基于物聯(lián)網(wǎng)的電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

沈 彤，潘玲蓉，呂 岑，胡 靜，宋鐵成

(1.南京創(chuàng)維信息技術(shù)研究院，江蘇南京210037;2.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210096)

0 引言

根據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查顯示，電磁輻射對人身健康的危害是多方面的和復(fù)雜的，主要表現(xiàn)在對中樞神經(jīng)系統(tǒng)、機體免疫、心血管系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和遺傳、視覺系統(tǒng)等功能造成危害以及致癌作用。隨著3G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，更多的移動通信基站將架設(shè)在人口密集的城市上空。為了科學(xué)認識移動基站架設(shè)的電磁輻射，消除公眾對基站架設(shè)的不安，有必要對基站電磁輻射及其對環(huán)境的影響進行研究和分析［1］。

本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案，搭建了一個能夠模擬應(yīng)用的電磁輻射監(jiān)測子站的硬件平臺。通過合理地設(shè)計軟件模塊，可用于區(qū)域重點范圍內(nèi)的電磁輻射監(jiān)測。采用無線通信技術(shù)進行電磁輻射數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)電磁輻射動態(tài)監(jiān)測，建立起一個高效、反應(yīng)迅速的城市重點區(qū)域的電磁輻射長期動態(tài)實時監(jiān)測和預(yù)警的信息平臺。本系統(tǒng)也能為物聯(lián)網(wǎng)的其他智能應(yīng)用提供一定的借鑒作用［2-3］。

1 電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)作為現(xiàn)場監(jiān)測子站，對基站附近的電磁輻射水平進行連續(xù)監(jiān)測，同時通過無線通訊設(shè)備向數(shù)據(jù)處理中心傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)包括監(jiān)測天線探頭、數(shù)據(jù)傳送平臺及接收端數(shù)據(jù)管理平臺三部分。該系統(tǒng)設(shè)置在城市中的一些敏感地點(如醫(yī)院，學(xué)校，居民小區(qū)等)進行監(jiān)測。如果配合流動監(jiān)測車在城市的一定區(qū)域內(nèi)進行流動監(jiān)測，可以有效地監(jiān)控通信基站電磁輻射的劑量，為治理電磁環(huán)境提供技術(shù)支持。

根據(jù)上述功能要求，本文構(gòu)建了一個中小型重點區(qū)域范圍內(nèi)電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)，其系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)總體方案圖

本文研制的電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測中心和監(jiān)測子站兩部分組成。兩部分均由硬件平臺和軟件平臺構(gòu)成。硬件平臺包括運行監(jiān)測中心的 PC機、ARM9嵌入式板和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中，ARM9嵌入式板上的GPS模塊與GPS衛(wèi)星通信，串口與ZigBee主節(jié)點連接，TD模塊通過以太網(wǎng)與PC機上運行的監(jiān)測軟件進行無線傳輸。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點上都配有通用傳感器和天線探頭。軟件平臺包括物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點的燒寫程序、ARM9嵌入式板上的Linux平臺運行程序和PC機上的監(jiān)測中心軟件程序。

物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點共同組成網(wǎng)狀(Mesh)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以完成無線傳輸。物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點用于接收數(shù)據(jù)并向從節(jié)點傳輸控制命令，從節(jié)點用于傳感器數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)匯集至與主節(jié)點的串口相連的ARM板，并由ARM板上的TD模塊連入以太網(wǎng)并將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送給監(jiān)測中心軟件。監(jiān)測中心軟件作為管理端，接收從各個監(jiān)測子站發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并對接收到的數(shù)據(jù)進行觀察和控制，從而使得整個系統(tǒng)實時有效地運行。這些數(shù)據(jù)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的電磁輻射劑量數(shù)據(jù)和用于監(jiān)測子站GPS定位的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)等。

2 硬件平臺的設(shè)計

2.1 ARM嵌入式系統(tǒng)

本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)硬件平臺的核心ARM9嵌入式板采取現(xiàn)在比較成熟的工業(yè)級ARM嵌入式系統(tǒng)方案，通過其串口外接ZigBee主節(jié)點模塊，通過GPS模塊與GPS衛(wèi)星通信，通過USB接口外接TD模塊，如圖2所示。ZigBee主、從節(jié)點模塊用來構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點連接電磁輻射天線探頭，監(jiān)測不同地理位置范圍內(nèi)電磁輻射水平;GPS模塊用于定位監(jiān)測子站的地理位置;TD-SCDMA模塊用于將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)和GPS模塊的位置信息無線傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)，使得監(jiān)控中心主機可以通過軟件來存儲和管理各個節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)。

圖2 電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)硬件平臺

ARM9嵌入式板的中央控制器采用基于ARM9架構(gòu)的MCU以及外圍設(shè)備組成。MCU選用Atmel的AT91RM9200芯片。該芯片是基于ARM920T核的高性能、低功耗16/32位精簡指令集計算機微處理器，最高主頻為180MHz。其雙向32位外部數(shù)據(jù)總線支持8，16，32位數(shù)據(jù)寬度，26位地址總線可以對最大64MB空間尋址［4］。中央控制器還需連接SDRAM和 NAND Flash，為系統(tǒng)提供存儲空間。NAND Flash采用三星的 SLC芯片 K9F1208UOC。此芯片提供64 MB的存儲空間，足以滿足系統(tǒng)對于存儲空間的要求。

2.2 TD-SCDMA和GPS模塊

TD模塊選用中興的 MU351，它是一款采用USB接口的TD-SCDMA(HSDPA)/GSM雙模無線數(shù)據(jù)終端，適用于EDGE、GPRS和GSM等網(wǎng)絡(luò)，支持TD-SCDMA和GSM雙模自動切換，支持STK/USAT功能，可實現(xiàn)全球漫游，能夠滿足3G用戶豐富的業(yè)務(wù)功能需求。其內(nèi)部也有自帶天線，不用外接天線。

GPS模塊選用南京東大移動互聯(lián)公司的定位模塊，它以一秒為周期，自動將當(dāng)前所處的經(jīng)緯度信息通過RS232串口輸出，用于更新和記錄監(jiān)測子站的位置信息，并將該信息提供給監(jiān)測中心軟件。

2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

本設(shè)計中我們選擇ZigBee協(xié)議組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本。本設(shè)計中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的從節(jié)點負責(zé)從天線探頭獲得不同地理位置電磁輻射水平并無線傳送給主節(jié)點，主節(jié)點獲取該信息后再通過串口傳輸給ARM9嵌入式板。ZigBee主從節(jié)點可形成以CPU為核心的節(jié)點硬件框圖，如圖3所示。IEEE 802.1.4收發(fā)器和運行于CPU上的ZigBee協(xié)議棧共同實現(xiàn)無線組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸功能。CPU和IEEE 802.15.4收發(fā)器可以選擇英國Jennic的JN5139，這是一款單芯片的ZigBee基帶和射頻芯片，能夠便捷地實現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的組建與管理以及數(shù)據(jù)的無線傳輸。JN5139內(nèi)置的處理器是32位RISC內(nèi)核，速度高達16MHz，所以可以采用此CPU作為節(jié)點的處理單元，省去了采用獨立CPU的成本，并且簡化了硬件結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)傳輸接口可采用串口UART或RS232。

在監(jiān)測系統(tǒng)中，天線探頭應(yīng)盡量選用全向性探頭，使得電場或者磁場對信號的響應(yīng)度和入射波的極化和入射方向無關(guān)。天線探頭應(yīng)為寬帶探頭，頻率范圍可以根據(jù)現(xiàn)場的測試環(huán)境進行選擇，一般最低要求為30MHz至3GHz，該頻段基本覆蓋了主要的通信系統(tǒng)頻段，并且符合GB8720-88中的限值規(guī)定頻段。這種探頭要求全天候工作，因此需要準確穩(wěn)定可靠的測量電磁場，低功耗，可靠性高，氣候適應(yīng)性強的探頭。同時監(jiān)測子站應(yīng)有溫度和濕度等通用傳感器，可以監(jiān)測氣候變化對電磁輻射的影響。

3 軟件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)的核心軟件

本系統(tǒng)所有軟件包括物聯(lián)網(wǎng)主、從節(jié)點軟件，ARM9平臺上的運行程序和PC機上的監(jiān)測中心軟件。物聯(lián)網(wǎng)主、從節(jié)點軟件的燒寫軟件可在Jennic公司提供的Codeblocks平臺上用C語言編寫。燒寫軟件的主要功能是將從節(jié)點上監(jiān)測到的電磁輻射水平數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)無線傳輸給主節(jié)點，主節(jié)點再將數(shù)據(jù)傳輸給與之相連的ARM9嵌入式板。ARM9平臺上的運行程序在Linux平臺上用C語言編寫，運行在嵌入式 Linux系統(tǒng)下，它的正常運行是監(jiān)測子站和監(jiān)測中心軟件進行通信的關(guān)鍵。監(jiān)測子站軟件完成的功能包括對來自監(jiān)測中心軟件傳來指令進行監(jiān)聽、對各個監(jiān)測子站模塊數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，以及對本監(jiān)測子站的各個模塊進行工作控制和資源分配。使用TD模塊與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟糠种饕腔赟ocket編程。

3.2 監(jiān)測中心軟件總體設(shè)計

監(jiān)測中心軟件采用Delphi語言編寫。軟件主要負責(zé)圖形化界面的實現(xiàn)、完成多個監(jiān)測子站連接到控制中心并監(jiān)控各個子站附近的電磁輻射水平。具體包括根據(jù)輸入監(jiān)測子站的IP號和端口號，連接到以太網(wǎng)，生成控制命令通過Socket進行發(fā)送;通過Socket接收子站各模塊的響應(yīng)信息，對響應(yīng)信息進行顯示和數(shù)據(jù)處理;通過查詢模塊查詢各個監(jiān)測子站的電磁輻射水平。

根據(jù)系統(tǒng)要求，可以把監(jiān)測中心軟件劃分為用戶信息處理模塊、子站控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和電磁輻射水平分析處理模塊等。其中，用戶信息處理模塊用以處理用戶的信息，主要包括對用戶登錄、新用戶的注冊和用戶資料的查詢等;子站控制模塊用以處理子站的加入和斷開，主要包括創(chuàng)建監(jiān)測子站線程、加入監(jiān)測子站、斷開監(jiān)測子站等操作;數(shù)據(jù)處理模塊則用來處理監(jiān)測中心接收到的子站數(shù)據(jù)，根據(jù)接收到數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包進行相應(yīng)的處理，將處理后的數(shù)據(jù)安裝按照指定的格式存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。電磁輻射水平分析處理模塊主要負責(zé)電磁輻射水平的查看和分析，包括查看某子站附近某一時間內(nèi)的電磁輻射水平，該流動監(jiān)測子站在該時間段在地圖上的位置，該子站附近的電磁輻射場分布圖等。軟件平臺的流程如圖4所示。

圖4 軟件界面數(shù)據(jù)處理流程圖

軟件平臺還包含兩大主要的數(shù)據(jù)庫：用戶數(shù)據(jù)庫和監(jiān)測子站信息數(shù)據(jù)庫。用戶打開軟件，便進入登錄界面。在登錄界面輸入登錄信息，系統(tǒng)軟件會自動訪問用戶數(shù)據(jù)庫。用戶一旦登錄成功后系統(tǒng)就進入主進程處在一個實時監(jiān)控的狀態(tài)，監(jiān)控來自各個電磁輻射監(jiān)測子站傳輸過來的信息。如果監(jiān)測到數(shù)據(jù)消息，系統(tǒng)自動進入數(shù)據(jù)處理模塊，將接收到的數(shù)據(jù)進行一定的處理，存入監(jiān)測子站信息數(shù)據(jù)庫。同時在軟件主界面地圖上，該位置將會紅燈亮起，表示子站加入成功。

3.3 Socket編程設(shè)計

電磁輻射監(jiān)測中心軟件是面向PC機(Windows操作系統(tǒng))平臺的應(yīng)用，作為監(jiān)測中心的PC機能控制各個電磁輻射監(jiān)測子站的工作，電磁輻射監(jiān)測子站將響應(yīng)用戶界面的發(fā)送連接、狀態(tài)查看等命令。

鑒于TCP/IP協(xié)議的廣泛性、完善性和跨平臺性［5］，我們采用了 TCP/IP協(xié)議作為本系統(tǒng) Socket通信機制實現(xiàn)監(jiān)測中心軟件和電磁輻射監(jiān)測子站間的數(shù)據(jù)傳輸?；诳蛻?服務(wù)器結(jié)構(gòu)模式來架構(gòu)應(yīng)用程序，用戶界面與電磁輻射監(jiān)測子站之間采用UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)傳輸協(xié)議，監(jiān)測子站根據(jù)雙方事先定義好數(shù)據(jù)格式將數(shù)據(jù)包發(fā)送到界面所在PC機的特定端口，進行數(shù)據(jù)交互。監(jiān)測中心軟件框架如圖5所示。

圖5 電磁輻射監(jiān)測中心軟件框架

用戶界面軟件利用Socket通信機制將控制信息傳遞給以太網(wǎng)，電磁輻射監(jiān)測子站通過TD模塊連接到3G網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行相應(yīng)的操作;連接完成后電磁輻射監(jiān)測子站將狀態(tài)信息以及數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)再回傳給監(jiān)測中心界面進行顯示。所謂的發(fā)送是包含各個外接設(shè)備狀態(tài)信息的包，諸如GPS模塊和WSN模塊等。用戶界面軟件接收此消息實時更新數(shù)據(jù)庫信息并且在界面上顯示監(jiān)測子站的位置。

3.4 電測輻射水平查看

監(jiān)測中心軟件設(shè)有電磁輻射水平查看功能，用戶選擇需要查看結(jié)果的具體日期、時間起止范圍和監(jiān)測子站ID等信息。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊將調(diào)用數(shù)據(jù)庫進行查詢，并給出相應(yīng)的電磁輻射劑量在各個頻點的分布圖。

為了分析移動通信基站對居民生活環(huán)境產(chǎn)生的電磁輻射污染狀況，文獻［6］通過比較測量，得出的結(jié)論是：安裝鋁合金防盜網(wǎng)具有良好的電磁場屏蔽作用;同時建有兩個通信基站的小區(qū)，兩者所產(chǎn)生的電磁輻射在某一區(qū)域范圍可產(chǎn)生電磁場疊加現(xiàn)象，使輻射強度增加;個別與基站天線距離較近(小于20m)、窗戶與基站天線處于同一水平位置和與基站天線主瓣方向一致的居室內(nèi)，電磁輻射功率密度遠遠超出一級安全范圍，可達20.44μW/cm2，但還在GB9175-88二級中間區(qū)容許范圍內(nèi)(40μW/cm2)。

圖6為一次實測結(jié)果，其中橫坐標表示這段時間該監(jiān)測子站附近的哪些頻段范圍的電磁輻射，縱坐標表示了相應(yīng)的頻率點電磁輻射的劑量(單位：μW/cm2)。圖中線表示國家法律規(guī)定的一級電磁輻射安全范圍10μW/cm2以下，實線表示國家法律規(guī)定的二級電磁輻射安全范圍20μW/cm2以下。

根據(jù)柱狀圖直觀清晰地分析出這個監(jiān)測子站的電磁輻射水平，該圖表明該監(jiān)測子站附近各個頻率的電測輻射水平幾乎都在國家法律規(guī)定的一級安全范圍內(nèi)。

圖6 電磁輻射量實例分析

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)，涵蓋了ZigBee、ARM和傳感器等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無線傳輸、信息存儲和公網(wǎng)接入等功能。研制系統(tǒng)已經(jīng)在一些中小型重點區(qū)域范圍內(nèi)試用，能有效地監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)電磁輻射水平，對其它物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)有借鑒作用。

［1］謝銀月.移動通信基站電磁輻射對環(huán)境影響的分析［J］.廣東：移動通信，2011年第2期

［2］劉佳，劉柏全，宋鐵成，沈連豐.一種物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010年第06期

［3］成小良，鄧志東.基于ZigBee規(guī)范構(gòu)建大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［J］.北京：通信學(xué)報，2008年第11期

［4］黃燁，王可慧，孫瀅，胡靜，宋鐵成，沈連豐.3G融合通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.南京：信息化研究，vol.37 No.6

［5］Gray R Wright，W Richard Stevens。TCP/IP 詳解：協(xié)議［M］。北京：機械工業(yè)出版社，2000

［6］金亮.移動通訊基站的電磁輻射環(huán)境影響［J］.北京：科技資訊，2007(22)