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(duì)人身健康的危害是多方面的和復(fù)雜的，主要表現(xiàn)在對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)、機(jī)體免疫、心血管系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和遺傳、視覺(jué)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(dòng)通信基站將架設(shè)在人口密集的城市上空。為了科學(xué)認(rèn)識(shí)移動(dòng)基站架設(shè)的電磁輻射，消除公眾對(duì)基站架設(shè)的不安，有必要對(duì)基站電磁輻射及其對(duì)環(huán)境的影響進(jìn)行研究和分析［1］。

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電磁輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體方案，搭建了一個(gè)能夠模擬應(yīng)用的電磁輻射監(jiān)測(cè)子站的硬件平臺(tái)。通過(guò)合理地設(shè)計(jì)軟件模塊，可用于區(qū)域重點(diǎn)范圍內(nèi)的電磁輻射監(jiān)測(cè)。采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)行電磁輻射數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)電磁輻射動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，建立起一個(gè)高效、反應(yīng)迅速的城市重點(diǎn)區(qū)域的電磁輻射長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警的信息平臺(tái)。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(cè)系統(tǒng)總體方案

電磁輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)子站，對(duì)基站附近的電磁輻射水平進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備向數(shù)據(jù)處理中心傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)天線(xiàn)探頭、數(shù)據(jù)傳送平臺(tái)及接收端數(shù)據(jù)管理平臺(tái)三部分。該系統(tǒng)設(shè)置在城市中的一些敏感地點(diǎn)(如醫(yī)院，學(xué)校，居民小區(qū)等)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如果配合流動(dòng)監(jiān)測(cè)車(chē)在城市的一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)監(jiān)測(cè)，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(gè)中小型重點(diǎn)區(qū)域范圍內(nèi)電磁輻射監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)總體方案圖

本文研制的電磁輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)中心和監(jiān)測(cè)子站兩部分組成。兩部分均由硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)構(gòu)成。硬件平臺(tái)包括運(yùn)行監(jiān)測(cè)中心的 PC機(jī)、ARM9嵌入式板和ZigBee無(wú)線(xiàn)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(diǎn)連接，TD模塊通過(guò)以太網(wǎng)與PC機(jī)上運(yùn)行的監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸。ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點(diǎn)上都配有通用傳感器和天線(xiàn)探頭。軟件平臺(tái)包括物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點(diǎn)的燒寫(xiě)程序、ARM9嵌入式板上的Linux平臺(tái)運(yùn)行程序和PC機(jī)上的監(jiān)測(cè)中心軟件程序。

物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點(diǎn)共同組成網(wǎng)狀(Mesh)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)以完成無(wú)線(xiàn)傳輸。物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)用于接收數(shù)據(jù)并向從節(jié)點(diǎn)傳輸控制命令，從節(jié)點(diǎn)用于傳感器數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)匯集至與主節(jié)點(diǎn)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(guò)以太網(wǎng)傳送給監(jiān)測(cè)中心軟件。監(jiān)測(cè)中心軟件作為管理端，接收從各個(gè)監(jiān)測(cè)子站發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察和控制，從而使得整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)有效地運(yùn)行。這些數(shù)據(jù)包括無(wú)線(xiàn)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(cè)子站GPS定位的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)等。

2 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 ARM嵌入式系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)的核心ARM9嵌入式板采取現(xiàn)在比較成熟的工業(yè)級(jí)ARM嵌入式系統(tǒng)方案，通過(guò)其串口外接ZigBee主節(jié)點(diǎn)模塊，通過(guò)GPS模塊與GPS衛(wèi)星通信，通過(guò)USB接口外接TD模塊，如圖2所示。ZigBee主、從節(jié)點(diǎn)模塊用來(lái)構(gòu)成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點(diǎn)連接電磁輻射天線(xiàn)探頭，監(jiān)測(cè)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(cè)子站的地理位置;TD-SCDMA模塊用于將無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)，使得監(jiān)控中心主機(jī)可以通過(guò)軟件來(lái)存儲(chǔ)和管理各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)。

圖2 電磁輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)

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(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)微處理器，最高主頻為180MHz。其雙向32位外部數(shù)據(jù)總線(xiàn)支持8，16，32位數(shù)據(jù)寬度，26位地址總線(xiàn)可以對(duì)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(chǔ)空間。NAND Flash采用三星的 SLC芯片 K9F1208UOC。此芯片提供64 MB的存儲(chǔ)空間，足以滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)于存儲(chǔ)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(wú)線(xiàn)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(dòng)切換，支持STK/USAT功能，可實(shí)現(xiàn)全球漫游，能夠滿(mǎn)足3G用戶(hù)豐富的業(yè)務(wù)功能需求。其內(nèi)部也有自帶天線(xiàn)，不用外接天線(xiàn)。

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

2.3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

本設(shè)計(jì)中我們選擇ZigBee協(xié)議組建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，其特點(diǎn)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(jì)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的從節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)從天線(xiàn)探頭獲得不同地理位置電磁輻射水平并無(wú)線(xiàn)傳送給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)獲取該信息后再通過(guò)串口傳輸給ARM9嵌入式板。ZigBee主從節(jié)點(diǎn)可形成以CPU為核心的節(jié)點(diǎn)硬件框圖，如圖3所示。IEEE 802.1.4收發(fā)器和運(yùn)行于CPU上的ZigBee協(xié)議棧共同實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)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(guó)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(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建與管理以及數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸。JN5139內(nèi)置的處理器是32位RISC內(nèi)核，速度高達(dá)16MHz，所以可以采用此CPU作為節(jié)點(diǎn)的處理單元，省去了采用獨(dú)立CPU的成本，并且簡(jiǎn)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(cè)系統(tǒng)中，天線(xiàn)探頭應(yīng)盡量選用全向性探頭，使得電場(chǎng)或者磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)的響應(yīng)度和入射波的極化和入射方向無(wú)關(guān)。天線(xiàn)探頭應(yīng)為寬帶探頭，頻率范圍可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試環(huán)境進(jìn)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(zhǔn)確穩(wěn)定可靠的測(cè)量電磁場(chǎng)，低功耗，可靠性高，氣候適應(yīng)性強(qiáng)的探頭。同時(shí)監(jiān)測(cè)子站應(yīng)有溫度和濕度等通用傳感器，可以監(jiān)測(cè)氣候變化對(duì)電磁輻射的影響。

3 軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(diǎn)軟件，ARM9平臺(tái)上的運(yùn)行程序和PC機(jī)上的監(jiān)測(cè)中心軟件。物聯(lián)網(wǎng)主、從節(jié)點(diǎn)軟件的燒寫(xiě)軟件可在Jennic公司提供的Codeblocks平臺(tái)上用C語(yǔ)言編寫(xiě)。燒寫(xiě)軟件的主要功能是將從節(jié)點(diǎn)上監(jiān)測(cè)到的電磁輻射水平數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)傳輸給與之相連的ARM9嵌入式板。ARM9平臺(tái)上的運(yùn)行程序在Linux平臺(tái)上用C語(yǔ)言編寫(xiě)，運(yùn)行在嵌入式 Linux系統(tǒng)下，它的正常運(yùn)行是監(jiān)測(cè)子站和監(jiān)測(cè)中心軟件進(jìn)行通信的關(guān)鍵。監(jiān)測(cè)子站軟件完成的功能包括對(duì)來(lái)自監(jiān)測(cè)中心軟件傳來(lái)指令進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)、對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)子站模塊數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，以及對(duì)本監(jiān)測(cè)子站的各個(gè)模塊進(jìn)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(cè)中心軟件總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)中心軟件采用Delphi語(yǔ)言編寫(xiě)。軟件主要負(fù)責(zé)圖形化界面的實(shí)現(xiàn)、完成多個(gè)監(jiān)測(cè)子站連接到控制中心并監(jiān)控各個(gè)子站附近的電磁輻射水平。具體包括根據(jù)輸入監(jiān)測(cè)子站的IP號(hào)和端口號(hào)，連接到以太網(wǎng)，生成控制命令通過(guò)Socket進(jìn)行發(fā)送;通過(guò)Socket接收子站各模塊的響應(yīng)信息，對(duì)響應(yīng)信息進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)處理;通過(guò)查詢(xún)模塊查詢(xún)各個(gè)監(jiān)測(cè)子站的電磁輻射水平。

根據(jù)系統(tǒng)要求，可以把監(jiān)測(cè)中心軟件劃分為用戶(hù)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(hù)信息處理模塊用以處理用戶(hù)的信息，主要包括對(duì)用戶(hù)登錄、新用戶(hù)的注冊(cè)和用戶(hù)資料的查詢(xún)等;子站控制模塊用以處理子站的加入和斷開(kāi)，主要包括創(chuàng)建監(jiān)測(cè)子站線(xiàn)程、加入監(jiān)測(cè)子站、斷開(kāi)監(jiān)測(cè)子站等操作;數(shù)據(jù)處理模塊則用來(lái)處理監(jiān)測(cè)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(jìn)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(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。電磁輻射水平分析處理模塊主要負(fù)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(shí)間內(nèi)的電磁輻射水平，該流動(dòng)監(jiān)測(cè)子站在該時(shí)間段在地圖上的位置，該子站附近的電磁輻射場(chǎng)分布圖等。軟件平臺(tái)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(tái)還包含兩大主要的數(shù)據(jù)庫(kù)：用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)測(cè)子站信息數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶(hù)打開(kāi)軟件，便進(jìn)入登錄界面。在登錄界面輸入登錄信息，系統(tǒng)軟件會(huì)自動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶(hù)一旦登錄成功后系統(tǒng)就進(jìn)入主進(jìn)程處在一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控的狀態(tài)，監(jiān)控來(lái)自各個(gè)電磁輻射監(jiān)測(cè)子站傳輸過(guò)來(lái)的信息。如果監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)消息，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，存入監(jiān)測(cè)子站信息數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)在軟件主界面地圖上，該位置將會(huì)紅燈亮起，表示子站加入成功。

3.3 Socket編程設(shè)計(jì)

電磁輻射監(jiān)測(cè)中心軟件是面向PC機(jī)(Windows操作系統(tǒng))平臺(tái)的應(yīng)用，作為監(jiān)測(cè)中心的PC機(jī)能控制各個(gè)電磁輻射監(jiān)測(cè)子站的工作，電磁輻射監(jiān)測(cè)子站將響應(yīng)用戶(hù)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(tái)性［5］，我們采用了 TCP/IP協(xié)議作為本系統(tǒng) Socket通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)中心軟件和電磁輻射監(jiān)測(cè)子站間的數(shù)據(jù)傳輸?；诳蛻?hù)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)模式來(lái)架構(gòu)應(yīng)用程序，用戶(hù)界面與電磁輻射監(jiān)測(cè)子站之間采用UDP(用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)傳輸協(xié)議，監(jiān)測(cè)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(jī)的特定端口，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。監(jiān)測(cè)中心軟件框架如圖5所示。

圖5 電磁輻射監(jiān)測(cè)中心軟件框架

用戶(hù)界面軟件利用Socket通信機(jī)制將控制信息傳遞給以太網(wǎng)，電磁輻射監(jiān)測(cè)子站通過(guò)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(cè)子站將狀態(tài)信息以及數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)再回傳給監(jiān)測(cè)中心界面進(jìn)行顯示。所謂的發(fā)送是包含各個(gè)外接設(shè)備狀態(tài)信息的包，諸如GPS模塊和WSN模塊等。用戶(hù)界面軟件接收此消息實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)信息并且在界面上顯示監(jiān)測(cè)子站的位置。

3.4 電測(cè)輻射水平查看

監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)有電磁輻射水平查看功能，用戶(hù)選擇需要查看結(jié)果的具體日期、時(shí)間起止范圍和監(jiān)測(cè)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(kù)進(jìn)行查詢(xún)，并給出相應(yīng)的電磁輻射劑量在各個(gè)頻點(diǎn)的分布圖。

為了分析移動(dòng)通信基站對(duì)居民生活環(huán)境產(chǎn)生的電磁輻射污染狀況，文獻(xiàn)［6］通過(guò)比較測(cè)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(chǎng)屏蔽作用;同時(shí)建有兩個(gè)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(chǎng)疊加現(xiàn)象，使輻射強(qiáng)度增加;個(gè)別與基站天線(xiàn)距離較近(小于20m)、窗戶(hù)與基站天線(xiàn)處于同一水平位置和與基站天線(xiàn)主瓣方向一致的居室內(nèi)，電磁輻射功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一級(jí)安全范圍，可達(dá)20.44μW/cm2，但還在GB9175-88二級(jí)中間區(qū)容許范圍內(nèi)(40μW/cm2)。

圖6為一次實(shí)測(cè)結(jié)果，其中橫坐標(biāo)表示這段時(shí)間該監(jiān)測(cè)子站附近的哪些頻段范圍的電磁輻射，縱坐標(biāo)表示了相應(yīng)的頻率點(diǎn)電磁輻射的劑量(單位：μW/cm2)。圖中線(xiàn)表示國(guó)家法律規(guī)定的一級(jí)電磁輻射安全范圍10μW/cm2以下，實(shí)線(xiàn)表示國(guó)家法律規(guī)定的二級(jí)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(gè)監(jiān)測(cè)子站的電磁輻射水平，該圖表明該監(jiān)測(cè)子站附近各個(gè)頻率的電測(cè)輻射水平幾乎都在國(guó)家法律規(guī)定的一級(jí)安全范圍內(nèi)。

圖6 電磁輻射量實(shí)例分析

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電磁輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，涵蓋了ZigBee、ARM和傳感器等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線(xiàn)傳輸、信息存儲(chǔ)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(diǎn)區(qū)域范圍內(nèi)試用，能有效地監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)電磁輻射水平，對(duì)其它物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)有借鑒作用。

［1］謝銀月.移動(dòng)通信基站電磁輻射對(duì)環(huán)境影響的分析［J］.廣東：移動(dòng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010年第06期

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