CN107356819B - 一种智能家用电磁辐射信息服务*** - Google Patents

一种智能家用电磁辐射信息服务*** Download PDF

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Abstract

本发明提出一种智能家用电磁辐射信息服务***，电磁辐射监测点采集部分位置的电磁辐射信号；数据采集中心对数据进行快速傅里叶变换获得各个电磁频谱监测点的电磁辐射幅频特性，选取幅频特性曲线中的最大值作为电磁辐射能量值；服务中心对电磁辐射能量值矩阵进行补全，并对辐射源进行定，获得补全后的电磁辐射能量值数据以及和辐射源的位置坐标；数据库存储电磁辐射能量值，并通过浏览器/服务器模式，用网页界面展现出室内电磁辐射能量值，绘制出电磁频谱地图。本发明能够绘制出直观的电磁辐射分布态势图，有效地还原出真实的频谱态势信息，更加准确地确定辐射源的位置。

Description

一种智能家用电磁辐射信息服务***
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种智能家用电磁辐射信息服务***。
背景技术
电磁技术已经广泛应用于国民经济的各个领域，并已深入到家庭生活中，和每个人的生活工作紧密相连。大到无线广播、蜂窝通信，小到各类医疗设、家用电器。电磁技术在不断给人类生活带来便利的同时，也不可避免地会产生各类电磁辐射，导致空间电磁情况日趋复杂，电磁污染的问题日渐突出。
一方面，电磁辐射对人体健康的影响逐渐成为公众话题，甚至引发部分人群的电磁恐慌心理。另一方面，电磁频谱的开放性使得无线***、伪基站等非法设备不断涌现，给人们的日常生活带来了电磁安全隐患。
美国军方DARPA耗资上亿美元开展Radio Map项目，绘制战场电磁地图，上海市也将启动编制全国首张“频谱资源地图”。先行在虹桥综合交通枢纽和徐家汇商圈启动建设网格化无线电监测网络，探索实现对频率资源的网格化实时监控。电磁频谱地图的绘制往往通过将室内环境网格化的方式，需要分别监测出各个网格点的电磁辐射能量值，这就需要耗费很多的人力物力资源。
现有的一些定位算法都是合作式定位，是辐射源与定位***有信息交互的一种定位方式，而电磁频谱的开放性使得无线***，伪基站等非法设备不断涌现，这类设备与定位***是没有信息交互的，需要用到非合作定位方式。
发明内容
本发明提出一种智能家用电磁辐射信息服务***，该***通过将电磁频谱监测点实时收集的数据进行处理，绘制出直观的电磁辐射分布态势图，可以帮助人们更清楚的了解目标区域的电磁辐射水平；为了节省开销，本发明采用抽样空间感知的方案，利用部分网格点进行数据的采样，再采用数学工具进行频谱信息数据的补全，从而有效地还原出真实的频谱态势信息；为了更加准确的确定设备的位置，本***基于电磁频谱能量的定位方法，可以准确的确定各类设备的位置，从而保护用户的隐私安全。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种智能家用电磁辐射信息服务***，包括电磁频谱监测点、数据采集中心、服务中心、数据库和智能终端；所述电磁辐射监测点采集一段时间内部分位置的电磁辐射信号，获得电磁辐射信号时域的正交两路数据，并将两路数据上传至数据采集中心；数据采集中心对接收到的正交两路数据进行快速傅里叶变换获得各个电磁频谱监测点的电磁辐射幅频特性，选取幅频特性曲线中的最大值作为电磁辐射能量值，多个电磁辐射监测点的电磁辐射能量值组成电磁辐射能量值矩阵；服务中心对电磁辐射能量值矩阵进行补全，并对辐射源进行定，获得补全后的电磁辐射能量值数据以及和辐射源的位置坐标；数据库存储电磁辐射能量值，并通过浏览器/服务器模式，用网页界面展现出室内电磁辐射能量值，绘制出电磁频谱地图；智能终端通过网页远程访问数据库，获取电磁频谱地图以及辐射源位置坐标信息。
进一步，所述电磁辐射监测点采集电磁辐射信号时，将室内环境划分成网格，使用一台电磁频谱监测设备采集部分网格位置的电磁辐射信号。
进一步，服务中心先使用最近邻居法对电磁辐射能量值矩阵进行补全时，然后再根据固定点延续迭代算法进一步优化补全效果。
进一步，智能终端为固定终端或者移动终端。
进一步，服务中心对辐射源定位的过程为：
设室内环境划分的网格为正方形，每个网格四个角落上均放置电磁辐射监测点；
选取四个角上电磁辐射监测点所测得的能量值之和最大的网格；
根据所述能量值之和最大的四个角上电磁辐射监测点所测得的能量值该网格的位置加权系数，具体为：假设四个角上电磁辐射监测点所测得的能量值矩阵为首先求其绝对值和倒数然后求N次方最后归一化，设X＝1/|x1|N+1/|x2|N+1/|x3|N+1/|x4|N，则加权系数为：
其中，co1、co2、co3和co4表示四个角上电磁辐射监测点的位置加权系数，x1、x2、x3和x4表示四个角上电磁辐射监测点所测得的能量值；
5.4根据5.3获得的加权系数加权各监测点对应的位置，最后相加，得到最终待测源位置Le＝L1+L1·co1+L2·co2+L3·co3+L4·co4，Le表示估计的待测源的位置，L1、L2、L3和L4分别表示四角角上电磁辐射监测点的相对位置。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本发明从室内环境出发，将看不见、摸不着的电磁辐射进行数据可视化，绘制出公众通俗易懂的电磁频谱地图；在关注电磁辐射和电磁安全的情况下，设计了面向智慧电磁辐射信息服务***，展示家居环境电磁辐射态势，挖掘家居环境中潜在的电磁污染与电磁威胁；(2)本发明采用了空间抽样感知的方案，利用经过采样的部分网格点的样本能量数据，结合数学工具进行电磁辐射能量数据的补全，从而有效地还原出真实的电磁频谱态势信息；(3)本发明设计了一种有效的基于电磁辐射能量值的定位方式，以确定辐射源的具***置，从而保护用户的隐私安全。
附图说明
图1是本发明***组成示意图；
图2是本发明中辐射源定位与跟踪示意图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明智能家用电磁辐射信息服务***的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
本发明智能家用电磁辐射信息服务***包括电磁辐射源定位与跟踪、频谱地图与WIFI热点优化部署以及电磁辐射与人体健康三项服务功能，用户可以通过智能终端进行远程访问。如图1所示，所述***包括：电磁频谱监测点、数据采集中心、服务中心、数据库和智能终端。
电磁频谱监测点：使用无线电软件外设(USRP)作为电磁频谱监测点，所述电磁辐射监测点采集一段时间内当前位置的电磁辐射信号，获得电磁辐射信号时域的正交两路数据，并通过用户数据报协议(UDP)与上层交互，将两路数据上传至数据采集中心。
电磁辐射监测点采集电磁辐射信号时，将室内环境划分成网格，利用一台电磁频谱监测设备USRP采集部分网格位置的电磁辐射时域信号并经过数据采集中心进行数字信号处理，接着通过无线局域网的连接传至服务中心。由于电磁频谱监测设备USRP只采集了部分网格点的数据，因此得到的频谱地图是不完整的，需要对不完整的电磁辐射能量值进行矩阵补全算法的处理。
数据采集中心：数据采集中心对接收到的正交两路数据进行快速傅里叶变换(FFT)获得各个电磁频谱监测点USRP的电磁辐射幅频特性，选取幅频特性曲线中的最大值作为电磁辐射能量值。
服务中心：对电磁辐射能量值进行矩阵补全和辐射源定位算法处理，获得补全后的电磁辐射能量值数据以及和辐射源的坐标。
对于获取的部分网格点的电磁辐射能量值，应用FP-KN算法，将未检测网格位置的电磁辐射能量值补全建模为一个基于已知部分采样网格点数据的样本矩阵来恢复完整矩阵的优化问题。具体如下：
首先，令aij,表示空间上位置标号为(i,j)的网格对应的电磁辐射能量值，×表示空间上的未监测的网格点，其中空间划分为N×N个网格点，(i,j)分别表示对空间网格点位置标号的横纵下标。定义采样率为矩阵中实际测量网格点的个数与总网格数之比，希望通过尽可能少的实际测量网格数来获取全局频谱态势信息。上述问题可以用下式来表示：
其中，为空间采样后测量的部分网格点的电磁辐射能量的稀疏矩阵，为经过数据补全算法后的近似电磁频谱态势矩阵，A为实际的完整的室内频谱态势矩阵；为A子集,为A的近似。
然后，利用FP-KN算法来求解上述优化问题，该算法是对固定点延续算法(FPCA)的改进，利用最近邻居法(KNN)的思想进行初步补全处理。具体地说，当检测到稀疏矩阵的缺失数据时，用该数据周围最邻近的邻居网格(Nearest Neighbors)的电磁辐射能量的加权值来补全该空缺网格的电磁辐射能量值，并且KNN算法的精确程度与邻居数量(K)有正相关的关系。然后再根据FPCA的迭代算法进一步优化补全效果。
固定点延续算法(FPCA)的思想是一种运算分离技术，将依据一定的采样率得到部分网格点的电磁辐射能量数据记为子集E，则未经过监测网格点的频谱数据补全就可以建模为基于已知的数据矩阵来恢复完整的矩阵A,可以建模成如下优化问题：
其中，表示A属于N×N二维空间，||A||*表示矩阵A的范式(即该矩阵所有奇异值的和)，ν是一个标量参数，用以权衡式中相加的两部分。Ai,j表示A中下标为(i,j)的元素，则表示中下标为(i,j)的元素。
接下来就利用固定点延续算法来求解上述优化问题，该算法的思想是一种运算分离技术，主要利用如下两步简单的线性计算：
其中Y是中间量，Yk，Ak分别表示Y和A的k次方，Sν(·)表示矩阵缩放因子，τ是迭代因子,g(Mk)是函数在点处的梯度。对上式继续类推，最终可以收敛得到最优解则就是对样本能量数据进行建模补全后的完整的电磁辐射能量值，也是原始的电磁辐射频谱数据的近似。
数据库：存储对应的电磁辐射能量值，与服务中心进行补全数据和辐射源定位坐标等信息的交互，并通过浏览器/服务器(B/S)模式，设计网页界面展现出室内电磁辐射能量值，绘制出频谱地图。本发明将看不见、摸不着的电磁辐射进行数据可视化，绘制了表征室内电磁辐射信号强度与物理空间映射关系的电磁频谱地图。通过B/S模式提供电磁辐射信息服务，设计网页界面展现出电磁频谱数据。
智能终端：包括固定终端或者移动终端，可以通过智能终端的网页远程访问电磁辐射信息服务***，获取家居环境辐射的电磁频谱地图以及辐射源位置信息。
使用本发明所述信息服务***进行辐射源定位与跟踪的过程为：
如图2所示，假设室内环境的待测区域包含了3个网格，8个电磁辐射监测点USRP和1个辐射源(图中手机)。每个网格都是一个正方形，正方形四个角落上都放置了电磁辐射监测点USRP，相邻电磁辐射监测点USRP之间的距离相等。
当辐射源发射信号时，假设服务中心计算得到的8个电磁辐射监测点USRP能量值为[x1,x2,...,x8]，分别对应空间中的8个电磁辐射监测点USRP，即USRP1至USRP8，同时定义各个电磁辐射监测点USRP的相对位置为：
[L1,L2,...,L8]＝[(0,0)(0,1)(1,0)(1,1)(2,0)(2,1)(3,0)(3,1)]
则对辐射源进行定位的方法如下：
步骤一，根据实际场景中各个电磁辐射监测点USRP的位置重新排列能量值，则得能量值矩阵其中3个网格分别对应的子矩阵为
步骤二，选取四个角上电磁辐射监测点的能量值之和最大的网格，确定辐射源在此网格内。第一个网格的能量和sum1＝x1+x2+x3+x4，第二个网格的能量和sum2＝x3+x4+x5+x6，第三个网格的能量和sum3＝x5+x6+x7+x8，其中，sum1，sum2和sum3分别表示3个网格的能量和。假设这里，sum1＞sum2＞sum3，则认为辐射源在第一个网格内；
步骤三、根据步骤二选出的网格的四个能量值确定其位置的加权系数。考虑到测得的能量值一般为负数，所以加权系数的计算过程为：求绝对值，求倒数，求N次方，归一化。具体为，上面得到的网格为首先求其绝对值和倒数然后求N次方最后归一化，设
X＝1/|x1|N+1/|x2|N+1/|x3|N+1/|x4|N，则加权系数
步骤四，根据步骤三获得的加权系数加权其对应的位置，最后相加，得到最终待测源的估计位置。
第一个网格中4个点的位置为最后估计位置Le＝L1+L1·co1+L2·co2+L3·co3+L4·co4，Le表示估计的待测源的位置，L1,L2,L3,L4分别表示电磁辐射监测点USRP1、USRP2、USRP3和USRP4的相对位置，co1，co2，co3，co4表示加权系数。

Claims (2)

1.一种智能家用电磁辐射信息服务***，其特征在于，包括电磁频谱监测点、数据采集中心、服务中心、数据库和智能终端；
所述电磁辐射监测点采集一段时间内部分位置的电磁辐射信号，获得电磁辐射信号时域的正交两路数据，并将两路数据上传至数据采集中心；
数据采集中心对接收到的正交两路数据进行快速傅里叶变换获得各个电磁频谱监测点的电磁辐射幅频特性，选取幅频特性曲线中的最大值作为电磁辐射能量值，多个电磁辐射监测点的电磁辐射能量值组成电磁辐射能量值矩阵；
服务中心对电磁辐射能量值矩阵进行补全，并对辐射源进行定位，获得补全后的电磁辐射能量值数据以及和辐射源的位置坐标；
数据库存储电磁辐射能量值，并通过浏览器/服务器模式，用网页界面展现出室内电磁辐射能量值，绘制出电磁频谱地图；
智能终端通过网页远程访问数据库，获取电磁频谱地图以及辐射源位置坐标信息；
所述电磁辐射监测点采集电磁辐射信号时，将室内环境划分成网格，使用一台电磁频谱监测设备采集部分网格位置的电磁辐射信号；
服务中心先使用最近邻居法对电磁辐射能量值矩阵进行补全时，然后再根据固定点延续迭代算法进一步优化补全效果；
服务中心对辐射源定位的过程为：
(1)设室内环境划分的网格为正方形，每个网格四个角落上均放置电磁辐射监测点；
(2)选取四个角上电磁辐射监测点所测得的能量值之和最大的网格；
(3)根据所述能量值之和最大的四个角上电磁辐射监测点所测得的能量值该网格的位置加权系数，具体为：假设四个角上电磁辐射监测点所测得的能量值矩阵为首先求其绝对值和倒数然后求N次方最后归一化，设X＝1/|x1|N+1/|x2|N+1/|x3|N+1/|4|N，则加权系数为：
其中，co1、co2、co3和co4表示四个角上电磁辐射监测点的位置加权系数，x1、x2、x3和x4表示四个角上电磁辐射监测点所测得的能量值；
(4)根据(3)获得的加权系数加权各监测点对应的位置，最后相加，得到最终待测源的位置Le＝L1+L1·co1+L2·co2+L3·co3+L4·co4，Le表示待测源的位置，L1、L2、L3和L4分别表示四角角上电磁辐射监测点的相对位置。
2.如权利要求1所述智能家用电磁辐射信息服务***，其特征在于，智能终端为固定终端或者移动终端。
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