一种分布式电磁场检测方法及装置与流程

1.本发明涉及电磁技术领域，尤其是涉及分布式电磁场检测方法及装置。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，越来越多的电磁辐射设施进入了人类生活和生产的各个领域，如：通讯基站、高压输变电站、各类电子设备等。使得日常环境的电磁污染变得越发严重，对设备的正常运行和人们的生命健康带来潜在风险。电磁场看不见摸不着、不易察觉，亟需专业的设备和技术方法实现重点区域的电磁污染情况的实时监测和预警。此外，新能源汽车、大型客机、高铁列车及自动化生产线等复杂电气设备系统由众多有源电子电气设备和线缆构成，并与使用者密切接触，因此，对其近场电磁场分布的检测分析，能够进一步发现系统内部主要干扰源，促进设备各部件间的电磁兼容可靠性提升，以及基于设备近场场强检测结果，实现对设备系统使用人员的电磁辐射安全性分析评估。
3.目前可以用于上述场景的分布式电磁场检测系统技术方案还不完善，主要缺点在于，1.设置固定的检测基站，预先确定检测基站的位置信息，无法动态定位，缺少灵活性；2.检测节点结构复杂，不能实现充分的小型化、便携化和低功耗。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种检测节点动态自动定位，安装更加灵活便捷，不需要其他工具对节点进行位置标定的分布式电磁场检测方法。
5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之二在于提供一种检测节点动态自动定位，安装更加灵活便捷，不需要其他工具对节点进行位置标定的分布式电磁场检测装置。
6.本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
7.一种分布式电磁场检测方法，包括以下步骤：
8.s1:在检测环境或待检设备上安装多个场强检测节点；
9.s2:布置好定位辅助机构并在定位辅助机构上安装定标节点，定义参考坐标系；
10.s3:集中控制单元录入定标节点位置坐标信息和所有场强检测节点标识信息；
11.s4:集中控制单元发送同步时间信息，确保所有场强检测节点和集中控制单元的时间同步；
12.s5:集中控制单元发送启动定位指令，所有节点完成定位后将位置信息反馈给集中控制单元；
13.s6:集中控制单元构建出检测节点构成的传感器网络的空间位置结构模型；
14.s7:集中控制单元发送检测电磁场强的频段和分辨率信息，对检测节点的检测参数进行初始化；
15.s8:检测节点将检测场强信息通过定标节点传输给集中控制单元；
16.s9:集中控制单元将场强信息、时间信息和节点位置信息对应，得到被检测区域的场强分布情况。
17.进一步地，在步骤s1中，多个场强检测节点之间存在间距，并且单个节点不能被完全遮挡。
18.进一步地，在步骤s2中，将定标辅助机构展开成正方形，并放置在检测节点构成的传感器网络附近，使定标辅助机构的顶点与较多检测节点的连线无遮挡。
19.进一步地，在步骤s2中，在正方形顶点安装传感器网络定标节点装置，以其中一个定标节点为坐标原点，经过坐标原点的正方形棱边为x轴和y轴，并以垂直于辅助定标装置的方向为z轴，构建笛卡尔坐标系，该坐标系用于确定检测节点的位置信息，坐标系确定后，定标辅助机构上的定标节点的位置坐标即可确定。
20.进一步地，在步骤s5中，所有节点完成定位后将位置信息反馈给集中控制单元具体为:定标节点收到位置请求指令后向相应检测节点反馈位置信息，并启动基于dtoa技术的测距过程，获得检测节点和定标节点的距离信息，当待定位节点获得3个以上定标节点的距离信息和位置信息，通过最大似然估计获得在系统定义坐标系下的位置坐标，获得位置坐标的检测节点可以应答其他节点的位置请求信息，以此递推完成所有检测节点的位置坐标的确定，检测节点定位完成后将位置信息反馈给集中控制单元。
21.本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
22.一种分布式电磁场检测装置，用以实施上述任意一种分布式电磁场检测方法，所述分布式电磁场检测装置包括若干场强检测节点、定标节点、定位辅助机构以及集中控制单元，若干所述场强检测节点安装在检测环境或待检设备上以实现节点位置信息的检测定位，所述定标节点安装于所述定位辅助机构以获得特定坐标系下场强检测节点的精确位置信息，所述集中控制单元接收各场强检测节点的检测数据和定位信息并构建出不同频点的电磁场场强空间分布模型。
23.进一步地，每一所述场强检测节点包括天线组、射频采样模块、微型控制模块以及uwb通信定位模块，所述天线组接收空间中的射频信号并传输给所述射频采样模块，所述射频采样模块按特定采样率和中频带宽采集特定频段的射频信号并传输给所述微型控制模块，所述微型控制模块对射频采样数据进行计算分析得到相应频点的射频强度信息，并将射频强度信息传输给uwb通信定位模块。
24.进一步地，所述定标节点包括uwb通信定位模块，所述uwb通信定位模块获得定标节点的位置信息，从而进一步推算出场强检测节点在相同坐标系下的位置信息。
25.进一步地，所述集中控制单元包括uwb通信模块以及计算分析模块，所述uwb通信模块能够向所述场强检测节点以及所述定标节点发送指令或初始化信息，接收各检测节点的检测数据和定位信息，所述计算分析模块根据节点的定位信息和电磁场强的检测结果进行计算分析，构建出不同频点的电磁场场强空间分布模型。
26.进一步地，所述定位辅助机构包括四个连杆以及一定位杆，四个所述连杆长度相等并且首尾相接形成可折叠结构，所述定位杆两端安装于两相邻的所述连杆，使四个所述连杆定位并形成正方形结构，所述定标节点安装于正方形定点。
27.相比现有技术，本发明分布式电磁场检测方法能够实现检测节点的动态自动定位，对场强检测节点的安装更加灵活便捷，不需要其他工具对节点进行位置标定；本发明基于集成化的采样和通信定位芯片，实现了节点装置小型化、低功耗；本发明设计了便携的节点位置定标装置和机构，能够在没有位置基准的环境下，便捷地构建基于以定标节点确立
的空间参考坐标系，实现检测节点在该坐标系下的精准定位。
附图说明
28.图1为本发明分布式电磁场检测方法的流程图；
29.图2为本发明分布式电磁场检测装置的场强检测节点示意图；
30.图3为本发明分布式电磁场检测装置的定标节点示意图；
31.图4为本发明分布式电磁场检测装置的集中控制单元示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
34.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
35.图1为本发明分布式电磁场检测方法的流程图，分布式电磁场检测方法包括以下步骤：
36.s1:在检测环境或待检设备上安装多个场强检测节点；
37.s2:布置好定位辅助机构并在定位辅助机构上安装定标节点，定义参考坐标系；
38.s3:集中控制单元录入定标节点位置坐标信息和所有场强检测节点标识信息；
39.s4:集中控制单元发送同步时间信息，确保所有场强检测节点和集中控制单元的时间同步；
40.s5:集中控制单元发送启动定位指令，所有节点完成定位后将位置信息反馈给集中控制单元；
41.s6:集中控制单元构建出检测节点构成的传感器网络的空间位置结构模型；
42.s7:集中控制单元发送检测电磁场强的频段和分辨率信息，对检测节点的检测参数进行初始化；
43.s8:检测节点将检测场强信息通过定标节点传输给集中控制单元；
44.s9:集中控制单元将场强信息、时间信息和节点位置信息对应，得到被检测区域的场强分布情况。
45.具体的，在步骤s1中，场强检测节点的数量为数十到数百，多个场强检测节点之间
存在间距，并且单个节点不能被完全遮挡。在步骤s2中，将定标辅助机构展开成正方形，并放置在检测节点构成的传感器网络附近，使定标辅助机构的顶点与较多检测节点的连线无遮挡。在步骤s2中，在正方形顶点安装传感器网络定标节点装置，以其中一个定标节点为坐标原点，经过坐标原点的正方形棱边为x轴和y轴，并以垂直于辅助定标装置的方向为z轴，构建笛卡尔坐标系，该坐标系用于确定检测节点的位置信息，坐标系确定后，定标辅助机构上的定标节点的位置坐标即可确定。在步骤s5中，所有节点完成定位后将位置信息反馈给集中控制单元具体为:定标节点收到位置请求指令后向相应检测节点反馈位置信息，并启动基于dtoa技术的测距过程，获得检测节点和定标节点的距离信息，当待定位节点获得3个以上定标节点的距离信息和位置信息，通过最大似然估计获得在系统定义坐标系下的位置坐标，获得位置坐标的检测节点可以应答其他节点的位置请求信息，以此递推完成所有检测节点的位置坐标的确定，检测节点定位完成后将位置信息反馈给集中控制单元。
46.本发明还涉及分布式电磁场检测装置，分布式电磁场检测装置包括若干场强检测节点、定标节点、定位辅助机构以及集中控制单元。
47.请继续参阅图2，每一场强检测节点包括天线组、射频采样模块、微型控制模块、uwb通信定位模块和电源模块。天线组为小型天线组，天线组用于接收空间中的射频信号并传输给射频采样模块中相应的射频输入端口。射频采样模块可根据微型控制模块的控制指令，按特定采样率和中频带宽采集特定频段的射频信号，将射频信号转换为特定通信协议格式的数字信号传输给微型控制模块。微型控制模块对射频采样数据进行计算分析得到相应频点的射频强度信息，并将相应数据通过usb3.0等高速通信接口传输给uwb通信定位模块。uwb通信定位模块通过与集中控制单元的uwb无线通信，实现射频场强信息传输。uwb通信定位模块同时接收集中控制单元的控制指令，并将相关信息传送给微信控制器进行分析处理。单个场强检测节点装置的uwb通信定位模块还可以通过与其他已知位置信息的场强检测节点装置的uwb通信定位模块或传感器网络定标节点装置进行通讯，实现节点位置信息的检测定位。电源模块由锂电池组、充电电路和电压转化电路组成，为整个节点装置提供长时间电能供给。
48.请继续参阅图3，定标节点相对于场强检测节点，去除了天线组、射频采样模块、微型控制模块，仅保留uwb通信定位模块和电源模块。从而进一步实现定标节点的小型化和低功耗。传感器网络定标节点被安装在定标辅助机构上，从而获得特定坐标系下的精确位置信息。通过uwb技术检测节点获得相对于定标节点的位置信息，从而进一步推算出检测节点在相同坐标系下的位置信息。
49.定标辅助机构，由四根长度相等、首尾相接的连杆组成，可以折叠收起。使用时，可以展开成正方形，两连杆的夹角通过跨接在两连杆上、特定长度的短杆确定，将短杆两端的插针插入连杆的安装孔，即可实现将两杆展开成正方形。定标节点安装在正方形的顶点上。通常安装3-4个定标节点装置。以其中一个定标节点为原点，以辅助机构的正方形棱边为定位坐标系的x和y轴，z轴垂直于正方形平面向上，构建相应的笛卡尔坐标系。从而辅助机构其他顶点安装的定标节点的位置坐标可以确定下来。
50.请继续参阅图4，集中控制单元由uwb通信模块、数据存储模块、计算分析模块、远程通信模块和显示模块组成。uwb通信模块能够与检测节点和定标节点进行短距离无线通讯，向相关节点发送指令或初始化信息，接收各检测节点的检测数据和定位信息。数据存储
模块存储各节点上传的检测数据等信息。计算分析模块用于控制节点工作状态，并根据节点的定位信息和电磁场强的检测结果进行计算分析，构建出不同频点的电磁场场强空间分布模型。远程通信模块可以实现集中控制单元的远程通讯和管理。
51.使用分布式电磁场检测装置时，将多个场强检测节点装置安装在待检测的环境或设备中，只需合理安排节点间距并保证单个节点不会被完全遮挡即可。将定标辅助机构展开成正方形，并放置在检测节点构成的传感器网络附近合适的位置，使其顶点与较多检测节点的连线无遮挡。定标辅助装置一般放置在地面上。在正方形顶点安装传感器网络定标节点装置，以其中一个定标节点为坐标原点，经过坐标原点的正方形棱边为x轴和y轴，并以垂直于辅助定标装置的方向为z轴，构建笛卡尔坐标系。该坐标系用于确定检测节点的位置信息。坐标系确定后，定标辅助机构上的定标节点的位置坐标即可确定。集中控制单元放置在定标节点旁边临近位置。首先在集中控制单元中录入使用的定标节点和检测节点装置的编号，并录入在自定义笛卡尔坐标系下的相应定标节点的位置信息。这样系统中就有3-4个节点的位置信息已知。集中控制单元发送时间同步信息给各节点，保证系统中的节点和集中控制单元的时间同步，为场强检测和强度分布重构提供统一的时间尺度。集中控制单元发送启动定位指令。检测节点广播位置信息请求指令，定标节点收到位置请求指令后向相应检测节点反馈位置信息，并启动基于dtoa技术的测距过程，获得检测节点和定标节点的距离信息。当待定位节点获得3个以上定标节点的距离信息和位置信息，可以通过最大似然估计获得在系统定义坐标系下的位置坐标。获得位置坐标的检测节点可以应答其他节点的位置请求信息。以此递推完成所有检测节点的位置坐标的确定。检测节点定位完成后将位置信息反馈给集中控制单元。集中控制单元根据节点的位置坐标能够构建出传感器网络的空间结构。所有节点定位完成后，集中控制单元向检测节点发送需要检测的射频场强范围，对检测节点进行初始化设置，启动检测节点的检测功能。检测节点将检测的数据即检测时间戳信息实时传递给集中控制单元。集中控制单元将场强检测数据和位置信息关联起来，从而获得特定频率范围的射频场强的空间分布情况。
52.本技术通过安装在被监测环境或设备上的数量不等的场强检测节点构成电磁场监测网络。通过各节点测得的场强信息描述监测网络覆盖范围的干扰电磁场场强分布情况。定标节点和定标辅助机构共同构成监测网络检测节点定位的位置基准。通过uwb定位技术和tdoa定位算法，获得各节点相对于定标辅助机构上传感器网络定标节点装置的相对位置信息，实现各检测检点空间位置信息的标定，构建出监测网络的空间结构。集中控制单元用于管理和控制场强检测节点装置和传感器网络定标节点装置，实现节点精准定位、检测节点的参数设置、节点与中控的通讯管理和场强信息的汇总、处理与远程传输等。
53.本发明通过基于集成化的射频采样芯片和低功耗uwb通讯定位模块，实现以低功耗、小型化电磁场强检测节点构成的，可以动态定位检测节点位置的分布式电磁场强检测网络，实现多种应用场景的灵活部署和快速检测。通过uwb技术实现网络内检测数据的高速传输和低干扰，实现宽屏带检测数据的实时传输，并最大限度减小通讯模块对环境场强检测的干扰。
54.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术
对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。