐一点名的方式主要为，老师根据名单逐一点名，有人应答则视为出勤。按名单逐一签到主要为，依据预先打印的名单，由学生在自己名字对应栏目下签名以此来表示出勤。基于图像识别技术的电子点名册，其特点是让选修某课程的学生坐在既定座位上，并拍摄成反映位置关系的初始化数码照片，经过简单的图像分割，为每个座位生成对应的编码序列，然后在相应座位上填上表示座位上是否由学生坐着的数字符号1与0。在接下来的学期里，每次上课只需拍摄一张数码照片，经相同方法处理后在计算机上与初始化的照片进行比对，通过观察对应位置上的数字符号是否匹配来确定学生的出勤状况，来统计旷课次数。按名单逐一点名或签到的点名方式从实际效果上来看并不是最优的，因为这种方式一方面占用了大量的宝贵课堂时间，另一方面更重要的是这种按名单逐一点名或者签到都存在代替点名的情况，特别在学期的刚开始时，老师还不能认识所有的学生自然也就不可避免的存在代替点名的情况。基于图像识别技术的电子点名册，需要通过后期图像处理，并与预先制定的座位所对应的学生进行比对才能判断相应学生的出勤情况，无法在点名同时进行直观判断；且拍照设备比较昂贵，不利于该设备的普及。技术实现要素：本发明拟在现有技术的基础上进行一种新型点名定位装置，涉及电子
技术领域：
，设计一种适用于课堂的准确点名，它可以有效的防止学生替别人应答的点名定位装置。本发明的技术方案是，一种基于麦克风阵列的课堂点名系统，在课堂上设置麦克风阵列，系统自动报出学生名字，麦克风阵列连接拾音放大模块后由微控制器计算定位学生应到声源位置，系统与原始记录中该学生的座位位置进行比对，如果位置相同，则判断该学生的应到真实，麦克风阵列包括至少3个麦克风用于拾取声音，麦克风间距离均为1米，声源s到各传感器距离分别为r1,r2，r3，s的坐标为(x,y)，则微控制器对于应到声源位置的计算有，(x+1)2+y2=r12x2+y2=r22(x-1)2+y2=r32---(1)]]>设空气介质均匀，声波波速恒定v，设震源产生的震动到达各传感器的时间分别为t1，t2和t3，存在下面关系：r1-r2=(t1-t2)v=τ12vr1-r3=(t1-t3)v=τ13v---(2)]]>τ12,τ13,τ23表示到达各个麦克风的时间差，即相对时延，设麦克风H1、H2接收到的信号分别是x1(t)和x2(t)，s(t)为目标声源信号，D为时间延迟，n1(t)和n2(t)为加性噪声，因为n1(t)、n2(t)、s(t)三者是互不相关的，那么传感器所接收信号的模型为：x1(t)=α1s(t-Δt1)+n1(t)x2(t)=α2s(t-Δt2)+n2(t)---(3)]]>式中，Δt1,Δt2分别是麦克风1和2接收到的声源信号的延迟时间，α1,α2分别为麦克风H1、H2接收到的声源信号的幅度衰减因子，有R12(τ)=E[x1(t)x2(t-τ)]=α1α2RSS[τ-(Δt1-Δt2)]+α2Rsn1(τ+Δt2)+α1Rsn2(τ-Δt1)+Rn1n2(τ)---(4)]]>令Δt1-Δt2＝τ12，即H1、H2接收信号的相对延时时间，故有：R12(τ)＝α1α2Rss(τ-τ12)式中,Rss(τ)表示为源信号s(t)的自相关函数，由自相关函数的性质可知，Rss(τ-D)≤Rss(0)，即当τ-τ12＝0时，两个接收信号的相关性最大，选择相关函数峰值点位置作为时延估计值，可得各麦克风之间的相对延迟时间τ12,τ13,τ23。本发明提出的基于麦克风阵列的时延估计方法，即互相关时延估计方法，结合平面三点被动定位法来进行声源定位，结构简单，通用性好，容易实现，定位精度较高。考虑采用该方法的装置是要应用在课堂计数点名中，实际中被点名的学生发出的声音有一定的高度，因此在这里如果采用一个二维坐标显示是不符合实际情况的，所以本发明选择了三维立体坐标显示。但是这个坐标维数的上升也在一定程度上给本装置的算法设计部分带来了很大是难度，并且对麦克风阵元的布局也造成了一定的成本提高，但是这对最后装置的定位效果和准确度而言都是有积极作用的。时延估计法(TDOA)具有缺点是：实施定位的准确程度直接影响声源定位的精准性；时延估计方法在单一声源定位系统中可以具有相对较好的精确度，但是在多个声源同时存在的系统中，此法的精确度和定位效果就会有所降低；在吵闹的环境下，即在信噪比较低的环境下，到达时间差的估计会较大，因此会降低系统的定位准确度。时延估计法存在不足，但是它具有相对较低的运算量便于通过硬件系统设计来实现，因此在实时定位系统的应用中，与其他定位方法相比具有明显的优势，可以通过一定的补偿算法对其进行补偿优化后得到一个相对好的精确度，从而到达实际应用的效果。针对当下各大高校的实际教学需要，老师在上课的过程中都要对学生的出勤率进行记录，作为学生的平时成绩打分的一个重要标准，而完全依靠老师进行点名将会给课堂教学带来诸多不便，为了更好的服务于课堂教学的需要本发明提出了基于声源定位的课堂点名计数装置，该装置在设计上具有易编程实现、较准确快速给出声源的位置坐标信息、可靠性高、能稳定运行等优点，从而大大增加了学生出勤率的准确性，可以有效的防止学生替别人应答。附图说明图1本发明系统结构示意框图。图2本发明实施例涉及的自适应滤波法原理图图3本发明实施例中的三点式被动定位模型。具体实施方式课堂点名声源定位系统的总体框图如图1所示。算法分析主要包括时延估计和声源定位。1)时延估计麦克风接收到的信号为:xi(t)＝αis(t-τi)+nil(t)上式中s(t)为声源信号；τi,αi,nil(t)分别表示声源到达第i个麦克风的时间延迟、幅度衰减以及环境噪声。广义互相关函数法是在对接收到的信号估算相关函数之前，先对接收到的信号进行预滤波处理，从而到达抑制噪声功率的目的，使得相关函数取得尖锐的峰值，提高时延估计的精度。R12(τ)=∫0πψ12(ω)X1(ω)X2*(ω)e-jωτdω]]>其中X1(ω)、X2(ω)分别是x1(t)、x2(t)的傅里叶变换，是互功率谱。得到的迟延估计τ12＝argmax(R12(τ))得到的迟延估计：τ12＝argmax(R12(τ))广义互相关法对预滤波的设计要求获取信号和噪声谱的先验知识，以获得所希望的效果。然而在实际环境中，比较困难做出谱估计来逼近预选的滤波器。为此有了自适应滤波法时延估计的方法，它采用LMS噪声抵消自适应滤波器，当对宽带信号进行处理时，经自适应调整的横向滤波器权系数的最大值则对应时延。自适应滤波法时延估是利用两路麦克风信号中的一路信号经过滤波器后，去逼近另一路信号。如图2所示，通过调整滤波器的系数，使得e(n)信号接近于0，就可得到两信号的延时。2)声源定位，如图3所示，根据声音到达不同位置传声器的相位可以得到声源位置，它的位置是在以这对传声器的位置为焦点，到达时间差所对应的声音传输距离为参数的双曲面上。如果使用多对的传声器，得到多个时间差，便得到了多个双曲面，而声源的位置就是在这些双曲面的相交点。在被动声源定位中，通常只要采用三个或者三个以上的传感器阵列来接受目标发出的声音，经过一定的信号处理来实现。阵列的形式均匀直线阵、平面阵等多种形式，从理论上来说，二维空间目标只需要三个传感器阵列即可定位，其中又以均匀直线阵为最基本的阵列形式。图3给出了均匀直线阵的结构图，其中s为声源,H1,H2,H3为三个麦克风。假设H2为坐标原点(0,0),H1,H2,H3之间的距离为d＝1m，假设声源是s的坐标为(x,y),则H1的坐标为(-1,0),H3的坐标为(1,0),关键在于求声源到H1,H2的时延，H1，H3的时延，要想得到足够好的测距精度，必须对时延估计极其精确，因此我们采用互相关时延估计方法来提高时延估计精度。麦克风间距离均为1m，s为点声源，图中各点的坐标为S(x,y)，H1(-1,0)，H2(0,0)，H3(1,0)。声源s到各传感器距离分别为r1,r2，r3。根据图示由如下关系成立：(x+1)2+y2=r12x2+y2=r22(x-1)2+y2=r32]]>空气介质均匀，声波波速恒定v，设震源产生的震动到达各传感器的时间分别为t1，t2和t3，存在下面关系：r1-r2=(t1-t2)v=τ12vr1-r3=(t1-t3)v=τ13v]]>式中τ12等表示到达麦克风1,2的时间差即相对时延，依次类推。传感器H1、H2接收到的信号分别是x1(t)和x2(t)，s(t)为目标声源信号，D为时间延迟，n1(t)和n2(t)为加性噪声。假定n1(t)、n2(t)、s(t)三者是互不相关的，那么传感器所接收信号的模型为：x1(t)=α1s(t-Δt1)+n1(t)x2(t)=α2s(t-Δt2)+n2(t)]]>式中，Δt1,Δt2分别是麦克风1和2接收到的声源信号的延迟时间，α1,α2分别为麦克风1和2接收到的声源信号的幅度衰减因子。互相关函数可以说是确定两个相关信号之间时延最直接的方法：R12(τ)=E[x1(t)x2(t-τ)]=α1α2RSS[τ-(Δt1-Δt2)]+α2Rsn1(τ+Δt2)+α1Rsn2(τ-Δt1)+Rn1n2(τ)]]>因为n1(t)、n2(t)、s(t)是互不相关的，令Δt1-Δt2＝τ12，即麦克风1和2接收信号的相对延时时间，故有：R12(τ)＝α1α2Rss(τ-τ12)式中,Rss(τ)表示为源信号s(t)的自相关函数。由自相关函数的性质可知，Rss(τ-D)≤Rss(0)，即当τ-τ12＝0时，两个接收信号的相关性最大，选择相关函数峰值点位置作为时延估计值，可得各传感器之间的相对延迟时间τ12,τ13,τ23。本发明涉及的系统中，通过声音传感器布局，经过定位算法处理得到关于声源的空间位置坐标信息，声音产生100-10KHz的声波传输到拾音器模块经放大和比较器处理后输出数字信号，通过电路连接将数字信号输送STC89C52单片机处理，再通过内部程序算法处理，最后控制LCD1062液晶显示器进行坐标显示，最终完成整个装置的定位功能。系统硬件主要是包括拾音放大模块、单片机处理模块和液晶显示模块组成。1)单片机处理模块以STC89C52单片机为整个系统的控制系统模块的芯片，采用的振荡频率为11.0592MHz的石英晶体，5V电压。2)液晶显示模块LCD1602液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。本发明中使用LCD1062显示出声源的位置坐标。3)拾音放大模块声音通过麦克风咪头进行采集，常用的咪头有电容式、驻极体电容式、压电晶体式、压电陶瓷式等，本发明采用驻极体电容式，其部由振膜，垫片和极板组成，即为一个平行板电容。由于麦克风咪头的信号十分微弱，其内阻十分大，所以其信号不足以被单片机识别，所以需要对信号进行阻抗匹配和放大。LM386拾音电路作为一个声音传感器，用于判断环境中声音的有无并判断声音强度的大小。在电路板上当麦克风咪头检测到有声音时上面的指示灯会闪烁，表示有声音信号。电压比较器电路中，信号经过音频放大后输出单片机可以识别的电平范围，但声音为模拟信号，除单片机的AD管脚外，其普通IO口无法识别，所以需要电压比较器对该模拟信号进行比较，最终输出数字信号。当前第1页1 2 3