基于物联网的电磁辐射监测系统的设计

2013-10-08潘玲蓉宋铁成

电气电子教学学报 2013年3期

沈彤，潘玲蓉，吕岑，胡静，宋铁成

(1.南京创维信息技术研究院，江苏南京210037;2.东南大学信息科学与工程学院，江苏南京210096)

0 引言

根据世界卫生组织调查显示，电磁辐射对人身健康的危害是多方面的和复杂的，主要表现在对中枢神经系统、机体免疫、心血管系统、生殖系统和遗传、视觉系统等功能造成危害以及致癌作用。随着3G网络的建设，更多的移动通信基站将架设在人口密集的城市上空。为了科学认识移动基站架设的电磁辐射，消除公众对基站架设的不安，有必要对基站电磁辐射及其对环境的影响进行研究和分析［1］。

本文设计了一种基于物联网技术的电磁辐射监测系统的总体方案，搭建了一个能够模拟应用的电磁辐射监测子站的硬件平台。通过合理地设计软件模块，可用于区域重点范围内的电磁辐射监测。采用无线通信技术进行电磁辐射数据传输，实现电磁辐射动态监测，建立起一个高效、反应迅速的城市重点区域的电磁辐射长期动态实时监测和预警的信息平台。本系统也能为物联网的其他智能应用提供一定的借鉴作用［2-3］。

1 电磁辐射监测系统总体方案

电磁辐射监测系统作为现场监测子站，对基站附近的电磁辐射水平进行连续监测，同时通过无线通讯设备向数据处理中心传输监测数据。该系统包括监测天线探头、数据传送平台及接收端数据管理平台三部分。该系统设置在城市中的一些敏感地点(如医院，学校，居民小区等)进行监测。如果配合流动监测车在城市的一定区域内进行流动监测，可以有效地监控通信基站电磁辐射的剂量，为治理电磁环境提供技术支持。

根据上述功能要求，本文构建了一个中小型重点区域范围内电磁辐射监测系统，其系统总体方案如图1所示。

图1 基于物联网的电磁辐射监测系统总体方案图

本文研制的电磁辐射监测系统由监测中心和监测子站两部分组成。两部分均由硬件平台和软件平台构成。硬件平台包括运行监测中心的 PC机、ARM9嵌入式板和ZigBee无线传感器网络。其中，ARM9嵌入式板上的GPS模块与GPS卫星通信，串口与ZigBee主节点连接，TD模块通过以太网与PC机上运行的监测软件进行无线传输。ZigBee无线传感器网络从节点上都配有通用传感器和天线探头。软件平台包括物联网主从节点的烧写程序、ARM9嵌入式板上的Linux平台运行程序和PC机上的监测中心软件程序。

物联网主从节点共同组成网状(Mesh)ZigBee无线传感器网络以完成无线传输。物联网主节点用于接收数据并向从节点传输控制命令，从节点用于传感器数据的采集。数据汇集至与主节点的串口相连的ARM板，并由ARM板上的TD模块连入以太网并将采集到的数据通过以太网传送给监测中心软件。监测中心软件作为管理端，接收从各个监测子站发送过来的数据，并对接收到的数据进行观察和控制，从而使得整个系统实时有效地运行。这些数据包括无线传感器网络采集的电磁辐射剂量数据和用于监测子站GPS定位的经纬度数据等。

2 硬件平台的设计

2.1 ARM嵌入式系统

本文设计的监测系统硬件平台的核心ARM9嵌入式板采取现在比较成熟的工业级ARM嵌入式系统方案，通过其串口外接ZigBee主节点模块，通过GPS模块与GPS卫星通信，通过USB接口外接TD模块，如图2所示。ZigBee主、从节点模块用来构成无线传感器网络，无线传感器网络从节点连接电磁辐射天线探头，监测不同地理位置范围内电磁辐射水平;GPS模块用于定位监测子站的地理位置;TD-SCDMA模块用于将无线传感器网络采集到的数据和GPS模块的位置信息无线传输到以太网，使得监控中心主机可以通过软件来存储和管理各个节点传来的数据。

图2 电磁辐射监测系统硬件平台

ARM9嵌入式板的中央控制器采用基于ARM9架构的MCU以及外围设备组成。MCU选用Atmel的AT91RM9200芯片。该芯片是基于ARM920T核的高性能、低功耗16/32位精简指令集计算机微处理器，最高主频为180MHz。其双向32位外部数据总线支持8，16，32位数据宽度，26位地址总线可以对最大64MB空间寻址［4］。中央控制器还需连接SDRAM和 NAND Flash，为系统提供存储空间。NAND Flash采用三星的 SLC芯片 K9F1208UOC。此芯片提供64 MB的存储空间，足以满足系统对于存储空间的要求。

2.2 TD-SCDMA和GPS模块

TD模块选用中兴的 MU351，它是一款采用USB接口的TD-SCDMA(HSDPA)/GSM双模无线数据终端，适用于EDGE、GPRS和GSM等网络，支持TD-SCDMA和GSM双模自动切换，支持STK/USAT功能，可实现全球漫游，能够满足3G用户丰富的业务功能需求。其内部也有自带天线，不用外接天线。

GPS模块选用南京东大移动互联公司的定位模块，它以一秒为周期，自动将当前所处的经纬度信息通过RS232串口输出，用于更新和记录监测子站的位置信息，并将该信息提供给监测中心软件。

2.3 无线传感器网络

本设计中我们选择ZigBee协议组建无线传感器网络。ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗个域网协议，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率和低成本。本设计中，ZigBee网络的从节点负责从天线探头获得不同地理位置电磁辐射水平并无线传送给主节点，主节点获取该信息后再通过串口传输给ARM9嵌入式板。ZigBee主从节点可形成以CPU为核心的节点硬件框图，如图3所示。IEEE 802.1.4收发器和运行于CPU上的ZigBee协议栈共同实现无线组网和数据传输功能。CPU和IEEE 802.15.4收发器可以选择英国Jennic的JN5139，这是一款单芯片的ZigBee基带和射频芯片，能够便捷地实现ZigBee无线网络的组建与管理以及数据的无线传输。JN5139内置的处理器是32位RISC内核，速度高达16MHz，所以可以采用此CPU作为节点的处理单元，省去了采用独立CPU的成本，并且简化了硬件结构。数据传输接口可采用串口UART或RS232。

在监测系统中，天线探头应尽量选用全向性探头，使得电场或者磁场对信号的响应度和入射波的极化和入射方向无关。天线探头应为宽带探头，频率范围可以根据现场的测试环境进行选择，一般最低要求为30MHz至3GHz，该频段基本覆盖了主要的通信系统频段，并且符合GB8720-88中的限值规定频段。这种探头要求全天候工作，因此需要准确稳定可靠的测量电磁场，低功耗，可靠性高，气候适应性强的探头。同时监测子站应有温度和湿度等通用传感器，可以监测气候变化对电磁辐射的影响。

3 软件平台的设计与实现

3.1 系统的核心软件

本系统所有软件包括物联网主、从节点软件，ARM9平台上的运行程序和PC机上的监测中心软件。物联网主、从节点软件的烧写软件可在Jennic公司提供的Codeblocks平台上用C语言编写。烧写软件的主要功能是将从节点上监测到的电磁辐射水平数据和GPS数据无线传输给主节点，主节点再将数据传输给与之相连的ARM9嵌入式板。ARM9平台上的运行程序在Linux平台上用C语言编写，运行在嵌入式 Linux系统下，它的正常运行是监测子站和监测中心软件进行通信的关键。监测子站软件完成的功能包括对来自监测中心软件传来指令进行监听、对各个监测子站模块数据的采集和发送，以及对本监测子站的各个模块进行工作控制和资源分配。使用TD模块与以太网数据传输的部分主要是基于Socket编程。

3.2 监测中心软件总体设计

监测中心软件采用Delphi语言编写。软件主要负责图形化界面的实现、完成多个监测子站连接到控制中心并监控各个子站附近的电磁辐射水平。具体包括根据输入监测子站的IP号和端口号，连接到以太网，生成控制命令通过Socket进行发送;通过Socket接收子站各模块的响应信息，对响应信息进行显示和数据处理;通过查询模块查询各个监测子站的电磁辐射水平。

根据系统要求，可以把监测中心软件划分为用户信息处理模块、子站控制模块、数据处理模块和电磁辐射水平分析处理模块等。其中，用户信息处理模块用以处理用户的信息，主要包括对用户登录、新用户的注册和用户资料的查询等;子站控制模块用以处理子站的加入和断开，主要包括创建监测子站线程、加入监测子站、断开监测子站等操作;数据处理模块则用来处理监测中心接收到的子站数据，根据接收到数据的数据包进行相应的处理，将处理后的数据安装按照指定的格式存储到相应的数据库中。电磁辐射水平分析处理模块主要负责电磁辐射水平的查看和分析，包括查看某子站附近某一时间内的电磁辐射水平，该流动监测子站在该时间段在地图上的位置，该子站附近的电磁辐射场分布图等。软件平台的流程如图4所示。

图4 软件界面数据处理流程图

软件平台还包含两大主要的数据库：用户数据库和监测子站信息数据库。用户打开软件，便进入登录界面。在登录界面输入登录信息，系统软件会自动访问用户数据库。用户一旦登录成功后系统就进入主进程处在一个实时监控的状态，监控来自各个电磁辐射监测子站传输过来的信息。如果监测到数据消息，系统自动进入数据处理模块，将接收到的数据进行一定的处理，存入监测子站信息数据库。同时在软件主界面地图上，该位置将会红灯亮起，表示子站加入成功。

3.3 Socket编程设计

电磁辐射监测中心软件是面向PC机(Windows操作系统)平台的应用，作为监测中心的PC机能控制各个电磁辐射监测子站的工作，电磁辐射监测子站将响应用户界面的发送连接、状态查看等命令。

鉴于TCP/IP协议的广泛性、完善性和跨平台性［5］，我们采用了 TCP/IP协议作为本系统 Socket通信机制实现监测中心软件和电磁辐射监测子站间的数据传输。基于客户/服务器结构模式来架构应用程序，用户界面与电磁辐射监测子站之间采用UDP(用户数据报协议)传输协议，监测子站根据双方事先定义好数据格式将数据包发送到界面所在PC机的特定端口，进行数据交互。监测中心软件框架如图5所示。

图5 电磁辐射监测中心软件框架

用户界面软件利用Socket通信机制将控制信息传递给以太网，电磁辐射监测子站通过TD模块连接到3G网络执行相应的操作;连接完成后电磁辐射监测子站将状态信息以及数据通过网络再回传给监测中心界面进行显示。所谓的发送是包含各个外接设备状态信息的包，诸如GPS模块和WSN模块等。用户界面软件接收此消息实时更新数据库信息并且在界面上显示监测子站的位置。

3.4 电测辐射水平查看

监测中心软件设有电磁辐射水平查看功能，用户选择需要查看结果的具体日期、时间起止范围和监测子站ID等信息。系统的数据处理模块将调用数据库进行查询，并给出相应的电磁辐射剂量在各个频点的分布图。

为了分析移动通信基站对居民生活环境产生的电磁辐射污染状况，文献［6］通过比较测量，得出的结论是：安装铝合金防盗网具有良好的电磁场屏蔽作用;同时建有两个通信基站的小区，两者所产生的电磁辐射在某一区域范围可产生电磁场叠加现象，使辐射强度增加;个别与基站天线距离较近(小于20m)、窗户与基站天线处于同一水平位置和与基站天线主瓣方向一致的居室内，电磁辐射功率密度远远超出一级安全范围，可达20.44μW/cm2，但还在GB9175-88二级中间区容许范围内(40μW/cm2)。

图6为一次实测结果，其中横坐标表示这段时间该监测子站附近的哪些频段范围的电磁辐射，纵坐标表示了相应的频率点电磁辐射的剂量(单位：μW/cm2)。图中线表示国家法律规定的一级电磁辐射安全范围10μW/cm2以下，实线表示国家法律规定的二级电磁辐射安全范围20μW/cm2以下。

根据柱状图直观清晰地分析出这个监测子站的电磁辐射水平，该图表明该监测子站附近各个频率的电测辐射水平几乎都在国家法律规定的一级安全范围内。