​​研究筆記-台灣聲景監測計畫-長期錄音設備
​
​緣起
  • ​​聲景資料中包含了環境音(風、雨、植披狀況)、動物音(動物鳴唱)與人為噪音(車聲、工廠噪音)，因此理論上從長時間錄音可以深入探討錄音地點的長期環境與生態變化，以及人為開發對當地生態的潛在影響。過去，要執行長時間的野外錄音大多需要向國外進口昂貴的自動錄音機，其成本對於一般民眾來說較難以接受。如果能透過開源製作簡易的長期錄音設備，便能擴大聲景的監測網絡，並透過開放資料來讓更多人從聲景資訊中探討環境、生態的長期變動趨勢。
​​
​
​想做什麼
  • ​​協助 台灣聲景監測計畫 做出這個簡單的設備，讓相關的監測能夠更順利的進行
  • ​​後續可能延伸發展水裡錄音
  • ​​開源設計
  • ​​盡可能簡單土砲設計開始，讓製作過程公開，可以給其他夥伴自行製作
  • ​​後續可以上個零件包，好節省大家製作時間
​​
​
​推進 ToDo
  • ​​在 7688 錄環境音，給夥伴確認錄音規格與效果
  • ​​取得好一點的 mic, 再次確認錄音效果
  • ​​基本韌體上 github
  • ​​基本 DIY 文件
  • ​​…
  • ​​零件包
  • ​​
​
​線上會議-台灣聲景監測計畫-長期錄音設備規格討論
​​時間： 9/14 (四) 19:30-20:30
​​地點： Internet
​​Agenda:
  • ​​0-5m - 等待接入
  • ​​5-10m 夥伴自我介紹
  • ​​10-15m [哈爸]共筆內容說明(預期夥伴已閱讀過)
  • ​​15-20m [Harry] 需求與為何而戰
  • ​​20-25M [Victor] 相關設計
  • ​​25-55m 相關需求與規格討論
  • ​​55-60m 散會
​​接入方式：
​​主题：台灣聲景監測計畫-長期錄音設備規格討論
​​时间：九月 14, 2017 7:30 下午 台北
​​
​​使用PC、Mac、Linux、iOS或安卓设备加入：https://zoom.us/j/2227091234?pwd=Sadl5HYxyaY
​​密码：0914
​​
​​會議記錄
  1. ​​專案需求/規格與目前相關 study 說明
  1. ​​目前選用 LinkIt 7688 為主要設計
  1. ​​建議的設計獲得與會夥伴的基本認同
  1. ​​相關前期驗證 Victor 已經基本確認
  1. ​​持續展開實作確認。相關初步推展步驟，請參考共筆更新
  1. ​​實作持續展開，歡迎有興趣一起實作的夥伴，回覆或私訊，加入設計團持續推進
  1. ​​9/28 19:30 線上會議： 台灣聲景監測計畫-長期錄音設備實作討論
​​
​
​線上會議-台灣聲景監測計畫-長期錄音設備實作討論
​​時間： 10/24 (二) 19:30-20:30
​​地點： Internet
​​Agenda:
  • ​​0-5m - 等待接入
  • ​​5-10m 夥伴自我介紹
  • ​​10-55m 相關需求與規格討論
  • ​​55-60m 散會
​​接入方式：
​​
​​使用PC、Mac、Linux、iOS或安卓设备加入：https://zoom.us/j/2227091234?pwd=jsMEQVLwXak 
​​        密码：0928 
​​
​​與會：
  • ​​哈爸, Victor, Larry,  紅冠
  • ​​ 
​​會議記錄
  1. ​​Victor 實在太強了！什麼都搞定，進度神速！
  1. ​​需要幫助
  1. ​​請有興趣共創的夥伴，參與給出幫助
  1. ​​請其他夥伴支援防水殼相關設計
  1. ​​請零件包支援夥伴，協助 BOM 展開與相關事宜
  1. ​​請對軟韌體開發有興趣的夥伴，可以開始準備複製現有設計，持續改善
  1. ​​11/15(三) 19:30 下一次開會
  1. ​​目前 prototype 已開源上傳
  1. ​​目前功能：
  1. ​​RTC 基本 OK, 開機自動錄音完成
  1. ​​Sleep mode 可以運作
  1. ​​Power consumption 需再量測
  1. ​​會議中線上展示
  1. ​​Arduino RTC 使用
  1. ​​確認開機可自動錄音
  1. ​​麥克風好壞會影響低頻聲音品質，需多測試
  1. ​​ToDo
  1. ​​請持續補充規格與驗證記錄到共筆
  1. ​​請上傳目前硬體實作照片
  1. ​​請撰寫目前電機 BOM, 以及硬體安裝文件
  1. ​​會議有錄影，討論串夥伴可以取用
  1. ​​其他雜記與更新，請參考共筆
​​
​​會議雜記
​​RTC 測試 OK,
  • ​​誤差一個月 3S, 最大間格 1週
  • ​​開機自動錄音已完成
​​
​​線上展示 開機，定時錄音完成
  • ​​關機還要實作
​​
​​用比較好的麥克風，低頻品質就好了一些
​​
​
​線上會議-台灣聲景監測計畫-長期錄音設備實作討論-2
​​時間： 11/15 (三) 19:30-20:30
​​地點： Internet
​​Agenda:
  • ​​0-5m - 等待接入
  • ​​10-55m 相關實作討論
  • ​​55-60m 散會
​​接入方式：
​​
​​使用PC、Mac、Linux、iOS或安卓设备加入：https://zoom.us/j/2227091234?pwd=OWaPIYziZu0
​​密码：1115
​​
​
​基本設計-初步想法
​​
  • ​​可能方案1
  • ​​用舊手機（可排程錄音軟體+大的 flash card） + 外加一個前級擴大和耐候性(不受風雨影響)的麥克風 ＋ 太陽能板 + 電池 + 充電轉板 + 外殼
​​
  • ​​可能方案2
​​      如考慮到低耗電特性，可用Arduino+RTC斷電機制+SD卡+Codec+麥克風，平常為低耗電模式，
​​      時間到自動醒來錄音
​​             硬體方案選擇(Chip/Function/功耗) Link
​​             系統架構方塊圖
  • ​​錄音方案選擇/測試
​​
​​錄音方案
​​Arduino + VS1053
​​Linkit 7688 + USB音效卡
​​Teensy 3.6 + Audio Adaptor
​​Software
​​          Arduino
​​                 Linux
​​                Teensyduino
​​功耗
​​       低 (~40mA) ✓
​​            高(~160mA)
​​                 中(~80mA)
​​價格
​​                 低 ✓
​​                    中
​​                        高(3000NTD+)
​​支援SD卡
​​         SD/SDHC
​​       SD/SDHC/SDXC ✓
​​                SD/SDHC
​​支援SD卡數量
​​              1~3
​​                  1~N 
​​     (透過USB讀卡機擴充) ✓
​​                       1~3
​​SD卡容量上限
​​      up to 32 GB
​​             up to 2TB ✓
​​            (待測試驗證)
​​              up to 32 GB
​​檔案系統
​​        FAT16/32
​​      FAT16/FAT32/exFAT
​​           ext2/ext3/ext4 ✓
​​                FAT16/32
​​外接USB隨身碟
​​              NO
​​                   YES ✓
​​                      NO
​​錄音格式
​​       WAV/OGG
​​   WAV/FLAC/OGG/MP3 ✓
​​                    WAV
​​錄音品質
​​     16 bit, 44.1 kHz
​​       up to 24 bit, 48KHz ✓
​​            16 bit, 44.1 kHz
​​錄音Channel
​​                2
​​                  2*N
​​    (透過USB音效卡機擴充)
​​                        2
​​頻率分析
​​              NO
​​                  YES ✓
​​(可撰寫程式進行任意分析)
​​                     YES
​​            僅FFT 128point
​​錄音測試檔
​​             TBD
​​                   TBD
​​                      TBD
​​野外低功耗控制系統
  • ​​開發進度：
  • ​​低功耗控制板 HW Implement
  • ​​低功耗控制板 Arduino RTC SW
  • ​​主機端自動錄音 Script
  • ​​主機端WiFi關閉 Script
  • ​​主機端音效卡自動啟動設定 Script
  • ​​低功耗控制板開源上github
  • ​​之後轉入 LASS github
  • ​​主機/低功耗控制板 Update script
  • ​​高品質USB錄音卡整合
  • ​​防水盒Prototype實作
  • ​​
  • ​​可能方案三：
  • ​​樹莓派（類PC linux 平台） + crontab 錄音程式 + USB sound card
  • ​​Sleepy Pi
  • ​​Using USB sound card
​​  
​​裡面有錄音的相關測試，未來若需要利用在學術研究上，可能要參考本篇將本裝置發表。
​​
​
​一般使用情境說明
  • ​​請說明幾個一般的使用情境
  • ​​[ 比方說 裝在哪， 怎麼錄，錄多久，何時取，之後怎麼處理 ]
​​
​​在陸地上，我們通常把錄音機固定在樹上或是一個立於地面的人工結構物體。在水中，我們則是利用錨定和浮球將錄音機固定。以目前透過專用的自動錄音機來說，我們排程每半小時自動收錄5分鐘錄音，將資料儲存於記憶卡中。每個月到現場清潔錄音機與更換麥克風，並更換記憶卡。
​​
​​（陸地上若考量不同的環境，設置的位置也可能不同。比如說農地環境中的稻田聲景監測，就可能需要於稻田中有一固定物體可固定錄音機。近年農試所可能會開始增設大量微氣象站，亦有可能與農試所合作，於氣象站旁設置錄音機，不僅較不易丟失，也能同時獲取精細尺度的氣候資訊。）
​​取回記憶卡之後，我們會將大量的錄音資料上傳至亞洲聲景平台，並透過頻譜分析與簡單的統計方法，製作長期時頻譜圖，視覺化呈現長時間錄音。從長期時頻譜圖上就很容易可以看到環境音、動物鳴唱、人為噪音的長期變化，而不必去聽每一筆的聲音檔案。
​​
  • ​​
​
​相關需求
  • ​​我們一般自己做調查的時候，我們是設定每半個小時錄5分鐘的WAV檔
  • ​​然後連續放在野外，例如3個月。那我們目前都盡量越長越好，所以許多點的資料都已經累積到一年或兩年多 => 用來推算需要多少 flash 空間 (以44.1 kHz的取樣頻率及雙聲道來說，一年約1TB資料量)
​​
​​麥克風規格 (參考Wildlife Acoustics SM4商用產品，美國售價849USD，臺灣代理會貴上不少)
​​外殼需防風雨、無明顯指向性。
​​靈敏度：-4±3dB (0dB=1V/pa@1kHz)
​​信噪比： 80dB @ 1kHz
​​動態範圍：0dB Gain時為 14dB - 94dB SPL
​​頻率響應範圍：20 or 15 kHz以下在±3dB內
​​
​​錄音機規格
  1. ​​可至少執行44.1 kHz (或更高)的錄音取樣頻率，可錄製wav檔或flac壓縮格式 (optional)，檔名需有時間資訊，例如: 20160401_010000 (年月日_時分秒)。錄音機內的Gain需可對應不同環境調整。
  1. ​​自動排程: 通常我們會依照地點或狀況的不同而設定"連續錄音"或是"排程錄音"，排程錄音例如我們最常用每半小時錄音5分鐘的設定，就算是連續錄音，我們也會設定每半小時一個檔案，以免單一檔案大小過大。有些特別針對鳥類鳴唱做的研究，會希望在日出、日落前後有另外的排程，例如每10分鐘錄音5分鐘，因此如果可以有複雜排程的設計會更好。
  1. ​​野外耐候性: 野外放置的地點通常沒有遮蔽，因此需有基本的防潑水的密閉性，避免雨水、螞蟻等外界的干擾。另外建議麥克風以小型為主，上面有遮風罩減少風切聲影響。
  1. ​​資料儲存與電力: 可以裝置記憶卡、使用一般的1號電池、或可外接電源 (太陽能板?)，這樣能夠提溝野外人員最便利的方式來維持設備運作。如果要往real-time做的話，不建議傳回原始資料，而是回傳噪音值、每分鐘的平均功率頻譜等壓縮資料。
​​
  • ​​錄音品質與後端分析
  • ​​錄音檔希望可以符合無損格式，我們傳統上是直接針對WAV檔進行分析，也曾經分析過mp3，但高頻訊號被大幅壓縮，會喪失許多動物聲音的訊息。錄音的品質上，則和麥克風的頻率響應與敏感度相關，頻率響應是否夠寬頻而且夠平坦，會是影響後續分析的重要關鍵因素。
  • ​​
​
​研究團員
​​
​​臉書代號
​​自介與說明
​​wuulong.hsu (哈爸)
​​LASS 創辦人
​​Harry Lin
​​在中研院擔任獨立博士後，目前主持一個小小的台灣聲景監測網絡計畫。計畫目的是提供大量的線上聲景開放資料與聲景分析的工具，讓更多人可以透過分析聲景訊息來了解生態環境的動態變化。
​​Victor Sue
​​網通廠軟韌體研發
​​專長 : FW( MCU / Linux )、電路設計、感測器、
​​           無線傳輸(Wi-Fi、BT/LE、Zigbee、LoRa、                Sigfox)
​​Petsbook.io成員
​​進行中專案 :
​​        田間感測器
​​       Portable Alexa Device
​​       水盒子
​​曹建國（曹永忠）
​​已開始從事噪音研究
​​Kuan-Chieh Hung (紅冠水G)
​​曾經從事動物聲音研究(個體行為層次，非聲景研究)，目前在某實驗室打工，有機會在某實驗室的計畫放錄音機，也可以找一些地方設點錄音。
​​Zoom ID: helapiz
​​
​
​推進步驟
  • ​​共筆補充一點基本資料
  • ​​號召社群有興趣的人參與，建構一臉書討論串
  • ​​召開線上會議，收斂一下大家的想法
  • ​​討論基本需求與規格
  • ​​挖坑填坑
​​
​
​系統規格
​​可能的麥克風(有頻率響應等詳細資訊的)：
  • ​​TRS(3.5mm jack)接頭，100Hz - 20kHz，心型指向
  • ​​Sensitivity: -33 dB, Max SPL: 140 dB
  • ​​Rode smartLav+ (規格相似，對於高強度的噪音容易clipping)
  • ​​TRS(3.5mm jack)接頭，60Hz - 18kHz，無指向
  • ​​Sensitivity: -35 dB, Max SPL: 110 dB
  • ​​Siker UA201 (規格最差)
  • ​​TRS(3.5mm jack)接頭，20Hz - 20kHz，無指向
  • ​​Sensitivity: -43dB 
  • ​​臺灣廠商，但網路上查不到資訊，努力查工商名錄應該有機會
​​
​​
​​
​​可能的USB音效卡
​​
​​功耗量測
​​
​​                        狀態 / 組合
​​           功耗電流 (平均)
​​           功耗電流 (Peak)
​​Linkit 7688 + SD卡 + USB音效卡 (Wi-Fi ON)
​​            5V / 250mA
​​             5V / 400mA
​​Linkit 7688 + SD卡 + USB音效卡 (Wi-Fi OFF)
​​            5V / 168mA
​​             5V / 173mA
​​
​​參考來源
​​
  • ​​國外樹梅派錄音機用的
  • ​​5VDC或USB電源都可以
  • ​​單聲道，24bit/192kHz，有內建preamp
  • ​​只有XLR接頭，不能插TRS
  • ​​缺點：preamp頻率響應不平整(The D-Pre does have its detractors in several forums and blogs, with a common refrain of, ‘it’s not flat.’)、單聲道(雙聲道的要買UR22，約6000NTD)、只有XLR接頭
  • ​​看UR12的評測看到的同級產品，主要差異在只有96kHz取樣，一樣單聲道
  • ​​24bit/96kHz 單聲道
  • ​​只有XLR接頭，不能插TRS
​​
  • ​​有雙聲道(Duo)和單聲道(沒有Duo)版本雙聲道如圖，超小台
  • ​​雙聲道售價約7000-8000NTD，單聲道售價約5000-6000NTD
  • ​​24bit/96kHz，有preamp，有配合的iPhone/Android app可以用，應該是USB供電，有XLR接頭，但也可以直接插TRS
  • ​​
​​
​​應該沒有preamp的音效卡區
​​
  • ​​臺灣之光Asus Xonar U3/U5 USB音效卡，都只有3.5mm TRS頭
  • ​​U3: SNR: 100dB, 20-20kHz, 16bit/48kHz, ~1600NTD
  • ​​U5: SNR: 104db, 10-44kHz, 24bit/96kHz ~2600NTD, 還有無用的耳機放大器效果
​​
​​
​​
​​這邊不算USB音效卡，放爽的
  • ​​Behringer Microamp HA400
  • ​​沒有XLR的大接頭，就只有簡單的TRS，好像蠻適合的？
  • ​​這個是放大耳機的後級放大器
  • ​​臺灣沒進貨，美金定價約50USD，網路上看到代購約2000NTD。
  • ​​XLR/TRS轉TRS，AA電池供電
  • ​​
  • ​​
​​
​​
​​
​​
​
​麥克風實際測試
​​測試器材：Olympus DM-720錄音筆
​​說明：依序測試 (1)內建麥克風、(2)比較貴一點(NTD260)的麥克風、(3)比較便宜一點(NTD250)的麥克風、(4)超便宜(NTD99)的麥克風。原則上就是同一個錄音檔，然後把外接麥克風放在同一個地方去錄自己講話的音，我在客廳操作，應該可以聽到電視的聲音。
​​結果：以敏感度來說，(1)~=(2)>(3)>>>>>(4)
​​討論：DM-720為單價五千塊的錄音筆，他的錄音模組應該會比普通的音效卡好。NTD260那隻應該是很可以考慮。NTD260那隻(2號)是EM-070，規格如下
​​這個廠商看來是臺灣的廠商，網頁下面有電話和地址可以聯絡看看
​​
​​
​​
​​
​
​系統設計
​​
​​
​
​目前簡單的實作零組件建議
​​
​​零組件名稱
​​說明
​​手機
​​
​​軟體建議
​​
​​充電系統建議
​​
​​外殼建議
​​
​​
​
​系統帶起步驟
  • ​​手機軟體，可排程錄音，產出一天的幾小時的錄音檔案
  • ​​後端確認音質等，確認檔案可用性
  • ​​充電系統確認
  • ​​外殼確認
  • ​​
​
​Q&A
​​Q: 有沒有類似可用的錄音軟體？ 基本上會需要排程
​​
​​Q: 太陽能充電手機設計，是有沒有問題？
​​
​​
​
​參考資料
​​     聲音監控 https://github.com/rfcx
​​