（计算机软件与理论专业论文）电磁环境辐射的监测管理自动化.pdf

摘要 随着移动通信产业的飞速发展，移动通信基站的数量和分布密度在不断增加， 相应的电磁辐射水平也在不断增强。电磁辐射水平增加到一定程度，将会对人体 健康产生有害影响，对家用电器产生干扰。因此加强对基站密度较大区域的电磁 辐射水平及其分布的了解是非常必要的。 本文主要针对当前h 益严峻的电磁环境污染，提出一套电磁环境辐射管理方 案，对电磁环境进行方便有效的管理，从以前的人工现场设备操作到现在的远程 汁算机操作，实现电磁环境监测工作的自动化管理。结合计算机软件，论文将电 磁环境监测工作从设备数据的采集、数据的图形化显示和测量结果统计分析三个 方而来设计实现并将其有机的结合起来，从而使得电磁环境监测更科学更高效。 关键词：电磁环境电磁辐射监测自动化 a b s t r a c t w i mt 1 1 e 缸td e v e l o 口m e mo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，b o t hm en 啪b e ra n dt h e d i s t r i b u t i n gd e n s i t yo fb a s es t a t i o n si n c r e a s e sc o n t i 肌o u s l yi nt h ec i t i e s ，w h i c hc a u s e s t h ed e 铲e e si n c r e a s i n go f e l e c t m m a g n c t i cr a d i a t i o na tm es 锄et 妇e 1 f e l e c t m m a g n e t i c r a d i a t i o ni n c r e a s e st oa nc e r t a i ne x t e n t ，i tw i l ld ob a dt op e o p l e sh e a l t ha i l dd i s t u i bt h e n o n a lw o r ko ff h m i l ye l e c t r i cf a c i l i t i e s ，s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt op a ym o r ea t t e n t i o nt o e l e c 仃d m a 印e t i cr a d i a t i o ns t r e n g t ha n dd i s m b u t i o no ft h ep l a c ew h e r eb a s es t a t i o ni s c o m p a r i b l yh e a v y t h i sp 印c rg i v e sar e s 0 1 u t i o nm a tm a l 【e s “m o r ee f r e c t i v ea n dm o r es c i e n t 讯ct o s o l v ee m fp o l l u t i o np r o b l e mw m c hi si n c r e a s i n g l yg r i m i tc h a i l g e sm em e a s u r c m e n t m o d ee s s e n t i a l l yf m mm a n u a lo p e r a t i o nt oc o m p u t e r sa u t o m a t i cm a n a g e m e n t ，w h i c h r e a l i z e sm a i l a g e d a la u t o m a t i z a t i o n w i mt h eh e l po fc o m p u t e rs o r w a r e ，t h ep 印e r d i v i d e st h em a i l a g e a lw o r ki n t o 1 r e ea s p e c t sw h i c ha s s o c i a t ew i t h e a c ho t h e r s y s t e m a t i c a l l ya n dr e a l i z e sm e m ，w h i c hm a l 【e st h em a n a g e r i a lw o r ko fe m fm o r e s c j e n t 讯ca n de f f e c t i v e k e y w o r d ：e m f ( e l e c t r o m a g n e t i cf i e i d ) e i e c t m m a g e t i cr a d i a t i o n i o i t o ra u t o m a t i z a t i o n 创新性声明 y 8 5 9 0 0 8 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料蒂有不实之处，本人承担一切胡关责任。 本人签名：么羔互翻!日期盔盔1 2 丞 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文 本人签名： 导师签名： 锵骺翻镒越醚 日期鲻7 ，必一 日期乙“：量：攀 第一章绪论 1 第一章绪论 1 1 电磁环境辐射概述 1 1 1 电磁辐射的理论基础 电磁辐射是指能量以电磁波的形式在空间传播的现象1 。在环境保护领域，电 磁辐射通常指电场强度、磁场强度和无线电干扰三种物理现象或物理量。环境学 和环境管理中所指的电磁辐射还包含独立的电场和磁场以及电磁感应现象和感应 电流等。 环境保护面临的主要问题有资源破坏和环境污染( 又称介质污染) 两大问题， 环境污染又包含能量流污染和物质流污染两种类型。其中，电磁环境污染属于能 量流污染。 电磁辐射危害人体的机理主要是热效应、非热效应和累积效应等j 。 1 ) 热效应：人体7 0 以上是水，水分子受到电磁波辐射后相互摩擦，引起 机体升温，从而影响到体内器官的正常工作。 2 ) 非热效应：人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有 序的，一旦受到外界电磁场的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场即将遭到破坏， 人体也会遭受损伤。 3 ) 累积效应：热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害尚未来得 及自我修复之前( 通常所说的人体承受力内抗力) ，再次受到电磁波辐射的话， 其伤害程度就会发生累积，久之会成为永久性病态，危及生命。对于长期接触电 磁波辐射的群体，即使功率很小，频率很低，也可能会诱发想不到的病变，应引 起警惕。 多种频率电磁波特别是高频波和较强的电磁场作用人体的直接后果是在不知 不觉中导致人的精力和体力减退，容易产生白内障、白血病、脑肿瘤，心血管疾 病、大脑机能障碍以及妇女流产和不孕等，甚至导致人类免疫机能的低下，从而 引起癌症等病变。 1 1 2 电磁环境组成 1 1 2 1 天然电磁环境 1 ) 来自太阳的电磁波太阳以电磁波的形式不停地向外辐射能量。从波谱角度 看，来自太阳的电磁波从波长小于1 0 一3n m 的高能y 射线一直到波长大于1 0 4m 的 低频无线电长波，几乎覆盖了全部电磁波谱。 ! 皇壁墅堡塑盟塑些型笪堡旦垫些 一 2 ) 地球是一个大的磁体，在它的周围存在着电磁场，被称之为地磁场包括人 类在内的一切生物都生活在其中，慢慢适应着地磁场的作用，并且有自己的微弱 磁场( 人体磁信号主要集中在肺部) 。人们由于长期受地磁场的作用，一旦处于“电 磁真空”的环境下会不适应，将受到t r 电磁饥饿”的危害 扪。 1 1 2 2 人为电磁环境 1 ) 广播电视城市中影响电磁环境的最大辐射源是电视、广播发射塔。位于市区 内的电视、广播发射塔发射的电磁波频率范围是4 8 5 9 6 0 删z ，属于超短波与分 米波频段。而中、短波广播发射台一般建在市近郊区。中波广播的频率是5 3 1 16 0 2 k h z ，其传播以地波为主，一般为近距离范围传送。短波广播的频率范围为3 3 0 m h z ，其传播以天波为主，可实现远距离传送。 2 ) 通信设施2 0 世纪8 0 年代以来，世界各国的通信技术得到了前所未有的迅猛发 展，主要包括有：雷达微波站、卫星地面站、移动通信基站、无线电寻呼和手机 等，给人们的工作和生活带来了极大的方便，但是也给城市电磁环境带来新的问 题。 3 ) 交通工具以电力为能源的交通系统发展迅速。全国电气化机车、有轨及无轨 电车总长度为48 0 0k m ，使沿线附近居住的居民收看电视受到影响，使城市电磁 噪声里上升趋势。发动机点火系统是最强的宽频电磁噪声干扰源之一产生干扰 最主要的原因是电流的交复和电弧现象。除此之外，还有汽车喇叭、发电机整流 器、蓄电池的大电流瞬时通断等，甚至电动车窗的电动机也会产生很窄的尖峰电 磁干扰。 4 ) 电力系统随着电力系统的不断发展，电网容量逐渐增大，电压等级逐渐提高。 我国目前的变电站等级最高达到7 5 0k v ，这种高电压、大容量的变电站的电磁环 境相对于低电压等级( 5 0 0k v 、2 2 0k v ) 的变电站的电磁环境更为恶劣。此外，输 电线的电压等级也在不断地提高。影响电磁环境的电力系统骚扰源主要有：a 高 压隔离开关和断路器的操作而产生暂态过电压。b 电源本身的电压暂降、中断、 不平衡、谐波和频率变化。c 高压架空输电线导线表面的高场强造成电晕放电及 其附近的工频电场和工频磁场。d 变电站二次回路的开关操作而产生的暂态电压。 5 ) 工业科研医疗工业、科研、医疗技术中使用的高频设备很多，总功率为2 5 0 万 k w 。如高频加热设备，短波、超短波理疗设备等，它们在工作时产生的电磁感应 场和辐射场场强较大，并时有电磁辐射泄漏，造成不同程度的辐射污染，且对周 围广播电视信号的接收和电子仪器造成干扰。 6 ) 家用电器随着各种家用电器进入千家万户，人们接触和暴露于由微波炉、 电视机、电冰箱等家用电器产生的电磁场中的机会逐渐增多。家庭环境的电磁能 第一章绪论 量密度不断增加【3 1 。 1 1 3 电磁环境的反作用 1 1 3 1 对人类的影响 人类的生存和生活离不开一定的电磁环境，但是倘若周围的电磁辐射超过定 量，就会对人体形成威胁或造成危害。不同频率的电磁场对人身体产生的影响不 同，现就工频场及高频场对人体健康的影响进行阐述。 1 ) 工频场的影响关于工频电场和工频磁场对人体的影响，各国持有不同的观 点。各国都对不同场所和地点的工频电场强度和工频磁场强度做出了各自的规定。 关于工频场对人体的影响，有待于进步的研究。 2 ) 高频场对人体的影响高频辐射对人体产生的影响，主要表现为两种效应：热 效应和非热效应。a 热效应：在高频场中的人体，由于导电率的关系，吸收了电 磁波的电力而在体内产生了热量，这个热量对生理的作用就是热作用。它的 指标可用比吸收率( s a r ) 来表示，即人体组织的单位重量吸收的电力。从安全考虑 出发，把全身s a r 平均值规定为0 4 ( w k g ) 以下。高频场的热作用可能造成对中枢 神经系统的损害，引起心血管系统失调，损伤眼睛和影响遗传等。b 非热效应： 高频辐射对人体的非热效应主要表现在两个方面，一是对神经系统的作用。长时 间的高频辐射可破坏脑组织细胞，使大脑皮质细胞活动能力减弱，己形成的条件 反射受到抑制。反复辐射可能引起神经系统机能紊乱。二是对血液的作用。长期 的高频辐射可引起血液内白细胞和红细胞减少，并使血凝时间缩短川。 1 1 3 2 对设备的影响 电气和电子设备的应用量日益上升，而且布置和装配越来越集中，致使电子系 统内的相互干扰愈加严重。如果忽视这个问题，常造成意想不到的后果。如某厂 精密车间用汽油擦地，工人身上的静电与机床底座产生尖端放电导致火灾。又 如安徽引进美国的成套电力自动化设备，运行时竟有5 0 不能正常工作，经分析 是人触及设备产生静电放电所致 3 1 。 1 1 4 电磁环境防护的解决方案 1 ) 合理工业布局，强化区域控制电气、电子设备密集的工业区应远离居民区， 中级强度以上的电磁辐射源应远离一般工作区和职工生活区，对相对集中的重点 辐射源区要设置安全隔离带。 2 ) 屏蔽保护利用屏蔽装置的反射和吸收作用，将场源或受体用屏蔽壳或屏蔽网 屏蔽起来，可大幅度降低电磁辐射。 3 ) 吸收防护和绿化在近源区，尤其是微波源区，可根据其辐射频率选用具有强 吸收作用的材料敷设于源区周围，形成“吸波墙”，吸波墙降低了场源对周围环 境的辐射。 4 ) 加大宣传力度通过加大宣传力度，使人们更好更多地了解电磁波的基本知 识，从而对其持有正确的态度，既不惧怕电磁波，又能科学地防护电磁辐射污染。 5 ) 倡议倡议生理学、生态学、农业学及电磁学等多学科加强合作，共同对电磁 生态效应进行广泛的研究p j 。 1 2 当前电磁环境状况 近二十年来，随着我国科学技术进步和社会经济的迅速发展，各种电子、电 力设备和设施大量出现在人们的日常生活和工作中。但是，随之而来的电磁辐射 污染问题也日益严重。 据国家环境保护总局1 9 9 7 1 9 9 8 年在全国3 0 个省、直辖市进行的环境电磁辐 射污染调查显示，我国目前环境中人为电磁辐射不断增强的主要原因是： 1 ) 广播电视发射设备的增多、功率的增大： 2 ) 通信发射设备的普及和频繁使用； 3 ) 工业、科研、医疗应用中高频用电设备的增加； 4 ) 电力部门高压输电线路的发展； 5 ) 交通运输的电气化。 据统计，目前全国广播电视发射设备有1 万多台，总功率超过1 3 万千瓦；而工业、 科研、医疗等高频设备近1 5 万台，合计功率达2 5 0 万千瓦；移动通信设备的发展 更是迅速，在过去几年的时间里手机用户数量猛增，到2 0 0 0 年6 月底，我国的移动 电话用户数已发展到近6 千万，移动通信基站超过7 万个坤j 。 由于对电磁辐射所造成的健康危害的不同理解，不同国家所制定的电磁辐射 标准有很大的差异。其中，俄罗斯、意大利、中国、比利时等国家在制定标准时 考虑了电磁辐射对人体神经效应方面的影响，标准限值比较严厉，美国、澳大利 贬、德国等国在制定标准时采用了国际非电离协会( i c n 碌p ) 的推荐标准，没有 考虑电磁辐射对人体神经效应方面的影响，而只是考虑已有明确研究结果的热效 应，标准限值较宽松，将来仍然有进一步提高标准限值的可能【j 。 1 3 电磁辐射研究领域动态 新技术的大量应用使电磁场成为最普遍的环境影响因素之一，国际上许多研 究机构均对电磁辐射与人体健康间的关系展开了大量研究。由于依据的对人体健 第一章绪论 康影响的指导原则和实验数据不同，学术界对时变的电场、磁场、电磁场暴露限 值有不同看法，主要分歧集中在“危害”的程度和“非热效应”是否存在上坤1 。 在跨入2 1 世纪之后，实验室研究开始站在与计算和通讯创新相并列的测量创 新的最前线。这些学科的相互融合衍生出的新科技已对我们的生活造成了普遍的 影响。今天，测量工具正从实验室、医院和工厂移向办公室、各种场所和我们的 家庭。例如，新一代的非扩散性治疗仪器使患者在自己舒适的家中监控和治疗自 己的病情成为可能。分布式的测量仪器和轻快灵活的各种设备已允许进行现场测 试。仿制、装配和结构处理的能力已达到分子结构的层次。在化学和生物科学， 以及电子、光学和机械科学领域产生了许多新的解决方案p j 。 1 4 电磁环境监测工作的必要性 在电子技术为我们生活、工作带来巨大方便的同时，其电磁辐射对人体健康 的影响也越来越受到人们的广泛关注。 虽然针对电磁环境的负面影响可以采取一定的防护措施，但要从根本上解决 问题还是要提早预防，一旦发现问题就及时处理，这就要求对电磁环境状况有 科学的数据分析，合理的监测测量，这就需要科学的管理手段，对某地区或某地 点的电磁环境进行预测并保持监测跟踪，做到防患于未然，这样才能很好的控制 电磁环境的恶性发展，在利用电磁资源给我们生活带来便利的同时又将其反作用 降至最低。 我国有关的政府管理部门和科研机构在此方面做了大量的调查研究工作，并 逐渐建立起相应的管理体系，针对存在的主要问题采取了必要的控制措施。近几 年，为适应全球贸易一体化的需要，我国加强了在电磁辐射领域的国际交流与合 作，积极参与到国际e m f 项目中。 1 5 课题研究内容 课题来源于深圳市嵘兴实业发展有限公司承接的为广州市环境监测中心开 发的电磁环境辐射监测车项目。 手持监测设备到环境监测地点进行测量，并记录测量数据，测量返回后对数 据进行整理和处理，最后统计成报表或文挡。在测量期间测量工作都由监测工作 人员来手动完成，这是传统的环境监测方法。 相比较以前的环境监测方法，本文提出将环境监测工作和计算机相结合，和 计算机软件相结合，将原本由人工来完成的工作交由计算机来处理，设计开发科 学高效的环境监测管理系统。 结合计算机，加上g p s 地理信息定位，测量的数据及时处理并保存，同时 6 电磁环境辐射的监测管理自动化 实时将测量结果以图表形式形象显示给用户，最后自动完成报表文挡的生成，将 环境监测工作整个流程一体化，由计算机软件来完成，取代以往的人工操作，实 现环境监测工作的自动化。 第二章电磁环境监测 7 第二章电磁环境监测 2 1 电磁环境监测工作 现代化的无线电频谱管理是将行政和科学技术管理手段相结合，对无线 电频率和空间卫星轨道资源实施科学、有效的管理。无线电管理是国家通过 专门机构对无线电波和卫星轨道资源研究、开发、使用所实施的，以实现合 理有效利用无线电频谱和卫星轨道资源的行为。 无线电监测在频率的规划、指配、电磁环境的测试、无线电台站的设置 规划、无线电台站的监督和管理、无线电干扰的查处、确保通信安全等方砸 提供了强大的技术支撑，是无线电频谱管理的重要组成部分。 2 1 1 主要监测任务 1 ) 对环境中电磁辐射水平进行监测； 2 ) 对污染源进行监督性监测； 3 ) 对环境保护设旋竣工验收的各环境保护设施进行监测； 4 ) 为编制电磁辐射环境影响报告书( 表) 和编写环境质量报告书提供有关监 测资料： 5 ) 为征收排污费或处理电磁辐射污染环境案件提供监测数据，进行其他有关 电磁辐射环境保护的监测【4 j 。 2 1 2 监督管理 1 ) 负责下列建设项目环境保护申报登记和环境影响报告书的审批，负责对该类 项目执行环境保护设施与主体工程同时设计、同时施工、同时投产使用( 简 称“三同时”制度) 的情况进行检查并负责该类项目的竣工验收： 总功率在2 0 0 千瓦以上的电视发射塔； 总功率在1 0 0 0 干瓦以上的广播台、站： 跨省级行政区电磁辐射建设项目； 中家规定的限额以上电磁辐射建设项目。 2 ) 对电磁辐射项目和设备的监督性监测和日常监督管理； 电磁环境辐射的监测管理自动化 3 ) 对电磁辐射活动可能造成的环境影响进行评价，编制环境影响报告书( 表) 。 电磁辐射环境影响报告书分两个阶段编制。第一阶段编制可行性阶段环境 影响报告书，必须在建设项目立项前完成。第二阶段编制实际运行阶段 环境影响报告书，必须在环境保护设施竣工验收前完成。工业、科学、医 疗应用中的电磁辐射设备，必须在使用前完成环境影响报告表的编写。 4 ) 定期检查电磁辐射设备及其环境保护设施的性能，及时发现隐患并及时采 取补救措施。 5 ) 电磁辐射建设项目的发射设备必须严格按照国家无线电管理委员会批准的 频率范围和额定功率运行。工业、科学和医疗中应用的电磁辐射设备，必须 满足国家及有关部门颁布的“无线电干扰限值”的要求【4 j 。 2 2 1 辐射源测量 2 2 常规监测方法 按间隔4 5 度的八个方位为测量线，每条测量线上选取距场源分别3 0 、5 0 、 1 0 0 m 等不同距离定点测量，测量范围根据实际情况确定 5 1 。 按照测量布点，对各点的场强值进行测量，最后计算统计给出综合场强结果。 2 2 2 辐射区域测量 根据城市地图将区域范围划分为1 l 加2 或2 2 砌2 小方格( 大小可自由 设定) ，取方格中心为测量位置( 也可考虑取接近中心的几个点测量，最后求均值) 。 有基站的方格加密布点【5 】。 根据方格的具体大小及位置，对每个方格逐个进行测量( 测量点为方格的中 心) 。 2 2 3 统计计算 如果测量仪器读出的场强瞬时值的单位为分贝( d b v m ) ，则先按下列 公式换算成以v m 为单位的场强 e ，：1 0 扣( v m )式( 2 1 ) x 场强仪读数( d b “v m ) 1 )场强平均值 第二章电磁环境监测9 2 ) e = 告杰日 ( v m )式( 2 - 2 ) e 第i 次对某点的场强测量值( 针对某点的场强均值) 或第 i 个地点的场强测量值( 针对某区域的场强均值) 综合场强值 e = 去i 式， e ，第i 个频率对应的场强值 2 2 4 报表生成 根据统计计算结果，按照报表格式要求，制作相应的报表。 2 2 5 测量总结 以上步骤基本就是对电磁环境调查的流程，但在过去的测量中它们是离散的， 是需要手工一步步来完成的，从测量、数据的提取、计算到报表的生成，是分成 了若干个环节来完成整个调查的，而这些个步骤完全可以用计算机软件把它们串 连在一起来实现，这就是我们本文提出的电磁环境辐射的监测自动化。 第三章监测自动化的实现 第三章监测自动化的实现方法 3 1 实现原理 通过测试接收机和电磁辐射分析仪采集电磁环境数据，并与g p s 全球定位 系统以及m 印x 电子地图相结合，进而能对某地区或某区域的电磁辐射进行监测 和准确的数据统计及最后的报表自动生成。从而可以让用户更好的控制电磁辐射 对人们的健康危害，以达到保护公众健康的目的。实现原理如下图所示： 3 2 1 设备驱动 图3 1 实现原理图 3 2 设备数据的采集 设备驱动程序用来实现与设备通信、 程序以动态库形式被设备服务程序调用， 设备驱动主要包括如下几个模块： 1 ) 通信模块 通信模块负责处理与设备通信， 包和解包。 执行设备功能、采集设备数据等，驱动 完成驱动程序功能。 包括数据的发送、数据接收、数据打 2 电磁环境辐射的监钡4 管理自动化 2 ) 参数处理模块 参数解析模块负责处理接收到的上位层的命令和数据，转成设备可执 行的命令。同时把设备发往上位层的数据转成规定的格式给上位层。此模块 是驱动动态库与上位层的唯一接口，改动与上位层协议只需改动该模块，保 证其它模块独立性。 3 ) 数据提交模块 数据提交模块是由设备服务传递一个对象指针，该指针指到一个方法， 该方法由设备服务实现。驱动程序只需调用该方法。图3 2 指出了驱动动态 库的工作流程。 3 2 2 测量数据处理 图3 2 驱动动态库工作流程图 采集到的测量数据同步存储到数据库，并同时将测量数据实时传递给客户端 以供输出显示( 通过t c p 协议传输) 。 第三章监测自动化的实现 3 3 测量数据的实时图形化显示 3 3 1 数据传输显示的方法 在基于s o c k e t 通信的c s 模式下，客户端远程控制服务端设备，通过串口向 服务端发送操作命令，服务端根据测量命令进行相应操作，将测量结果数据传给 客户端，客户端将数据处理后以图形方式实时显示在用户操作界面上。这里采用 多线程技术实现数据接收与图形显示的并发进行。如下是实现方法图： 3 3 2 数据接收 图3 3 实时图形显示的实现方法图 基于c s 稹式，通过串口s o c k e t 通信实现客户端从服务端获取结果数据。客 户端向服务端发送操作命令，服务端接收到命令进行相应功能测量，将测量结果 数据发送给客户端，两者分别对应不同的线程，并发工作。在服务端和客户端的 数据传送过程中，采用t c p 协议，建立两者间的连接，个接一个的数据包可以 不间断的传输，t c p 的误差检测、应答和重发机制保证了消息的正确顺序和可靠 的传输。t c p 还负责处理乱序段、重复段以及流控。在通信双方各自解析对方发 h 皇堡至堡塑堑笪些型笪鍪塞垫垡 _ _ - - _ _ _ _ 一一 送的数据包时，要基于双方间的约定协议，该协议由用户自己设计定义，这样才 能实现服务端命令和客户端数据的正确接收。 3 3 3 图形的实时显示 如果数据是现成的，则显示图形是相对容易的，但现在数据是从服务端不断 接收过来的，这就要求数据接收和数据图形显示保持一致且图形显示要实时显示 测量结果。这里单独提供一个线程( 工作者线程) ，存在于客户端，负责接收从服 务端传送过来的数据，然后再传给绘图线程( 也就是界面主线程) ，绘图线程保持 有一个独立的数据结构数组，用来保存最新的数据，当每从服务端过来一整包数 据，就对这个数组进行更新，同时也就在图形界面上得到及时更新，使得结果数 据能够及时通过图形界面直观形象的反映出来i l 。 下面分为服务端和客户端两部分详细介绍实现过程。 1 ) 服务端 首先是要和设备交互。通过设备驱动操作设备，向设备发送由客户端下达的 命令，另一方面，接收由设备返回的测量数据。这部分是根据设备提供的操作接 口来实现。 其次，就是同客户端的交互。客户端和服务端间的通讯使用了用户自定义的 协议，双方按照协议发送和接收数据。从客户端接收来的命令需要经过解析然后 下发给设备，从设备传回的测量数据也要经过打包才传送给客户端。 这里服务端的行为使用了一个工作者线程来实现，其一直处于等待接收客户 端发送操作命令和等待接收设备返回数据的状态，一旦收到信息即做出响应，将 相应信息做出处理发往客户端或设备。 2 ) 客户端 客户端由一个后台工作者线程和一个界面主线程组成。工作者线程的主要 任务是对接收来的数据进行处理交给界面主线程，以及接收界面下达的命令经过 处理按照协议格式发送给服务端。对于界面主线程，它主要负责界面的显示以及 人机交互，最后还要和工作者线程交互。 每次工作者线程收到数据包就将数据对象更新，并发送消息请求屏幕重画， 界面主线程响应消息，重画更新区域，即实现了测量信息的实时显示。 工作者线程和界面主线程之间使用了共享数组来进行测量数据的传递，在两 端的实现中，都加了锁同步机制，以保证数据的一致性，避免了数据访问冲突。 在工作者线程中，共享数组是被赋值，也是接收从设备服务端测量得到的最新数 据，是一个写操作的过程。在界面主线程中，共享数组则主要是一个读的过程， 主要用来显示用，但在显示之前也要进行加工，需要根据显示屏幕的大小将该数 第三章监测自动化的实现 组数据进行转化，这样才能更方便的使用和显示。比如，若是一次接收一屏数据， 那当接收数据点的个数大于屏幕的宽度所包含的像素点个数时。那就要对数组进 行压缩，反之，则要拓展。数据的值反映在屏幕上就得以屏幕的高度为单位做相 应的转换。 在画瀑布图时，需要对每个点进行着色，而这样如果在像素点特别多的情况 下，将会占去大量的c p u 时间。也就会导致屏幕的显示不流畅。瀑布图其实是对 一段时间的测量结果的一个图例显示，每次其实只是对最新的进行更新，然后挤 掉最旧的数据显示，其中图形的大部分根本没变，只需要改变一下位置，所以使 用了d c ( 设备环境上下文) 的减切和粘贴技术，这样就只在需要整个重画时才 一一着色，大大节省了c p u 的使用，提高了显示效率【l ”。 3 4 1 数据统计 3 4 测量结果统计分析 统计数据功能主要用于在仪器测量后对测量数据进行统计分析，从而能够让 用户对某一区域的电磁辐射分布情况有清晰的了解。用户可以通过在地图上选择 一区域、设置时间范围以及设置测量功能类型得到统计结果。 数据统计主要通过下面两个方面来实现，这两点均可以通过软件很客易的来 实现完成。 1 ) 数据库中提取数据 测量的数据都保存在数据库里，进行统计的时候，只要按照一定的界定 条件从数据库中查询提取即可。 2 ) 按照行业规则进行计算统计 进行数据统计分析时，都有相关的计算公式与之对应，按照这些计算规 则对数据进行计算处理，得出最后的统计结果数据。这些计算方法用计算机 软件可以很容易的实现。 3 4 2 报表生成 统计的结果最终要生成统计报表，这是环境监测部门工作的需要。不同的报 表有不同的模板，只要我们根据需要的报表设计出相应的模板，在生成报表时只 需要将统计结果一一按照模板要求填入其中即可。这个用软件来实现完成并不困 难，若是借助成熟的报表工具则更容易。 第四章监测自动化实例 第四章监测自动化的设计与实现 4 1 系统简介 本系统是为某地市环境监测中心开发的电磁环境辐射监测车项目，使用了文 中前面提出的思想和方法，实现了电磁环境监测的自动化。将监测设备和计算机 软件结合在一起，又放置于可以灵活移动的车辆上使用。 4 2 系统开发环境 4 2 1 硬件环境 台式机，c p up 42 g 以上，r 枷5 1 2 m 以上，硬盘8 0 g 以上 4 2 2 软件环境 操作系统：w i n d o w s2 0 0 0 + s p 4 开发工具：v i s u a ls t u d i o n e t 2 0 0 3 后台数据库：s q ls e r v e r2 0 0 0 地图环境：m a p xv 5 0 2 报表工具：c r y s t a lr e p o r t s9 2 4 3 系统集成方案 4 3 1 配置清单 表4 1 项目配置清单 e s p i 9 k h z 一3 g h z 测试接收机 e s p i b 2 e s p i 预选器 r x e s p i s p q e s p i 机架安装适配器 2 、天馈线系统 z n 3 0 9 0 0 a 1 0 k h z 一3 0 姗z 测试天线 h e 5 0 0 2 0 妞z 一3 g h z 测试天线 i n 5 0 0 脏5 0 0 供电电源 r x z n 3 0 9 0 0 a 天线安装适配器 1 8 电磁环境辐射的监测管理自动化 r x h e 5 0 0 r x a s 4 0 1 天线安装适配器 天线矩阵 r x j c r f c a b监测电缆集( 1 0 米) l 5 、集成软件系统 阶惭 嚣筹盖孝慧器票筹紫：篇袋美芏裂 r x g p s g p s 全球定位系统l r x e s p i e s p i 设备驱动软件 1 r x e m r 3 0 0 e m r 3 0 0 设备驱动软件 1 r x m a p 电子地图1 r x 一凇p c t r l 地理信息与电磁兼容软件1 r x j c 监测系统软件1 r x r a c k m 系统机柜1 r x j z减震器1 8 2 3 5 7 a g p i b 转u s b 连线1 串口卡 1 拖四多串口卡1 h po f f i c e j e t 2 4 1 0 传真打印一体机 1 r x c a r f a r e 车辆改造费1 r x p l a t e 车顶平台1 东风起亚 起亚佳华1 c g 6 6 0 0 一个车载电话及2 个中国移动电话卡1 4 3 2 主设备简介 4 3 2 1e s p i 测试接收机 第四章监测自动化实例 图4 1e s p i 测试接受机 e s p i 是一款专业的测试接收机，可在测试的情况下尽可能快且准确的执行e m i 诊断测量并记录结果。具体主要有频点测量、频段扫描和频谱分析几大功能，其 中在频点测量对可同时支持3 种检波方式测量【1 2 l 。 4 - 3 2 2e m r 3 0 0 电磁辐射分析仪 图4 2 酬r 3 0 0 电磁辐射分析仪 可测量电场、磁场和功率，多种探头对应不同频率的测试工作。 应用范围：各种远场、近场电磁辐射测量1 1 3 】。 4 3 2 - 3 测量天线 电磁环境辐射的监测管理自动化 在1 5 0 i ( h z 一2 0 删z 频率范围内，从车载天线的角度考虑，采用了北京无线电二 厂生产的z n 3 0 9 0 0 a 监测天线。 在2 0 m h z 3 0 0 0 m h z 频率范围内，采用了德国王v s 公司生产的h e 5 0 0 ，该款 天线适用于车辆上。h e 5 0 0 由两部分组成，频率范围从2 0 m h z 1 0 0 0 m h z 和 1 0 0 0 m h z 一3 0 0 0 m h z ，这两部分是通过双工器连接在一起的。h e 5 0 0 是依靠r f 同 轴电缆传输信号的。 4 3 2 4 天线矩阵 天线分配器是监测系统的天线切换分配部分，实现多副天线之间的切换选择， 可以实现本地操作和通过r s 2 3 2 接口实现远程遥控操作。r x a s 4 0 l 型多功能天线 矩阵，4 入l 出，插入损耗低，频率范围宽。既可以手动操作，也可以遥控操作。 4 4 1 外部接口简介 4 _ 4 1 1 设备接口 4 4 需求分析 1 ) 电磁辐射分析仪e m r 3 0 0 接口 电场测量 2 ) 测试接收机e s p i 接口 频率的测量 频段测量( 频段扫描) 频谱分析 4 4 - 1 2 用户接口 1 ) 电磁辐射干扰分析 2 ) 环境电磁辐射调查 4 4 1 3 数据库接口 采用o d b c 接口。 4 4 2 软件功能 软件是集监测、测量、预测、统计于一体的系统，完成对监测测量工作的 自动化，统计工作的快捷化，节省工作人员时间，提高工作效率。 第四章监测自动化实例2 4 4 3 用户特征 1 ) 普通用户：能操作电脑，熟悉操作软件的人员。 2 ) 高级用户：能操作电脑，熟悉无线电相关知识，了解频谱仪、场强仪等仪器 功能。 3 ) 环保行业用户：即对环保电磁环境辐射标准法律法规有一定了解的人员。 4 4 4 具体需求 本系统通过e s p i 测试接收机和e m r 3 0 0 电磁辐射分析仪采集电磁环境数据， 通过对数据进行存储、分析和结果输出( 显示和打印) 。 1 ) 功能架构图 图4 3 功能架构图 2 ) 电磁干扰分析 大功率电机t 变压器以及输电线等附近的电磁场，它并不以电磁波形式向外 辐射，但在近场区会产生严重电磁干扰。 电磁环境辐射的监测管理自动化 对此类主要以5 0 0 k v 高压送变电线路为主，把送电走廊两侧3 0 m 带状区域、 变电所址为中心的半径5 0 0 m 范围内区域作为工频电场、磁场的评价范围； 以送电走廊两侧2 0 0 0 m 带状区域、变电所围墙外2 0 m 或最近带电架构投影 2 0 0 0 m 内区域为无线电干扰评价范围。干扰监测频率为o 1 5 到3 0 m h z 。带宽 9 k h z 【1 4 】。 预测评价 利用送变电工程的建设规模、电压等级、容量、价线形式及使用条件的其他 已运行送电线路、变电所相关调查资料，以类比、理论计算为主，对架设送电线 路、变电站的电磁环境影响作出预测。 主要是应用安培定率和麦克斯韦方程对高压线路的一些参数进行计算，分析 周围的电磁场分布情况，预测结果可以以表格或图形方式显示。 详细计算方式参见5 0 0 k v 超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规 范h j ，r 1 0 3 9 6 附录a 、b 、c 。 监测 对已运行的送电线路、变电所进行电磁辐射强度和分布的实际测量。根据测 量要求，软件可以分为常规监测和自动监测。 a ) 常规监测 常规监测就是根据测量设备功能，将其功能在软件中体现出来。常规监测 比较灵活，与监测人员互动性强，但操作步骤多，对监测人员要求也高一些， 适合高级用户使用。 b ) 自动监测 即常规监测的自动化，系统定义好常用业务测量流程，用户只要定义执行 时间，由系统自动测量，测量中间用户可以终止操作，但不能修改测量参数。 适合普通用户和高级用户使用，缺点是不够灵活。 c ) 数据处理 测量结果自动生成，一目了然。以电子表格格或绘图方式呈现。简单的辅 助性统计特性，如最小值、最大值、平均值、或中值的大小以及出现位置范围， 亦可增加测量结果的价值。 测量报告项目除以上所述之外，需再详实记录量测电磁场当时目期时间、 测量仪器型号、测量人员及单位等。 3 ) 电磁环境调查 预测 发射设计可能会影响环境，传统上，政府仅有的规定都是关于影响其他电子 设备方面的，一台电子设备不能发出超过一定数量的无线电频率能量，以避免干 扰其它电子设备的无线电通讯或工作。 第四章监测自动化实例 但在环保工作中，电子设备发出的无线电频率能量，不能对环境中的人员有 影响，因此，在建立一个发射台时，根据相关标准，需对其的e m f 值进行分析预 测，看其对周围的居民是否有影响，然后根据预测结果再按相关的法律法规进行 处理。是否对环境的动植物影响，目前还没有相应规定，但将来也许可能。 用户要求在地图上有一个半透明的网格层覆盖地图，可根据电磁发射源信息 对各网格场强值给以预测，给出预测值，与其后的实测值做比较。对于网格的预 测与测量，可考虑作为一项功能来实现，而没必要把网格一直显示在地图上。 e m f 分析要求提供自由空间模式和与其比较的一种非自由空间模式，自由空 间模式针对与大范围的电磁环境进行预测，非自由空间模式主要针对某个发射源 ( 基站) 进行预测。 实测 电磁环境调查是对一定区域范围进行电磁环境的调查测量，具体如下： a ) 对单个辐射源的测量 按照辐射源间隔4 5 度的八个方位为测量线，每条测量线上选取距场源分 别3 0 、5 0 、1 0 0 m 等不同距离定点测量，测量范围根据实际情况确定【5 】o 按照 测量布点对各点的场强值进行测量，最后计算统计给出综合场强结果。 b ) 大范围( 方格) 测量 根据城市地图将全区划分为l l 枷2 或2 2 概2 小方格( 可让用户自己 设定) ，取方格中心为测量位置( 也可考虑取接近中心的几个点测量，最后求 均值) 【5 】o 通过g p s ，获得经纬度，再跟地图上方格进行比较，自动判断在哪个方格 中，对每个方格进行自动测量，测量1 0 次( 次数可以定义) ，记录每个方格测 量结果( 最大值、最小值、平均值、均方值和频谱图) 。并用不同颜色在方格 上表示。 测量过后，用户可以通过点击地图上方格( 或者其他方法) ，可以获得该 方格测量的结果( 最大值、最小值、平均值、均方值、频谱图、测量次数、 描述信息等) 。 c ) 车轨迹测量 在监测车移动过程中，对车轨迹路线上的点进行实时场强值测量。 d ) 随机测量 对随意的某点( 根据经纬度标识) 进行场强值测量。 测量绘图 a ) 频谱图 对某个网格的区域进行频谱分析，画出频谱图。其中可有频率一场强，时 间一场强，时间一频率，测量位一总场强值等各对应曲线图。 电磁环境辐射的监测管理自动化 b ) 等场强值线图 以辐射源为中心，标注等场强值线图。 e r d b u v ，m ) 旅瓢。 遴 次6 0 0 图4 4 等场强值线图 ( m ) c ) 某区域的综合场强分布图1 5 】 对某区域的综合场强测量结果做以统计，并给出图示。如下图： o o - o2o o o q 。o 6o e 。o bo 暑1 olo _ l212 一 _1q 1 6 1 铲1 a 葩囝( r ) 图4 5 区域i _ i ! | 综合场强分布图 d ) 区域环境污染图【1 5 l 根据测量的场强值，对网格上的各个网格进行着色，以形象显示各部分的 场强情况。 功 加 0 摄，t饕 第四章监测自动化实例 图4 6 城区电磁环境图( 不同颜色表示不同场强值) e ) 车轨迹图 在监测车行进过程中，实时测量车位罱的场强，计算后在画车轨迹的 同时给以相应的着色以标识该处的场强。 f ) 统计表格 将地图中的网格通过大写字母( x 轴) 和数字( y 轴) 来标识【1 5 】。 表4 1 调查区域内的综合电磁场强度测撼结果 阿甄阿砸曩阿 匪= 眄一 阻i o 2| 0 2 - 02 二二“ = 。_ = _ = = _ _ _ = = 一= = _ = = 一 忙；i o 3| 02 - 0 4 = = = = = 二= = = = = = ：= ；= ：= = = = = 二= = = o 忙+ l oi o 二。一 _ = _ = 未 l o 4缸3 - 0 _ z 一 ：= = = ；= = = _ = 一 岫i o2i o 2 一o 3 卜一卜= _ - ：2 = = _ = 阳l o 5扭4 一o 5 。- - - - 一 ；_ _ _ = = 。- 一- - = = = 一i 。= 一 p 0 2 l o2 - 0 3 ；_ = = ：。_ = _ 二= 一卜o o o o = 一 o o 一 l o 3 l o2 o4 t， 峥j o 3 l o 3 _ o4 _ _ = = = o 。- 。_ _ _ _ 2 _ _ _ _ u _ h _ = _ _ _ = 一 4 ) 数据库 采用m i c r o s o f t 的s q ls e r v e r2 0 0 0 。 5 ) 日志记录功能 日志记录用来记录系统实时运行时的工作状态、工作记录等信息，提供维 护人员了解程序运行的情况，在出现问题时供维护人员