人体通信（精选四篇）
人体通信 篇1
人体通信IBC(Intra-body Communication)是一种新兴的短距离通信方式。它将人体本身作为信息传输媒质[6],较之常见的无线通信技术,具有功耗极低、无需天线设计、无频段限制、辐射小、传输距离仅限于人体等特点,是实现各种体表/体内传感器之间信息传输和组建体域网的一种新型、有效方法[4,5,6,7,8]。
电流耦合型人体通信由人体表面一对发送电极向人体注入安全交变电流,接收端电极在人体其他部位差分接收电压信号。由于信息传输完全依赖于人体,不受外部环境影响,电流耦合型人体通信较其他人体通信实现方式具有更好的适应性和稳定性,且兼具体表、体内通信功能,是人体通信技术新的发展方向[4,7]。
目前,关于电流耦合型人体通信的研究多数集中在人体电磁建模、数值仿真、信道特性分析等方面[4,7,8,9]。研制一套直接针对数字基带信号传输的电流耦合型人体通信的收发器,实现电流信号在人体的调制、解调和发送接收,对于前期研究结果有效性的验证及后续研制出适用于体域网的人体通信样机具有重要意义。在FPGA的平台上,采用直接频率合成DDS(Direct Digital Synthesis)技术实现数字基带信号的2CPFSK (2 Continuous Phase FSK,二进制连续相位移频键控)调制;辅以信号保持、调理等外围电路,实现信号在人体的可靠传输和接收;进而采用非相干解调和全数字锁相环的位同步方法实现码元可靠恢复。最终开展人体实验,验证
设计方案的可行性和正确性。
1 设计原则
所有人体组织都是非磁性的。只考虑其介电特性。由图1可见,人体组织介电特性随频率变化而变化[10]。电导率随频率增加而变大;相对介电常数随频率增加而减小。这种明显的
色散特性是导致人体信道特性复杂的最主要因素。鉴于此,首先,发送器的设计采用恒流信号输出,以满足人体安全电流限制规定[11],确保人体实验的安全性。其次,为避免因人体信道带宽有限带来的信号失真,采用频谱单一的正弦波形作为人体通信的载波信号。
此外,前期研究表明,电流耦合型人体通信中大部分电信号从肌肉组织中流过[1,7,9]。为提高通信可靠性和成功率,讨论肌肉组织准静态近似条件[4,12],使电信号主要以传导电流形式在人体传播,减小位移电流可能引起的不确定性。为此,文中所采用2CPFSK调制方法载波频率设为50 kHz和100 kHz,基本满足肌肉的准静态近似条件。
2 发送器设计
电流耦合型人体通信发送器由调制器、低通滤波器、信号保持电路构成,如图2所示。调制器采用DDS技术实现2CPFSK调制,将数字基带信号调制成相位连续信号,经D/A转换输出模拟正弦信号。由低通滤波器滤除高次谐波和杂散干扰后,再经信号保持电路得到适合于人体传输的正弦交变恒电流信号。
2.1 调制器设计
调制器采用2CPFSK调制方式,由调制控制端(数据缓冲器、码速控制器、移位寄存器和跳变检测器)和DDS模块构成,如图3所示。
数据缓冲器和移位寄存器用于保持同步和提高数据传输速率。码速控制器依据数据传输速率将工作时钟分频后作为移位寄存器的时钟。当数字基带信号存在“0”、“1”交替时,跳变检测器输出频率控制字及DDS模块中累加器的清零信号,保证码元边沿与正弦信号零相位对齐,确保相位连续[13]。
DDS模块由32位异步清零相位累加器、波形存储器和D/A转换器构成。在工作时钟下,相位累加器对跳变检测器输出的频率控制字进行相位累加,其输出数据作为波形存储器的输入地址,以提取相应的正弦值,完成相位向幅度的转变。然后,经过D/A转换器输出相应的正弦模拟信号的阶梯波。D/A转换由ADV7123数模转换芯片实现。
所用FPGA时钟频率为50 MHz,频率控制字位数n=32。DDS的频率分辨率Δf、输出频率fout可用下式计算:
其中,fclk为工作时钟频率,ΔFC为频率控制字。
依据式(1)、(2)得:DDS频率分辨率为0.011 6 Hz,50 kHz和100 kHz载波频率分别对应频率控制字4 294 967和8 589 934。
此外,由于DDS模块存在固有的相位截断误差、幅度量化误差、转换误差等干扰因素,必须在DDS模块输出端设计一个低通滤波器,去除信号的高频分量和杂散信号。
2.2 发送端信号保持电路
信号保持电路以电流反馈型放大器AD844为核心,如图4所示。AD844内部采用电流镜技术[14]。当正端加入电压信号时,输入电压原样送到反相输人端,并在电阻R0上产生电流。运算放大器次级产生与之相等的电流流过Rt‖Ct。由于Rt‖>>RL,当在Z点接入负载电阻RL,电流几乎全部流入RL。信号保持电路输出电流信号大小为Io=Vi/R0。调节R0,使I0=1 mA,满足人体安全电流阈值。
3 接收器设计
电流耦合型人体通信接收器采用非相干解调法,由信号调理电路、2CPFSK解调和位同步电路组成,如图
2所示。接收电极差分检测体表电位信号,信号调理电路进行放大、滤波、整形和电平转换,得到适于输入FP-GA的数字信号。基于FPGA设计的2CPFSK解调模块和位同步模块将脉冲信号恢复成原始基带信号。
3.1 前处理电路设计
前处理电路包括放大、滤波、限幅整形和电平转换。仪表放大器AD620差分放大检测信号,增益约为26dB。带通滤波电路中心频率设计为75 kHz,带宽70 kHz。
限幅整形电路包括迟滞比较器和整形电路。迟滞比较器对输入信号进行过零检测,转换为方波信号。由于迟滞比较具有一定抗干扰能力,但也使灵敏度降低,实验中需要折中考虑迟滞时间。整形电路采用高速施密特反相器,使信号边沿更加陡峭,便于进入FPGA后的频率检测。
电平转换电路使整形电路输出信号满足FPGA引脚的输入电平要求。
3.2 2CPFSK解调器设计
2CPFSK解调器包括2CPFSK信号译码、抽样判决和位同步三部分,由FPGA实现,如图2所示。
译码器通过检测方波信号的频率恢复出对应的数字基带信号“0”或“1”。在输入的矩形脉冲信号两个相邻上升沿之间对工作时钟脉冲进行计数。若计数结果与译码器预先设置的阈N0相差不超过预设的检测精度e,则信号频率为100 kHz,基带信号为“1”;若计数结果与译码器预先设置的阈值N1相差不超过e,则信号频率为50kHz,基带信号为“0”。其中,N0和N1由fclk/fout计算得到。
位同步电路采用微分整流型全数字锁相环[15],由本地时钟、微分整流器、数字鉴相器、数控振荡器、数字滤波器及分频器组成相位负反馈闭环电路,如图5所示。
工作时钟经二分频器后作为同步电路的本地时钟。数字微分器对接收码元微分整流,提取接收码元的相位信息。当环路失锁时,数字鉴相器比较码元信号和本地信号间的相位误差,产生计数方向控制信号。数字滤波器根据控制信号调整计数值。当计数值达到设置阈值时数字滤波器输出对应的加、减脉冲指令。当数控振荡器收到加脉冲指令,在本地时钟脉冲序列中插入一个脉冲;收到减脉冲指令则扣除一个脉冲。
N分频器对数控振荡器输出信号n分频。信号锁定所需最大时间为nTs(T为一个码元宽度)。当码元速率不高时,若要保证足够的锁相精度,由于n和T值较大,导致锁定时间延长。为此,设计中采用N和M两级分频方法,对N分频器的输出再进行M分频,减小输入到数字鉴相器中信号的初始相位差,进而减少调整次数,提高锁相速度,保证锁相精度。位同步信号输出频率Bit_out满足关系式:
重复上述过程,使接收码元与位同步信号相位差不断减少,最终达到同步。
抽样判决器依据工作时钟提取位同步信号的边沿,以此对数字基带信号抽样判决,实现原码元再生。
4 实验与结果
人体实验硬件平台采用Altera公司的CycloneⅡ器件,调试环境为QuartusⅡ,描述语言为Verilog HDL。为避免收发端共地,外围电路采用干电池供电;波形记录采用Agilent MSO7054A,以及差分探头套件(Agilent1141A和1142A)。
实验对象选取一名25岁年轻男性志愿者,实验部位为右上臂。电极采用上海励图医疗器材有限公司生产的理疗粘贴电极(型号:LT-1;尺寸:4 cm×4 cm)。发送电极与接收电极间距为10 cm。
4.1 发送器实验结果
依据前文设计方案,实验中发送器以5 kb/s速率发送一串数字基带信号的循环序列“0010111”,由2CPFSK调制器将数字信号调制成载波频率分别为50 kHz和100 kHz的正弦信号,如图6中通道1所示。图中两种频率信号波形完整且在频率切换时相位连续。
信号保持电路输出恒值电流信号。在人体与发送电极间串上100Ω的观察电阻(实测98.1Ω),电阻上电压波形如图6中通道2所示,均方根值为97.3 mV,与设计指标1mA近似,同时满足人体安全电流阈值要求[11]。
4.2 接收器实验结果
经过调制的电流信号经人体传输,在接收端采用一对电极差分采集体表耦合电压信号。图7中通道2为差分接收到的原始电压波形,其中夹杂毛刺,且高频分量较多。通道3为接收信号经过AD620差分放大后的波形。由于AD620增益的低通特性[16],高频噪声明显减小。信号进入带通滤波器后,输出波形光滑,无毛刺,如通道4所示。信号放大约26 dB,与设计值相符。原始信号经放大滤波后输入给整形电路。
从图7放大后的波形明显看出,接收端50 kHz和100 kHz两个频率的信号经过人体后幅值差别明显,反映出人体信道衰减特性随频率变化而变化。50 kHz频率的信号衰减小于100 kHz时的情况。
图8中通道1为放大滤波后的信号;通道2为限幅整形结果;通道3为码元恢复后的基带信号;通道4为位同步信号。最下方B1、B2是Agilent MSO7054A示波器内部嵌入式逻辑分析仪的数字总线输出端口。再生后的码元存到移位寄存器中。移位寄存器不断从低位移入,从高位移出,结果如B1、B2所示。码元显示为“00100111”,与发送的数字基带信号一致。
人体通信利用人体本身导电特性实现信号在人体范围内的传输,可以实现人体表面、内部、周围等可与人体接触的电子装置之间的数据传输和共享,是实现体域网物理层的一种新型、有效的通信方式。
在初步掌握人体信道特性的前提下,以FPGA为核心,设计了2CPFSK全数字调制解调器,辅以外围信号调理电路,实现了一套电流耦合型人体通信收发器。由于发送器采用DDS技术,保证发送信号在不同频率切换时的相位连续和波形完整。由于在接收器中设计了两级分频的全数字锁相环位同步电路,从而兼顾了接收信号的锁相精度和锁相时间。人体实验表明,在准静态近似条件下,收发器可以实现数字基带信号在人体内的可靠传输。
在今后的工作中,将对多种调制方式实现人体通信的优劣性进行比较,并探讨人体信道容量,选取适合于电流耦合型人体通信的最佳通信方式。
摘要：针对电流耦合型人体通信的特点,以FPGA为平台,分别设计出基于DDS的2CPFSK调制器、全数字锁相环位同步电路和信号解调器。此外,外围电路实现了发送端低通滤波、信号保持和接收端前处理等功能。最后对电流耦合型人体通信收发器的进行人体实验。实验结果表明收发器满足设计要求,可以实现数字基带信号在人体内的传输。
移动通信基站电磁辐射与人体健康 篇2
现代人们都生活在电磁波环境之中。如电闪雷击、太阳黑子活动、大气、宇宙等都产生电磁波，这是来自自然的电磁波现象；而人为的电磁波主要来源于无线电发射设备、工业设备和医疗设备，如无线电台、手持移动电话、氦弧焊机、交流高压输电线、汽车点火器、荧光灯、微波炉、电动机、电视机、计算机等等都会产生电磁波。实际上，在地球上的任何地方，无论白天还是黑夜，都存在着各种频率、强度不
一、看不见、摸不着又闻不到的电磁波。
一、无线电波与电磁辐射
电磁波向空中发射或泄漏的现象叫电磁辐射，过量的电磁辐射就造成了电磁污染。目前电磁辐射的来源主要来自以下几个方面：
* 高频感应加热方面：使用频率多为300kHz～3MHz。
* 高频介质加热方面：使用频率为10～30MHz。
* 微波方面：主要用于雷达导航、探测、通信、电视及核物理科学研究等，频率一般在3～300GHz之间。
* 生活方面：如各种家用电器：电视机、电冰箱、微波炉、家用电脑、电吹风、电热毯、护眼灯等。
* 信号发射设备：如电视信号塔、移动通信基站、寻呼台基站和电气化铁路、高压输电线等。
信息产业部无线电管理局根据无线电业务划分规定，对不同频段的无线电频率波道配置进行了相应的规划，以便对各种无线电台（站）设置请求进行频率指配。各类无线电发射设备和电磁辐射装置必须符合国家相关技术指标要求。任何电磁辐射设备的设置使用，同时还必须符合电磁辐射防护规定的国家标准，达到公众和职业照射标准的要求，使电磁辐射对人体的影响减到最小。
根椐《中华人民共和国无线电频率划分规定》，广播使用的主要是中波和短波，而毫米波、厘米波和分米波又统称微波，GSM使用的是890～954MHz，3G使用的是1920～2170MHz，都属于微波中的分米波。我们日常使用的微波炉一般是2450MHz，也属于微波中的分米波。
二、电磁辐射的强度与标准
1.电磁辐射强度
由于GSM移动通信采用的是微蜂窝技术，手机和基站通过电磁波双向联系，每个基站都有一定的作用范围。所以提高信号的有效办法就是增加通信基站，使通话服务区覆盖每个地方,减少盲区。然而，随着通信基站越建越多，人们开始疑虑通信基站所发射的电磁波是否对人体有伤害。
我们知道电磁辐射其实是一种能量，它对环境的影响大小主要取决于能量的强弱，用来表示其强度大小的单位主要有：功率（W）、功率密度（W/m?或MW/cm?）、电场强度（V/m）、磁场强度（A/m）、磁感应强度（T或Gs）。
2.比吸收率SAR
如何衡量电磁辐射对人体作用的大小呢？电磁辐射能量要大到什么程度就会对人体产生伤害呢?我们先来了解一下“SAR”这个名词，SAR的中文意思是“比吸收率”。SAR定义为生物体每单位质量所吸收的电磁辐射功率，即吸收计量率。它的单位是W/kg。那么，如何测定SAR的值呢？
SAR值测量系统由人体模型、测量仪表、探针、机械臂等组成。测量时，在人体模型内部倒入专用测试液体，液体的电磁性与人体的电磁性一致；将发射源紧贴模型放置，设置好发射源的发射功率，由机械臂带动探针在液体内运动，自动测量场强E，由以下公式就可以计算出SAR的值：
SAR=E2（δ/p）
式中：E为场强；δ为介电常数；p为液体密度。
国际上，FCC、ICNIRP（国际非电离性照射保护委员会）、IEEE等机构先后制定了电磁辐射对人体作用的衡量技术标准。目前通用的标准有两个：一个是欧洲使用的2W/kg，另一个是美国使用的1.6W/kg。欧洲采用的测试标准测量单位是10克，而美国采用的测试标准测量单位为1克。
我国现使用的标准是国家环境保护局颁布的GB 8702-88“电磁辐射防护规定”，规定中给出了职业照射和公众照射两种SAR限值。
（1）职业照射：在每天8小时工作期间内，任意连续6分钟按全身平均的比吸收率（SAR）应小于0.1W/kg。
（2）公众照射：在1天24小时内，任意连续6分钟按全身平均的比吸收率（SAR）应小于0.02W/kg。
3.我国环境电磁波卫生标准
SAR的测量是在屏蔽室中进行的，而我们生活的空间无线电波复杂程度远远超过屏蔽室，这使人们比较难以接受SAR的概念。我国卫生部为了控制电磁波对环境的污染、保护人民健康、促进电磁技术发展而制订了《中华人民共和国国家标准环境电磁波卫生标准GB9175-88》。该标准没有沿用国际流行的SAR标准，而是采用电场强度V/m和功率密度?W/cm?作单位，适用于一切人群经常居住和活动场所的环境电磁辐射，不包括职业辐射和射频、微波治疗需要的辐射。
在这个国标中，对微波电磁辐射，以功率密度微瓦/平方厘米（?W/cm?）来做为计量单位。将环境电磁波容许辐射强度标准分为两级（见表1）： 表1 环境电磁波许可辐射强度分级标准
容许场强
波长 单位
一级（安全区）二级（中间区＜）
长、中、短波 V/m 超短波 微波 混合 V/m ?W/cm? V/m
＜10 ＜5 ＜10
＜25 ＜12 ＜40
按主要波段场强；若各波段场分散，则按复合场强加权确定
一级标准，为安全区，指在该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群（包括婴儿、孕妇和老弱病残者），均不会受到任何有害影响的区域。
二级标准，为中间区，指在该环境电磁波强度下长期居住、工作和生活的一切人群（包括婴儿、孕妇和老弱病残者），可能引起潜在性不良反应的区域，在此区域内可建造工厂和机关，但不许建造居民住宅、学校、医院和疗养院等。
我国制订的这个国家标准相对其他国家标准是比较严格的，欧洲大部分国家现在都是200?W/cm?，美国1982年颁布的标准是3000?W/cm?比我国要宽松75倍，足已证明我国政府在有关电磁辐射环境保护方面是极其负责的，而且移动通信运营部门的整套设备以及技术参数也是按照国家标准严格控制的。
三、基站电磁辐射的理论计算
从以上国家标准，我们知道只要电磁辐射强度在10?W/cm?以下，对所有人群（包括婴儿、孕妇和老弱病残者）都是绝对有安全保证的。
电磁辐射强度的理论计算公式：
S=P/4πr2
式中，S为功率密度；P为发射功率；r为发射点与测量点之间的距离。
根据此公式，某一地点的电磁辐射强度S与发射功率P成正比，而与该点到发射点的距离r的平方成反比。
根据相关设备的技术参数，移动通信2G基站天线向一个扇区实际辐射功率为14.26W，3G基站为2.38W。
将基站功率代入上式估算，在距离2G基站10米处的功率密度为：
S=P/4πr?=14.26/（4π×100）=0.0113W/m?
=1.13 ?W/cm?
远远小于最安全的10?W/cm?的一级标准，以后的3G基站就只有约0.19?W/cm?。
射频信号的绝对功率常用dBm、dBw表示，它与mW、W的换算关系如下：例如信号功率xW，利用dBm表示其大小为：p（dBm）=10 log（（x×1000（mW）），1W等于30dBm，等于0dBw。
射频信号的相对功率常用dB和dBc两种形式表示，其区别在于：dB是任意两个功率的比值的对数表示形式，而dBc是某一个频率点输出功率和载频输出功率的比值的对数表示形式。
一般GSM基站天线高度均在35至55米，电磁波在空中传播衰减很快，而且当电磁波穿过一般砖墙时要衰减6dB左右（折合4倍），穿过带钢筋的墙要衰减20dB左右。因此，将GSM基站天线建在一般住宅楼顶时，楼内居民是绝对安全的。
四、基站电磁辐射的实际监测结果
2005年9月，江苏移动进行了实际电磁辐射环境调查，共选取全省3个城市13个典型基站进行现场监测，使用德国NARDA EMR-300综合场强仪（频带宽度为0.1～3000MHz）进行实测。
在以基站为中心半径300米范围内，监测点位布设以基站发射天线为相对水平零点，间隔90度，分4个方向做测量线，每条测量线上优选50米、100米、150米……300米等距离面设测量点。测量时间选择在城市环境电磁辐射的高峰期，测量高度取1.7米，每个测量点连续测量5次，每次测量不小于15秒，并读取稳定状态的最大值。测量时避开高层建筑、树木、高压线等影响，测量的气候条件应符合仪器规定的使用条件。实际测量结果见表2。
表2 电磁辐射环境监测结果 序号 基站名称 1 2 3 4 5 6 向阳 金港花园 蠡泽 临城2 阳山花苑 中院 建设情况 G7已建 G8未建 G7已建
辐射强度?W/cm? ＜0.01～0.32 ＜0.01～0.11 ＜0.01～0.01 G8已建未开通 ＜0.01～0.05 G8未建 G7已建
＜0.01 0.01～0.13 7 8 9 10 11 12 13 明珠小区 都市花园 邮政物流 化工新村 水上乐园 刁铺 东园 网优已建 网优已建 3G未建 网优已建 3G未建 搬迁 3G未建
＜0.01～0.14 ＜0.01～0.04 ＜0.01～0.03 ＜0.01～0.28 ＜0.01～0.09 ＜0.01～0.05 ＜0.01～0.17
监测结果表明：所有基站周围电磁辐射环境功率密度均远低于国家一级（安全区）10?W/cm?的限值，最高的只有0.32 ?W/cm?，最低的还小于0.01 ?W/cm?，是安全标准的百分之一。已建基站和未开通基站周围环境测量结果相比较，无显著差异，事实证明基站辐射对环境的影响微乎其微，可以忽略不计。
五、相关理论研究
瑞典辐射防护协会就其独立专家组(IEG)于2003年12月关于电磁场的研究发布了第一个报告。事实上，近年来在这些领域已经公布了许多新的研究，总的科学评估自《斯图尔特报告》发布之后还没有出现实质改变。正如著名物理学家、中国科学院院士何祚庥所说，截至目前，世界上尚未发现一例因电磁辐射对人体产生危害的确定案例。可见，谈基站而色变完全没有必要。
另外，我国移动通信基站使用的频率是国际电联统一规划的，其制式也是国际通用的，其设备是经国家无线电管理局型号核准批准进口或生产的，因而在移动通信基站的设置问题上是与世界发达国家和地区一样的。其次，在执行标准时、我国的管理是非常严格到位的。在基站设置上，先要由运营商向市无线电管理办公室提出申请，市无线电管理办公室对这些位置进行审核、测试。确保其各项技术指标符合国家的技术标准，保证电磁波辐射都在“一级标准”以内才予以批准。在基站建成后，市无线电管理办公室要对基站进行验收，核准设备型号，测试各项技术指标符合国家的技术标准，保证电磁波辐射都在“一级标准”以内后，才颁发电台执照。领取电台执照后的基站才能投入运行。运行中，运营商需随时保证其设备处于良好的状况。市无线电管理办公室有一支专门的技术队伍，经常性地对公众移动基站进行跟踪监测，防止有害辐射、有害干扰的发生，从而净化电磁环境，确保其电磁波辐射强度在国家安全标准范围之内。
移动通信基站由于目标大，往往使人们对基站电磁辐射对环境的影响产生疑问。然而理论和实践都证明，任何一期移动通信工程建设方案的设计，均是经过深思熟虑的。而且在全国，任何一个城市的通信大楼顶部或附近都有移动通信铁塔，而且上面挂满了BP机天线、微波天线、移动通信天线、特高频天线等，对应的机房内充满了各种现代通信设备。然而从全国职业病防治或各种癌症发病率的统计分布看，还没有相对集中于通信工程技术人员的迹象。因此，普通群众更没必要担心基站的电磁辐射。
还有，基站密度越高辐射强度越低。手机与基站及基站控制器之间，有智能控制机制，动态调整互相之间的通话信道、电磁辐射功率与接收灵敏度。
在上述控制原理下，一个覆盖半径在500至700米的BTS基站，相对于该范围内的移动手机而言，距离基站越远，对应信道和手机的发射峰值功率越强。当GSM手机在距基站700米左右的楼内通话时，基站对应信道的发射功率在13W左右，GSM手机的发射峰值为2W左右；而当手机移动到距基站1至200米的视角距离时，基站与手机之间对应的信道发射功率将分别自动调节在0.1W左右。
由此可以推论：移动通信基站密度越高，相应每个基站电磁辐射强度越低；手机距离移动通信基站越近，手机在使用过程中对通话者电磁辐射当量越低、越安全。
六、结束语
应用于人体监测的短距无线通信技术 篇3
人体生理参数监测系统是一种可以长时间、连续、实时采集人体生理参数, 具有显示、处理、保存等基本功能, 可以实现多种应用的仪器组合, 是传感器技术、计算机技术、通信技术、生理信号检测等技术的结合。随着现代医学的不断发展, 医疗模式正在转变, 由传统的以医院为中心的集总系统向以个人为中心的分布系统转变, 由得病后的诊疗为主向得病前的预防为主转变[1]。生理参数监测系统的应用领域已经不仅局限于对危重患者的监护, 在传统的医疗领域以外, 如家庭和个人保健、运动、心理等方面都得到广泛的应用。
传统的监测系统, 传感器与数据处理装置之间通过有线方式传输数据, 大量的连线影响使用者的正常活动, 易使其产生不适感, 由于使用者的紧张、不自然, 获得的生理参数的准确性也受到一定影响, 这些因素限制了生理参数监测在更多领域的应用。随着电子技术的高速发展, 尤其是近年来, 短距离无线通信技术发展很快, 有些技术已经比较成熟并得到广泛的应用, 通过将这些短距离无线通信技术应用于人体生理参数监测, 结合其它先进的电子技术可以实现对人体影响小的无线监测系统[2], 在不影响被监护人正常活动的情况下, 可以进行长期连续的监测, 从而促进生理监测技术的发展应用。
1 短距无线人体监测系统构成
典型的人体无线监测系统由佩戴于人体的生理信号检测设备和数据接收基站组成, 根据需要还可能包括中继站, 基本结构如图1所示。检测设备采集数据并无线发送至数据接收基站, 基站可以是随身携带的便携设备或安放在附近区域的固定设备, 具有无线数据接收及显示、处理、保存等基本功能, 还可以实现自动报警、远程传输等功能。检测设备与数据接收基站的数据传输采用短距离无线通信技术, 相对其它无线通信技术而言, 短距离无线通信技术发射功率普遍都很低, 一般低于100m W;实际传输距离较短, 从几米到几十米。目前应用于人体生理参数监测比较成熟的短距离无线通信技术包括蓝牙技术、Zig Bee技术[3]、无线局域网技术和非标准协议无线通信技术。
2 短距无线通信技术简介
2.1 蓝牙技术 (IEEE 802.15)
蓝牙技术是使用2.4GHz的ISM公用频道的一种短距离通信技术, 用户无需申请即可使用, 主要应用于近距离的语言和数据传输业务。频道采用23个或79个, 频道间隔均为1MHz, 速率为1600跳/秒的跳频工作方式, 使得蓝牙系统具有很高的抗干扰能力。根据发射功率的不同蓝牙设备之间的有效通讯距离大约为10-100m。蓝牙设备组网灵活, 提供点对点和点对多点的无线连接, 基于TDMA原理组网。蓝牙技术具有较高的安全性, 除采用跳频扩展技术和低发射功率等常规安全技术外, 还采用三级安全模式进行管理控制。
东芝公司的Lifeminder系统由腕表型可穿戴式传感器模块和掌上电脑组成, 可穿戴式检测设备配备加速度传感器、脉搏波传感器、温度传感器、皮肤电反应电极和蓝牙通信模块, 通过蓝牙技术与掌上电脑通信[4]。该系统根据手腕的运动、脉率及皮肤电反应值分别判断使用者的运动情况和使用者是否开始吃饭, 大约能达到90%的准确率。借助掌上电脑的便携特性, 该系统可以监测使用者的日常行为活动、健康状况和运动情况, 进而提醒和指导使用者每天进行健康的饮食和适当的锻炼, 这对于保持健康的生活方式, 达到预防疾病的目的非常重要。
蓝牙技术具有组网灵活、安全性高、使用广泛的优点。很多便携设备集成蓝牙通信功能, 例如手机、掌上电脑、计算机等, 这使得蓝牙设备可以很方便的组网, 将这些便携设备作为数据接收基站的硬件, 只需进行软件开发, 缩短开发周期的同时还可以提供多样化的硬件选择。采用智能手机作为数据接收基站, 可以在不增加使用者负荷的情况下实现个人的移动监测[5], 通过手机的远程通信功能, 还可以进一步实现远程移动监测[6]。目前应用最多的蓝牙规范是Bluetooth 2.0+EDR标准, 采用4d B (class 2) 功率等级, 相对于其他技术而言其通信距离更短, 更加适合近距离的应用。随着蓝牙4.0技术规范的使用, 在低功耗和传输距离方面优势更为明显, 为蓝牙技术在人体监测等领域的应用提供更多机会[7]。
2.2 Zig Bee技术 (IEEE 802.15.4)
Zig Bee技术建立在针对低数据速率、低功耗网络的IEEE802.15.4标准之上, IEEE 802.15.4处理物理层 (PHY) 和介质访问控制层 (MAC) 协议, Zig Bee联盟对网络层 (NWK) 协议和应用层 (APL) 进行标准化。数据传输技术为DSSS, 数据传输率比较低, 在欧洲是270kbps, 美国是290 kbps, 覆盖范围为10-75 m。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短, 典型的搜索设备时延为30ms, 休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。Zig Bee采用多种网络拓扑结构, 协议栈简捷紧凑, 主要适合于承载数据流量较小的业务, 可嵌入各种设备中, 同时支持地理定位功能。
国内的赵泽等[8]提出一种基于无线传感器网络的远程医疗监护系统结构设计, 通过Zig Bee技术构成一个无线传感监护网络, 传感器节点上使用中央控制器对所需要测量的生理指标传感器进行控制采集数据, 通过无线通信方式将数据发送至Zig Bee监护基站设备, 并由该基站把数据传输到PC或者其他网络设备上, 通过Internet网络可以将数据传输到远程医疗监护中心, 由专业医疗人员对数据进行统计观察, 提供必要的咨询服务和医疗指导, 实现远程医疗。类似的系统也可应用于医院内部, 实现对病患、监护设备及设施的医疗和健康监控, 借助于各种传感器和Zig Bee网络, 准确而且实时地监测病人的血压、体温和心率等基本生理信息, 从而减少医生查房的工作负担, 有助于医生作出快速的反应, 特别是对重病和病危患者的监护和治疗。
Zig Bee低功耗、低成本的特点非常适合于远程医疗监护系统, 在这样的系统中, 一个Zig Bee基站便可以覆盖整个室内, 即使在户外的活动, 也只要在高处设置一个中转节点, 即可实现直径几百米的覆盖范围, 对于医院的室外活动场地也足够, 不必安装过多的节点, 也不必额外的提高Zig Bee的收发功率, 病人只要随身携带集成Zig Bee技术和测量生理指标的功能模块便可以在家中自由活动的状态下得到医疗监护。网络的自组织、自愈能力强, 增加或者删除一个节点、节点位置发生变动、节点发生故障等等, 网络都能够自我修复, 并对网络拓扑结构进行相应地调整, 无需人工干预, 保证整个系统仍然能正常工作, 这使得该技术适用于需要动态组网的场合。由于没有成为消费电子设备的标准配置, 使用者不能直接使用智能手机等设备接收数据, 降低了Zig Bee技术在面向个人的应用中的吸引力。
2.3 无线局域网技术 (IEEE 802.11)
无线局域网WLAN (wireless lan) 利用无线技术在空中传输数据、话音和视频信号, 一般用于家庭或大楼以及园区内部, 典型覆盖距离几十米至几百米, 目前采用的技术主要是IEEE802.11a/b/g系列。IEEE802.11协议主要规定OSI模型中最低两层:物理层和介质访问控制层的一些特征, 这些标准可以在ISM频段上使用, 频道包括902-928MHz (可利用频宽26MHz) , 2.4-2.4835 GHz (可利用频宽83.5 MHz) , 以及5.725-5.850GHz (可利用频宽125MHz) 。
Motorola公司提供了基于WLAN的医院信息综合解决系统, 医生利用手持设备PDA, 或者是平板电脑就可以在医院内随便移动, 并通过网络实时更新病人情况。在查房过程中, 通过手持PDA随时随地将患者信息输入计算机, 也可以随时查询患者的既往病史、过敏史等关键性资料, 并可以通过计算机核对处方药品及处置方式是否正确等。对于突发性情况, 比如接到具有特殊情况的病人, 医护人员可以即时通过移动终端查询相关的医疗信息, 及时做出正确的决定。为病患提供的便携无线终端, 使其可以随时随地发出求助信号。该系统的应用可以实现整个医院内各种人员和部门之间的信息无缝交流, 从而提高整个医院的运行效率。
作为传统布线网络的一种替代方案或延伸, WLAN系统支持复杂的网络应用, 可以传输的数据量大、种类多。在社区、养老院、医院等区域搭建无线局域网, 不仅可以建立无线监护系统, 还可以实现多层次的信息管理、无线呼叫及语音系统, 以及提供一般的宽带互联网接入服务等。在医院, 医护人员和病患者之间需要频繁地在院内移动检查、同时处理的信息量大以及患者对就诊时间的敏感性, 都要求网络传输速率高、支持多种应用。同时, 由于此类应用并不特别强调舒适性, 可以容忍相对大的设备体积和相对高的功耗, 因此WLAN很适合在医院等机构内使用。而在面向个人的穿戴式生理监测设备上, 过高的功耗则限制了无线局域网技术的应用。
2.4 非标准协议短距无线通信技术
非标准协议无线通信技术是最早应用于人体生理参数监测的无线通信技术, 需要设计者自己制定底层的通讯协议。典型的无线收发芯片, 在片内同时集成频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块, 有的可以通过程序配置输出功率和通信频率。发射功率通常最大为10m W, 传输距离受环境影响, 一般可以达到几十米。有些芯片还有多种低功率工作模式, 这给开发人员提供更灵活的节能设计空间。此类芯片大多工作在无需申请的ISM频段, 例如n RF401、n RF905系列芯片、CC1000、CC1020系列芯片等。
国内有很多研究工作是针对此类无线收发模块在生理监测领域的应用展开的。例如, 王景灿等人设计一种基于射频技术的穿戴式医疗仪器, 采用n RF905射频芯片实现生理信号的无线传输, 在数据传输前进行AES加密处理, 实验结果表明能够实现对心电和脉搏波等生理信号实时、安全、准确的无线传输[9]。王陈海等人使用n RF24L01芯片设计个人健康无线监护系统, 由佩戴于人体的多个传感器节点与便携的监护基站组成, 可以采集人体的心电、血压、血氧饱和度、脉搏、心率等基本生理参数[10]。在该应用模式下, 与其他标准协议构建的系统相比, 基于非标准协议所构建的个人健康监护系统具有效率高、功耗低、通信性能好的特点。
非标准协议无线收发芯片的种类较多, 很多芯片有其独特的性能, 可以根据实际应用的特点选择最合适的技术, 在没有复杂网络通信需求的情况下, 采用非标准协议短距无线通信技术往往可以缩短开发周期、提高通信效率, 获得更低的功耗和更高的实时性。由于这类芯片对硬件的控制比较方便, 工作过程不需要人工干预, 可以嵌入到已有的成熟设备中扩展短距无线通信功能。在与其他设备互联方面, 通过在数据接收端采用集成USB功能的微控制器, 可以很容易实现与计算机的连接, 进一步可以扩展远程监测功能。由于不具有对复杂网络结构的支持, 非标准协议无线通信技术更适合点对点通信的简单应用。
3 总结
随着科技的发展与人们医学观念的进步, 人体监测技术的应用由传统的医疗领域, 向家庭和个人保健、运动、心理等更多领域扩展, 相应的穿戴式医疗电子一直以来都是研究热点, 在美国国际消费性电子展CES 2013中, 展示的穿戴式数字健康与健身科技产品的数量同比增长近25%。移动医疗 (m Health) 热潮的兴起将进一步推动穿戴式医疗电子技术的发展和应用[11], 数据显示2013年至2017年全球移动医疗市场规模预计由45亿美元增至230亿美元[12], 作为其中重要的数据传输环节, 短距离无线通信技术发展前景非常广阔。据IMS研究所报告, 在未来5年内, 无线医疗设备的用户量将超过5千万。可应用的短距离无线通信技术种类很多, 每一种技术在一定的通用性的基础上又有其独特的适用领域, 根据具体的应用需求选择合适的短距无线通信技术, 可以实现低负荷状态下的长期连续监测, 为多个领域的研究及应用提供良好的技术平台。
参考文献
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[10]王陈海, 吴太虎.基于非标准协议无线通信的个人健康监护系统设计[J].医疗卫生装备, 2007, 28, (5) :15-17.
[11]王维, 王静, 孙洪央等.具有蓝牙通信功能的上臂一体式血压测量系统[J].中国医疗器械杂志, 2012, (4) :9-13.
人体通信 篇4
关键词：基站,电磁波,电磁辐射,环境监测,安全标准,功率密度,电场强度,人体健康
随着2009年1月3G牌照的发放, 中国正式进入3G时代。2009-2010年我国三大运营商预计完成3G投资2800亿人民币, 如此宏大的投入必将推动通信业新一轮建设高潮的到来。目前, 3G网络建设正紧锣密鼓地开展。而随着移动通信网络规模的扩大和用户数量的增加, 移动通信基站的数量不断增加, 电磁辐射是否对人体健康构成威胁, 也逐渐成为各个运营商和民众争论的焦点, 由此引发的运营商与民众之间的冲突也频繁见诸于各类媒体。目前, 电磁污染已经公认为是继大气污染、水质污染、噪声污染后的人类第四大公害。那么, 移动通信基站是否和电视发射塔、广播传播台、高压送变电系统等一样也成为电磁辐射污染的主要源头呢?笔者长期从事通信工程建设, 同样特别关心这个问题, 因此对电磁辐射对人体健康的影响和安全问题做了较为深入的研究。
1 无线电电磁波辐射
1.1 电磁波及其分类
首先, 我们知道手机通信依靠的是无线电波, 它和可见光波、检查身体的X射线、治疗疾病用的γ射线都属于电磁波, 唯一的差别是波长不同。根椐《中华人民共和国无线电频率划分规定》, 我国已对9kHz~1000GHz频带内的无线电业务做出了规划, 按波长从长到短分为长波、中波、短波、超短波、微波。其中微波频率为300MHz~300GHz, 波长处于1m~1mm。第二代移动通信基站使用的是900MHz1800 MHz频段, 3G基站使用的是1880MHz~2170MHz, 都属于微波中的分米波。
那么, 电磁波是什么呢?当带电系统的电荷或电流随时间变化, 系统所产生的电场和磁场也会随时间变化。变化的电场在其周围激起磁场, 变化的磁场也在其周围激起电场, 这种变化的电场和磁场会向系统周围的空间传播, 这种运动着的电磁场就是电磁波。现代人生活在电磁波环境中。电闪雷击、太阳黑子活动、大气、宇宙等都会产生电磁波, 这是自然的电磁波。人为的电磁波主要来源于无线电发射设备、工业设备和医疗设备, 如雷达系统、电视和广播发射系统、大型电力发电站、高压及超高压输电线、高频感应及介质加热设备、高频及微波医疗设备、地铁列车及电气火车、各种电加工设备、通信发射台站、手持移动电话以及大多数家用电器等。总而言之, 电磁波与我们的生活息息相关, 如果真的远离它, 会给生活带来极大不便。然而, 生活素质的不断提高, 也促使人们对电磁波辐射的关注程度越来越高。
1.2 电磁辐射
电磁波辐射是指能量以电磁波的形式由辐射源发射到空间的现象, 简称电磁辐射。
一般来说, 电磁辐射可以分为“电离辐射”和“非电离辐射”两类。例如X射线、γ射线和宇宙射线产生的能量, 足以破坏人体组织结构的分子, 甚至可以使原子和分子电离化。这种辐射也称为“电离辐射”。而我们常见的电磁辐射, 大部分是频率为9kHz~300GHz的无线电发射设备或工、科、医电子产品所产生的, 其发射频率较低, 能量也较弱, 远没达到将分子分解的能量。所以这类辐射也称为“非电离辐射”。
1.3 电磁辐射对人体健康可能产生的危害
电磁辐射衍生的能量大小, 取决于无线电频率的高低, 频率越高, 能量越大。当电磁辐射穿过人体时, 其能量会被人体吸收, 如果这种能量过大, 将会对人体健康构成危害。人体暴露在这样的电磁辐射环境中, 高强度的电磁辐射以热效应和非热效应两种方式作用于人体, 可导致机体发生机能障碍和功能紊乱。电磁辐射对人体健康的危害主要是健康效应。
2 电磁辐射的强度
由电磁辐射概念可知, 电磁辐射其实是一种能量, 它对环境的影响程度主要取决于能量的强弱, 用来表量其强度大小的单位主要有:
2.1 功率:
辐射功率越大, 辐射出来的电、磁场强度越高, 反之则小, 单位是瓦 (W) ;
2.2 功率密度:
指单位时间、单位面积内所接收或发射的高频电磁能量, 单位是瓦/米 (W/m2) , 在高频电磁辐射环境评估时功率密度常用MW/cm2表示;
2.3 电场强度:
用来表示空间各处电场的强弱和方向的物理量, 距离带电体近的地方电场强, 远的地方电场弱。电场强度的单位是伏/米 (V/m) , 在输电线和高压电器设备附近的工频电场强度通常用kV/m表示;
2.4 磁场强度:
用来表示空间各处磁场的强弱与方向的物理量, 单位是安/米 (A/m) ;
2.5 磁感应强度:
表示单位体积、面积里的磁通量, 用于描述磁场的能量的强度, 单位是特斯拉或高斯 (T或Gs) 。
但如何衡量电磁辐射对人体作用的大小呢?电磁辐射能量要大到什么程度才会对人体产生伤害呢?我们先来了解一下“SAR”这个名词, SAR的中文意思是“比吸收率”, 作为人体组织对能量吸收的度量单位, 反映了电磁辐射对人体的影响程度。SAR定义为生物体每单位质量所吸收的电磁辐射功率, 即吸收计量率, 单位是瓦/千克 (W/kg) 。
3 电磁辐射的安全标准
关于电磁辐射对人体健康是否有害的问题, 世界卫生组织于1996年启动课题研究, 包括中国在内有60多个国家参与该项研究, 历经11年, 2006年得出结论:过量的电磁辐射才会对人体产生危害, 低频电磁辐射对人体健康影响微弱, 儿童白血病及癌症、神经性疾病等与电磁辐射没有因果关系。但儿童对辐射缺乏防御能力, 建议幼儿园、学校远离电磁辐射源头。
那么多强的电磁辐射才算过量呢?基于人体安全考虑, 世界卫生组织 (WHO) 、国际非电离辐射防护委员会 (ICNIRP) 、美国国家标准机构 (AN-SI/IEEE) 等组织提出了电磁辐射对人体影响的安全标准, 对公众和职业暴露给出了最高频率到300GHz的暴露限值。目前通用标准有两个:一个是欧洲使用的2W/kg, 另一个是美国使用的1.6W/kg。
为防止电磁辐射污染、保障公众健康和促进电磁技术的科学运用与发展, 我国国家环境保护局、卫生部等部门自上世纪九十年代以来, 先后制定颁发了《电磁辐射防护规定》 (GB8702-88) 、《环境电磁波卫生标准》 (GB9175-88) 、《电磁辐射环境保护管理办法》 (国家环保局第十八号局令) 等多部法规和技术标准。GB8702-88给出了职业照射和公众照射两种SAR限值, 当辐射剂量低于该限制值时, 则不会对公众健康构成危害。
职业照射:在每天8小时工作期间内, 任意连续6分钟按全身平均的比吸收率 (SAR) 应小于0.1W/kg。
公众照射:在1天24小时内, 任意连续6分钟按全身平均的比吸收率 (SAR) 应小于0.02W/kg。 (即12V/m的公众照射电场强度限值)
由于SAR的测量是在屏蔽室中进行的, 而生活空间无线电波复杂程度远超于此, 这使人们比较难以接受SAR的概念。为此, 我国《环境电磁波卫生标准》 (GB9175-88) 没有沿用国际流行的SAR标准, 而是采用电场强度V/m和功率密度w/m2 (μW/cm2) 作单位, 适用于一切人群经常居住和活动场所的环境电磁辐射, 不包括职业辐射和射频、微波治疗需要的辐射。在这个国标中, 对微波电磁辐射, 以功率密度微瓦/平方厘米 (μw/cm2) 作为计量单位。将环境电磁波容许辐射强度标准分为二级:
一级标准:安全区, 要求电磁辐射强度<10μW/cm2, 指在该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群 (包括婴儿、孕妇和老弱病残者) , 均不会受到任何有害影响的区域。各种发射天线, 在其居民覆盖区内, 必须符合“一级标准”的要求。
二级标准:中间区, 容许电磁辐射强度<40μW/cm2, 指在该环境电磁波强度下长期居住、工作和生活的一切人群 (包括婴儿、孕妇和老弱病残者) , 可能引起潜在不良反应的区域, 在此区域内, 可建造工厂和机关, 但不许建造居民住宅、学校、医院和疗养院等。已建造的必须采取适当的防护措施。超过二级标准的地区, 禁止建造居民住宅及公共设施。
和其他国家的标准相比, 我国的标准是比较严格的, 欧洲大部分国家现在都是200μw/cm2, 美国1982年颁布的标准是3000μw/cm2, 比我国要宽松75倍, 足以证明我国政府在有关电磁辐射环境保护方面是极其负责的。
4 移动通信基站电磁辐射的理论计算
电磁辐射强度的理论计算公式S=P/4πr2, 其中, S为功率密度, P为发射功率, r为发射点与测量点间的距离。根据此公式, 某一地点的电磁辐射强度 (用功率密度表示) 与发射功率成正比, 与该点到发射点的距离的平方成反比。一般通信基站天线高度均在16至50米, 其发射的电磁波波长较短因而在空中传播衰减较快, 而且当电磁波穿过一般砖墙时要衰减6dB左右 (折合4倍) , 穿过带钢筋的墙要衰减20dB左右。
根据相关设备的技术参数, 移动通信2G基站天线向一个扇区实际辐射功率为14.26W, 3G基站为2.38W。将基站功率代入上式估算, 在距离2G基站天线10米处的功率密度为:S=P/4πr=14.26/ (4π*100) =0.0113W/m2=1.13μw/cm2, 而3G基站就只有0.19μw/cm2, 这远远小于最安全的10μw/cm2的一级标准。
尽管理论证明基站所产生的电磁辐射对人体是安全的, 但是每一个移动通信基站由于建设方位、设备安装调试、周边环境等各种复杂原因, 也可能出现辐射强度各不相同。因此, 最终鉴定其是否对人体产生有害辐射还需通过国家环保部门认证的专业监测和环境影响评价机构, 根据实际测验的数据, 经过专业人员综合分析评估而定。
5 基站电磁辐射的测量
5.1 监测方法
为规范和加强移动通信基站电磁辐射环境监测工作, 根据《电磁辐射环境保护管理办法》及有关电磁辐射的标准, 国家环保总局和信息产业部于二00七年七月联合制定了《移动通信基站电磁辐射环境监测方法》 (环发[2007]114号) 。该《基站监测方法》的特点是, 缩小了测试范围, 规定可将监测点位有限部设在公众可以到达的距离天线最近处, 也可根据不同目的选择监测点位。而且缩短了测试时间, 监测时间由连续24小时调整为满足限值标准的任意6分钟。也增向了可操作性, 明确了规定测试仪器、测试部点、测试物理量以及测试环境的要求, 并给出了记录和报告的参考格式。
5.2 测量系统的选取
本文中使用罗德与施瓦茨 (R&S) 公司生产的便携式场强测量系统TS-EMF对GSM基站的电场强度和功率密度进行测量, 该系统由全向球形探头天线 (30MHz~3GHz) 、R&SFSH3 (100k Hz~3GHz) 频谱分析仪和控制软件R&SRFEX (安装在笔记本电脑) 三部分组成。三轴探头天线具有等方向的特性。
5.3 测量位置的选取
由于测量环境往往达不到理想状态, 辐射电磁波传播存在阴影效应和快速衰落, 以及大量散射波和吸收体在周围的存在, 会导致场强的不均匀性分布, 因此, 测量位置的选取对于我们所要进行的测量来说至关重要。
应以基站为中心200m范围内选择测量位置, 在测量蜂窝基站电磁辐射环境时要求:
5.3.1
测量环境气候条件应尽量避开大风、雨、雪、冰雹天气;
5.3.2
测试点应尽量避开高大建筑物、树木、高压电线及交通干线;
5.3.3
进行地面测量时, 测量高度取1.7m, 测量高层建筑时, 应在阳台或室内选点;
5.3.4
测量时间应选择在用户使用手机高峰期;
5.3.5 读数为每个测量点连续读5次, 每次测量时间不小于15s, 并读取稳定状态的最大值。
但测量起伏过大时, 应适当延长测量时间。
5.4 电磁辐射测量
本文选择某社区辐射测量作为探讨实例。该社区人口比较密集, 政府机关办公以及群众日常生活均在此区, 目前有中国移动的GSM900MHz频段的网络覆盖整个社区, 人们大部分时间都暴露在这样的环境中。并且时常有该社区群众对基站电磁辐射对其身体影响的投诉。于是结合测量位置的选取要求, 根据现场情况测量人员在人口密集区域选择8个不同的位置, 运用便携式场强测量系统TS-EMF对GSM基站的电场强度和功率密度进行测量。
通过对GSM900频段信号的多次测量, 最大值场强在距离基站48米的会议楼内测到。在会议楼内, 采用均值和峰值测量模式得到的测量图如图1所示。图 (a) 表示该位置GSM900频段被测信号的的场强峰值频谱, 图1 (b) 表示该位置GSM900频段被测信号的场强峰值分布情况。
5.5 测量结果分析
从以上测量结果可以发现, 频段内所有电场强度远远低于国标12V/m的公众照射导出限值。除了通过对电场强度和功率密度的测量外, 还增加了对SAR的计算来评估辐射对人体暴露量的影响, SAR=S/ρ=E2 (σ/ρ) 。本文对人体脑组织进行辐射分析, 人体组织中电场强度E通过测量得到, 其他关于人体脑组织的组织密度ρ和组织电导率σ可在FCC数据库中查询得到, 如表1所示。
目前, 一般用场强暴露指数IE、功率密度暴露指数IP、SAR暴露指数ISAR三个指标来衡量电磁辐射对人体暴露的影响。IE=E/E0, IP=P/P0, ISAR=SAR/SAR0。其中, E0=12V/m、P0=40μW/cm2、SAR0=0.02W/kg为国标规定的限值。我们分别对在社区8个位置测得的数据进行了整理, 结果如表2所示。
我们发现场强、功率密度最大值均出现在会议楼位置, 电场强度为0.42V/m, 这是限制值的35‰;功率密度为1.48μw/cm2, 这是限制值的37‰;SAR为1.31×10-4W/kg, 这是限制值的131‰。而最小电场强度在居民2号楼处测到, 电场强度为0.13V/m, 这是限制值的10.9‰;功率密度为0.32μw/cm2, 这是限制值的8‰;SAR为1.28×10-5W/kg, 这是限制值的13‰。
监测结果表明:电磁辐射强度与距离有关, 距离越远强度越小;该社区各位置的电场强度、功率密度和比吸收率SAR都远远低于《电磁辐射防护规定》及《电磁辐射暴露限值和测量方法》标准。因此, 该社区的电磁辐射不会对人体造成伤害。
6 结论及建议
简要地探讨了移动基站电磁辐射对人体健康的影响, 并测量了典型小区各测量位置的电场强度、功率密度, 实测结果表明这些参数均符合要求。而且, 目前移动通信网体制为大容量小区制, 所需的发射功率较小, 即小区制基站密度更高辐射强度更低。综上所述, 按国家标准设立的移动通信基站由于功率较小, 离人体距离远, 所带来的辐射强度远远小于国标, 因此对人体是安全的。
虽然从目前移动基站监测情况来看, 单个基站很少有超出国家标准的, 而且多数远低于国家标准, 但是如果同一地区基站建得多了功率过大或者还有其他电磁辐射源头, 该地区的电磁辐射强度还是有超标的可能。因此, 除了严格遵守国家环境保护总局《电磁辐射防护规定》等国家相关法律法规外, 移动通信基站的建设应坚持走“统一规划、集约建设、资源共享、规范管理”的建设模式, 资源共享, 尽量减少基站的重复建设;坚持“严把四关”, 即“设备准入关”、“设台审核关”、“辐射监测关”和“环保验收关”。首先建设前要进行环境测评, 评估辐射现状和影响, 完成审批手续, 电磁辐射强度大于10μW/cm2的地方不得建设移动通信基站并且必须远离幼儿园、学校、医院;其次, 开通后还要进行辐射监测, 及时向公众公布环保监测数据;最后, 对建成并投入运行的公用移动通信基站进行环保竣工验收, 对发现超标的及时整改, 直至符合环保要求。除了严格执行现有电磁辐射防护标准, 规范伴有电磁辐射产生设施的建设行为外, 还要加强对电磁辐射有关方面的研究和宣传解释工作, 尊重公众的知情权, 建立公众信息和交流的有效系统, 以取得公众的理解和支持, 从而确保移动通信事业发展与人居生活的高度和谐。
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