核物質(zhì)研究應(yīng)用過程中的監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計*

王長清，曹 淵

（1.河南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007；2.河南師范大學(xué) 電磁波特征信息探測河南省高等學(xué)校重點學(xué)科開放實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453007）

核物質(zhì)研究應(yīng)用過程中的監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計*

王長清1，2，曹 淵1

（1.河南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007；2.河南師范大學(xué) 電磁波特征信息探測河南省高等學(xué)校重點學(xué)科開放實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453007）

研究一種基于ZigBee的核物質(zhì)監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)可輔助科研部門針對核物質(zhì)在應(yīng)用研究過程中出現(xiàn)的盜竊、意外泄露、區(qū)域警示等問題進(jìn)行實時監(jiān)控，多節(jié)點協(xié)同工作，對研究人員周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和區(qū)域警示，確保工作人員安全。采用信號強度指示RSSI標(biāo)定方式完成對核物質(zhì)警示區(qū)域的確定，減少芯片負(fù)荷，不依賴參考節(jié)點坐標(biāo)設(shè)定，提升系統(tǒng)的靈活性。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)實時性可靠，拓展性優(yōu)越，標(biāo)定誤差在可接受范圍內(nèi)，可以滿足應(yīng)用需求。

ZigBee；應(yīng)用研究；盜竊；泄露；RSSI

0 引言

隨著核技術(shù)在科研與生產(chǎn)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，核實驗室和研究機構(gòu)越來越多，由于輻射射線會對人體造成傷害，所以核物質(zhì)研究應(yīng)用中的安全監(jiān)控問題不可忽略。文獻(xiàn)[1]介紹了一種基于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但實時監(jiān)控性差，而且需要大量人力物力。文獻(xiàn)[2-4]提出用GPRS或 ZigBee無線技術(shù)對核電站等大面積區(qū)域進(jìn)行輻射監(jiān)測，由于功能單一，無法小型化應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境下的科研部門。文獻(xiàn)[5-6]設(shè)計出無線個人輻射儀，實現(xiàn)對佩戴人員周邊環(huán)境進(jìn)行探測，當(dāng)個人輻射儀發(fā)出警報時，說明人員已經(jīng)處于輻射環(huán)境中，由于無法做出提前預(yù)警，所以不能確保個人人身安全。

本文以無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳感器設(shè)計研究成果[7-10]為基礎(chǔ)，借鑒現(xiàn)有輻射監(jiān)控技術(shù)的優(yōu)點[1-6]，提出對核物質(zhì)在研究應(yīng)用過程中的監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計，利用無線局域網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時在線監(jiān)控；以多組數(shù)據(jù)中信號強度指示RSSI的距離標(biāo)定值進(jìn)行警戒范圍判定，對核物質(zhì)是否發(fā)生偷盜或人員誤入警戒區(qū)進(jìn)行監(jiān)控，不依賴參考節(jié)點坐標(biāo)設(shè)定，提升了系統(tǒng)的靈活性。安放在研究室周圍的監(jiān)控節(jié)點和安置在適當(dāng)位置的移動監(jiān)測節(jié)點，不僅可以對核物質(zhì)發(fā)生盜竊和人員誤入警戒區(qū)做出警報，當(dāng)實驗過程中核物質(zhì)發(fā)生輻射泄露時，及時向外發(fā)送輻射危險警報，確保相關(guān)人員人身安全，系統(tǒng)更加安全化、智能化。

1 系統(tǒng)原理與框架設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體由3部分組成：監(jiān)測管理中心、移動監(jiān)測節(jié)點和監(jiān)控節(jié)點。監(jiān)測管理中心是 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器部分，用于建立無線局域網(wǎng)絡(luò)，通過串口總線與PC主機通信，實時記錄網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；當(dāng)判定有危險存在時，促發(fā)報警裝置。移動監(jiān)測節(jié)點分為兩類，一類是佩戴于工作人員身邊的個人警示儀，當(dāng)工作人員誤入警戒區(qū)域或周圍環(huán)境存在輻射危險時，通過聲光報警的方式通知工作人員進(jìn)行相應(yīng)處理；另一類是安裝在核物質(zhì)放置容器上標(biāo)記節(jié)點，當(dāng)檢測到核物質(zhì)被移動時，向監(jiān)控節(jié)點發(fā)送移動警報信息。監(jiān)控節(jié)點用于判斷和監(jiān)測核物質(zhì)在研究應(yīng)用過程中是否被偷盜移出工作警戒區(qū)、工作人員誤入警戒區(qū)和核物質(zhì)發(fā)生輻射泄漏，當(dāng)檢測到危險信號時，向監(jiān)測管理中心發(fā)送危險信號。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 輻射探測原理與方法

核物質(zhì)在經(jīng)歷衰變過程中，伴隨性地產(chǎn)生對人體有害的α、β、γ三種射線，通過探測器監(jiān)測以上射線是否超過正常輻射劑量值來判斷放射性物質(zhì)是否發(fā)生輻射泄漏。

本系統(tǒng)只為在發(fā)生輻射危險時及時探測到泄露信號，不用精確地探測輻射劑量率和射線的種類，綜合成本消費和電路復(fù)雜程度，選用具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、體積小的J705型G-M計數(shù)管作為輻射探測前端。J705型G-M計數(shù)管是一種薄壁鹵素計數(shù)管。計數(shù)管的信號采集方式分為陽極和陰極兩種，陰極脈沖信號小于陽極的脈沖信號，但獲得的信號更穩(wěn)定、安全，系統(tǒng)選擇從陰極，即G-M計數(shù)管的外殼部分采集信號。由于G-M計數(shù)管產(chǎn)生的脈沖信號屬于尖峰脈沖信號，并且伴隨雜波干擾，在進(jìn)行脈沖計數(shù)前需要對脈沖信號進(jìn)行濾波、整形和放大處理。脈沖信號處理電路如圖2所示。

圖2 脈沖信號處理電路

1.3 警戒區(qū)域判定方式

無線局域網(wǎng)絡(luò) ZigBee系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域判定大多數(shù)采用無線定位方式，利用數(shù)據(jù)接收信號強度指示RSSI的數(shù)值，經(jīng)過理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離值，運用算法根據(jù)參考節(jié)點位置坐標(biāo)計算出節(jié)點位置。一般方式得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)誤差較大，為得到精確的數(shù)據(jù)，常采用復(fù)雜算法對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，此方法使得芯片負(fù)荷增加，參考節(jié)點坐標(biāo)固定不變，系統(tǒng)靈活性隨之下降。本文采用信號強度指示與距離實驗標(biāo)定的方式進(jìn)行區(qū)域劃定。首先對接收的信號強度指示值進(jìn)行補碼計算得到RSSI的原碼數(shù)值，由于 RSSI的波動容易造成誤差，所以對同一位置的RSSI值多次采集，運用遞推平均濾波法，把計算后穩(wěn)定的數(shù)據(jù)與距離進(jìn)行標(biāo)定。記錄兩節(jié)點每增加一定距離時的數(shù)值，以此設(shè)定警戒區(qū)域范圍。區(qū)域的判定不依賴參考節(jié)點的具體坐標(biāo)數(shù)據(jù)，僅與距離相關(guān)，提升了系統(tǒng)的靈活性。

2 硬件體系設(shè)計

2.1 標(biāo)記節(jié)點硬件組成

標(biāo)記節(jié)點安裝在核物質(zhì)容器上，用于檢測核物質(zhì)是否被移出工作警戒區(qū)，主要由ZigBee模塊作為控制器外接撥碼開關(guān)和振動傳感器等，撥碼開關(guān)可以根據(jù)節(jié)點數(shù)量選擇合適的位數(shù)，使得所有節(jié)點的編碼值都不相同，對所有節(jié)點進(jìn)行編碼區(qū)分?？紤]到實際情況，節(jié)點采用電池供電。標(biāo)記節(jié)點硬件組成如圖3所示。

圖3 標(biāo)記節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

2.2 個人警示儀硬件電路

個人警示儀屬于移動節(jié)點，佩戴在工作人員身邊，對其周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)環(huán)境中有輻射或人員進(jìn)入警戒區(qū)域內(nèi)時，通過燈光與不同頻率驅(qū)動的蜂鳴器響聲進(jìn)行報警。主要由 ZigBee模塊、輻射探測模塊、撥碼開關(guān)、無源蜂鳴器、LED燈模塊和電池模塊組成，輻射探測模塊包含G-M計數(shù)管與相應(yīng)的電源管理模塊。個人警示儀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 個人警示儀硬件結(jié)構(gòu)

2.3 協(xié)調(diào)器硬件電路

協(xié)調(diào)器作為無線網(wǎng)絡(luò)的建立節(jié)點，通過串口總線與PC機組成監(jiān)測管理中心，主要由電源適配器、聲光報警裝置和串口總線模塊組成。協(xié)調(diào)器一方面判斷網(wǎng)絡(luò)中是否存在危險，若存在危險，促發(fā)聲光報警裝置。另一方面把接收到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)絇C機進(jìn)行顯示記錄，使相關(guān)人員可以根據(jù)記錄情況分析危險種類，采取合理的處理措施。協(xié)調(diào)器電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)

2.4監(jiān)控節(jié)點硬件電路

監(jiān)控節(jié)點安放在核物質(zhì)應(yīng)用研究室的四周，主要由電源適配器、ZigBee模塊和輻射探測模塊組成。監(jiān)測放置在核物質(zhì)容器上的標(biāo)記節(jié)點是否離開設(shè)定的警戒區(qū)域和佩戴有個人警示儀的工作人員是否進(jìn)入工作警戒區(qū)；當(dāng)核物質(zhì)在研究過程中發(fā)生輻射泄漏時，監(jiān)控節(jié)點迅速向協(xié)調(diào)器發(fā)送輻射危險信號。整體電路設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 監(jiān)控節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 標(biāo)記節(jié)點程序設(shè)計

節(jié)點上電后，初始化各功能模塊，按照設(shè)定的ID值加入網(wǎng)絡(luò)。入網(wǎng)成功后讀取撥碼開關(guān)值作為識別序號，檢測振動傳感器是否有移動警報信號，若有振動信號，向監(jiān)控節(jié)點發(fā)送移動警報信息，否則進(jìn)入休眠狀態(tài)，降低系統(tǒng)能耗。軟件流程如圖7所示。

圖7 標(biāo)記節(jié)點程序流程

3.2 個人警示儀程序設(shè)計

個人警示儀上電后檢查是否加入網(wǎng)絡(luò)，若成功入網(wǎng)，說明工作人員活動在核物質(zhì)研究實驗室附近。監(jiān)控節(jié)點發(fā)送撥碼開關(guān)的編碼值等移動警報信息，等待系統(tǒng)回執(zhí)警告信號，如果收到警告信號，表明工作人員已經(jīng)進(jìn)入警戒區(qū)域，個人警示儀通過設(shè)定的脈沖信號驅(qū)動蜂鳴器和LED燈組發(fā)出遠(yuǎn)離警示。當(dāng)輻射探測模塊探測到的輻射劑量超過設(shè)定閾值，說明有輻射泄露危險，個人警示儀驅(qū)動蜂鳴器和LED燈組發(fā)出輻射警示，提醒工作人員進(jìn)行相應(yīng)處理。程序流程圖如圖8所示。

3.3 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計

協(xié)調(diào)器上電后掃描信道建立合適的局域網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)接收到監(jiān)控節(jié)點的警報信息時，對所有監(jiān)控節(jié)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判定，如果結(jié)果顯示核物質(zhì)被移出工作警戒區(qū)，則判定核物質(zhì)處于盜竊危險狀態(tài)，驅(qū)動聲光報警器通知相關(guān)人員；當(dāng)判定結(jié)果是工作人員誤入安全警戒區(qū)，則向個人警示儀發(fā)送警告命令。若接收到的信息是輻射泄漏警報，直接驅(qū)動聲光報警器，協(xié)調(diào)器把相關(guān)信息通過串口總線在PC機上進(jìn)行顯示記錄，便于管理人員采取合理的處理方式。協(xié)調(diào)器程序設(shè)計如圖9所示。

圖8 個人警示儀程序流程

圖9 協(xié)調(diào)器程序流程

3.4 監(jiān)控節(jié)點軟件設(shè)計

一個監(jiān)控節(jié)點只能監(jiān)測該節(jié)點下的扇形區(qū)域，所有監(jiān)控節(jié)點的扇形疊加區(qū)域定義為工作警戒區(qū)。監(jiān)控節(jié)點正常運行后等待接收移動監(jiān)測節(jié)點的移動警報信號，并啟動輻射探測模塊對工作環(huán)境進(jìn)行輻射探測。當(dāng)探測的輻射劑量超過設(shè)定閾值，說明有輻射泄露危險，向協(xié)調(diào)器發(fā)送輻射危險信息。當(dāng)監(jiān)控節(jié)點接收到移動監(jiān)測節(jié)點的移動警報信息時，提取信息中的RSSI值并進(jìn)行轉(zhuǎn)化，把轉(zhuǎn)化值和標(biāo)定值進(jìn)行對比。如果移動監(jiān)測節(jié)點超出該監(jiān)控節(jié)點預(yù)先設(shè)定的閾值范圍，如標(biāo)記節(jié)點發(fā)生盜竊被移出或佩戴有個人警示儀工作人員誤入工作警戒區(qū)域，則向協(xié)調(diào)器發(fā)送移動警報信息，否則發(fā)送安全移動信息。軟件流程如圖10所示。

圖10 監(jiān)控節(jié)點程序流程

4 實驗數(shù)據(jù)與分析

環(huán)境溫濕度和WiFi網(wǎng)絡(luò)對無線網(wǎng)絡(luò)的信號強度指示RSSI數(shù)值有一定的影響，不同條件下對 RSSI與距離的標(biāo)定值有一定差異。在溫度為31℃、濕度為 43%，有WiFi覆蓋的實驗室條件下進(jìn)行 RSSI值與距離的標(biāo)定，經(jīng)實驗證明，當(dāng)對同一位置的RSSI值進(jìn)行 15次提取就可以達(dá)到相對穩(wěn)定結(jié)果。表1所示為距離與RSSI原碼值的關(guān)系，測試單位為 0.05 m。結(jié)果表明，誤差距離在0.5 m內(nèi)，達(dá)到預(yù)期結(jié)果。

表1 RSSI原碼與距離關(guān)系

對于不同的輻射環(huán)境，需要對輻射探測模塊設(shè)定一定的劑量閾值，當(dāng)探測到的劑量值大于設(shè)定的閾值時，說明發(fā)生輻射泄露危險。試驗中采用微輻射源大理石作為放射源，輻射劑量閾值設(shè)置為CMP=40，輻射監(jiān)測結(jié)果如圖11所示。

5 結(jié)論

圖11 輻射監(jiān)測結(jié)果

本文主要從硬件設(shè)計與軟件編譯兩個方面介紹了一種核物質(zhì)在研究應(yīng)用過程中監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計方案，系統(tǒng)實現(xiàn)了對核物質(zhì)智能實時監(jiān)控和工作人員的安全警示。該系統(tǒng)成本低，布置方便靈活，有利于科研部門的管理和調(diào)度水平的提高。

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Design of supervision system at the nuclear material research and application

Wang Changqing1，2，Cao Yuan1
(1.School of Physics and Electronic Engineering,Henan Normal University，Xinxiang 453007，China；2.Henan Key Discipline Open Laboratory of Electromagnetic Wave Detecting,Henan Normal University，Xinxiang 453007，China)

A design of nuclear material monitoring system based on ZigBee is introduced in this paper,the system can be aided scientific research departments for nuclear material in the application and reserch process of theft,accidental leaks,regional warning and other issues for real-time monitoring;multinode coorperative work and the surrounding environment of researchers are monitoring and warning area,to ensure the safety of staff.The signal strength indicator RSSI was used to determine the warning area of the nuclear material,reduce the load,not depend on the reference node set and enhance the flexibility of the system.The test results show that the system is reliable and has good real-time performance,and can meet the application requirements in the acceptable range.

ZigBee；application reserch；theft；leaks；RSSI

TP212

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.021

王長清，曹淵.核物質(zhì)研究應(yīng)用過程中的監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(11)：74-77.

英文引用格式：Wang Changqing，Cao Yuan.Design of supervision system at the nuclear material research and application[J]. Application of Electronic Technique，2015，41(11)：74-77.

2015-07-10）

王長清（1973-），男，博士，副教授，主要研究方向：數(shù)字信號處理與嵌入式技術(shù)。

河南省重點科技攻關(guān)計劃項目（122102310483）

曹淵（1990-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：信息處理技術(shù)處理，E-mail：wlky@htu.cn。