基于Wi—Fi的便攜式γ劑量率儀的無線通訊設(shè)備的研制

顏華 朱月龍 谷韶中

【摘 要】環(huán)境γ劑量率在秦山核電的常規(guī)環(huán)境監(jiān)測和應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測是必開展的重要測量項(xiàng)目之一，特別在應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測中，γ劑量率數(shù)據(jù)為應(yīng)急決策和驗(yàn)證事故后果評價(jià)結(jié)果提供重要的參考。通過設(shè)計(jì)和制作基于Wi-Fi的便攜式γ劑量率儀的無線通訊設(shè)備，在執(zhí)行常規(guī)環(huán)境監(jiān)測、應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測的陸域環(huán)境巡測時(shí)，使秦山核電具備定點(diǎn)γ劑量率數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)傳輸至應(yīng)急控制中心的能力，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性、準(zhǔn)確性。該無線通訊設(shè)備自2014年研制完后并投入使用，在近5年的使用狀況良好。

【關(guān)鍵詞】無線數(shù)據(jù)傳輸；秦山核電；輻射環(huán)境監(jiān)測；γ劑量率

中圖分類號： TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）33-0010-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.004

【Abstract】Environmental gamma dose rate is one of the important measurement items to be carried out in the routine environmental monitoring and emergency environmental monitoring of Qinshan Nuclear Power Plant. Especially in emergency environmental monitoring， the gamma dose rate data provide important reference for emergency decision-making and verification of accident consequence evaluation results. Through the design and manufacture of wireless communication equipment based on Wi-Fi portable gamma dose rate meter， Qinshan Nuclear Power Station has the ability of real-time automatic transmission of fixed-point gamma dose rate data to emergency control center， which improves the timeliness and accuracy of data transmission during the land environmental patrol of routine environmental monitoring and emergency environmental monitoring. The wireless communication equipment has been put into use since it was developed in 2014， and has been in good use in the past 5 years.

【Key words】Wireless data transmission； Qinshan nuclear power； Radiation environmental monitoring； Gamma dose rate

0 引言

核電廠在事故工況下開展必要的應(yīng)急輻射環(huán)境監(jiān)測，為核電廠及其周邊環(huán)境質(zhì)量評價(jià)提供現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷事故發(fā)展趨勢，評價(jià)輻射影響后果，判定受影響區(qū)域范圍，為應(yīng)急決策提供技術(shù)支持。

環(huán)境γ劑量率作為應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測中重要項(xiàng)目之一，對于環(huán)境輻射評價(jià)和事故邊界的確定有重要技術(shù)參考。目前秦山核電采用德國Automess的6150AD-b用于開展常規(guī)環(huán)境監(jiān)測和應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測的環(huán)境γ劑量率測量工作。該便攜式γ劑量率儀接口為半月形6芯接口，可通過串口和藍(lán)牙與電腦連接，串口通訊距離受數(shù)據(jù)線長度限制且不方便，藍(lán)牙通訊的有效傳輸物理范圍有限，且易受車輛和地形的影響。為大大提高數(shù)據(jù)傳輸距離和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，通過基于802.11b/g/n協(xié)議的無線傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)長距離數(shù)據(jù)無線傳輸，確保γ劑量率儀的測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)不間斷傳送車載電腦，最終為應(yīng)急防護(hù)行動(dòng)決策提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也為減少核事故工況下應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測隊(duì)員在應(yīng)急監(jiān)測車外的暴露時(shí)間，以減少環(huán)境監(jiān)測隊(duì)員在車外開展環(huán)境監(jiān)測時(shí)受到的照射劑量。由于市場上目前沒有適用于便攜式γ劑量率儀的Wi-Fi設(shè)備，本文將研制基于Wi-Fi的便攜式γ劑量率儀的無線通訊設(shè)備。

1 Wi-Fi傳輸技術(shù)的優(yōu)越性

Wi-Fi是一種無線通信協(xié)議，即IEEE802.11協(xié)議，主要為提供WLAN接入，工作頻率為2.4GHz，在傳輸速率方面，802.11b、802.11g的傳輸最高速率分別為11Mbps、54Mbps，802.11n可以將WLAN的傳輸速率提高到300Mbps甚至600Mbps[1]。工作頻率同樣為2.4GHz的藍(lán)牙，作為一種電纜替代技術(shù)，主要用于通信和信息設(shè)備的無線連接，傳輸速率為1Mb/s[2]。

在傳輸距離方面，Wi-Fi的覆蓋范圍廣，有效物理范圍至少為100米，藍(lán)牙傳輸?shù)挠行锢矸秶蠹s為10米。

2 設(shè)備方案設(shè)計(jì)

由于γ劑量率儀配置的藍(lán)牙設(shè)備傳輸有效物理范圍為10米，Wi-Fi在傳輸距離和傳輸速率方面較藍(lán)牙有較大優(yōu)勢，為大大提高數(shù)據(jù)傳輸距離和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，故考慮將γ劑量率儀數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成Wi-Fi信號，建立一個(gè)無線局域網(wǎng)，車載電腦通過該無線局域網(wǎng)連接到γ劑量率儀，獲取、保存、實(shí)時(shí)上傳劑量率儀數(shù)據(jù)。

基于Wi-Fi的便攜式γ劑量率儀的無線通訊設(shè)備由四部分組成，分別為Wi-Fi芯片、電源供電、電壓匹配、γ劑量率數(shù)據(jù)信號協(xié)議處理。

2.1 Wi-Fi芯片

Wi-Fi芯片是便攜式γ劑量率儀無線設(shè)備的核心。Wi-Fi芯片有板載芯片天線和外接天線兩種形式。經(jīng)過查閱資料，選購了WIFI232A和WIFI232B兩種芯片，啟動(dòng)時(shí)間為6s，輸入電壓為3.3V，輸入電流為170mA～300mA，信號輸入為TTL電平，其中A型號為內(nèi)置板載天線版，傳輸距離為150米，B型號為外置天線版，傳輸距離為400米。經(jīng)過實(shí)際測試，二種版本天線的Wi-Fi芯片的傳輸有效物理范圍均能滿足100米的要求，為縮小研制的設(shè)備體積，此次研制的無線通訊設(shè)備采用內(nèi)置板載天線的Wi-Fi芯片。

2.2 電源供電

因Wi-Fi設(shè)備的耗電較藍(lán)牙設(shè)備偏大，電源供電是該便攜式γ劑量率儀無線設(shè)備續(xù)航的關(guān)鍵。此次電源供電采用外置電源和劑量率儀的干電池兩種不同方式的供電，且可自由切換，外置供電為主要供電方式，劑量率儀的干電池供電只是作為一種備用供電方式。

考慮便攜性，外置電源可采用充電寶，在正常情況下，優(yōu)先采用外置電源給γ劑量率無線設(shè)備供電，以實(shí)現(xiàn)在不影響便攜式γ劑量率儀續(xù)航的同時(shí)而提高γ劑量率儀數(shù)據(jù)傳輸距離和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在無外置電源或外置電源耗盡情況下，采用γ劑量率儀的干電池給γ劑量率儀無線通信設(shè)備供電，以保證劑量率儀數(shù)據(jù)的有效傳輸。

2.3 電壓匹配

采用充電寶的外置電源，輸出電源電壓為5V；γ劑量率儀采用9V干電池供電，經(jīng)6150AD主機(jī)設(shè)備后，γ劑量率儀接口輸出電源電壓為4.75V，Wi-Fi芯片的電源輸入電壓為3.3V，因三者電源電壓的不匹配，故需對供電電源電壓進(jìn)行電壓匹配處理。為使電壓匹配具有良好的安全性和穩(wěn)定性，且使用方便，采用芯片進(jìn)行直流電源降壓，以使三者電源電壓相匹配。

經(jīng)過大量查閱資料與調(diào)研，決定采用AMS1117-3.3芯片進(jìn)行直流降壓。AMS1117-3.3是一種輸出電壓為3.3V的正向低壓降穩(wěn)壓器，當(dāng)輸入電壓為4.75V～12V、輸入電流為0～1A時(shí)，輸出電壓為3.267～3.333V。

2.4 γ劑量率數(shù)據(jù)信號協(xié)議處理

γ劑量率儀信號為RS232的通信協(xié)議，而Wi-Fi芯片信號輸入要求為TTL電平，故需對γ劑量率儀數(shù)據(jù)信號協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換。RS232的信號轉(zhuǎn)換為TTL電平信號，雖然可采用三極管、電阻等電路可以實(shí)現(xiàn)，但為保證信號轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性以及后續(xù)批量制作的便利性，決定采用芯片來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過大量查閱資料與調(diào)研，選擇MAX3232CSE芯片進(jìn)行γ劑量率數(shù)據(jù)信號協(xié)議處理。

根據(jù)以上四部分的方案，無線通訊設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1。

3 無線設(shè)備樣本的制作及測試

3.1 無線設(shè)備樣本的制作

根據(jù)無線通訊設(shè)備結(jié)構(gòu)方案與結(jié)構(gòu)圖，電源的供電方式選擇由開關(guān)控制，外接電源接口為MicroUSB接口，手工制作出γ劑量率儀無線通訊設(shè)備的樣本，如圖2。

3.2 無線設(shè)備測試

便攜式γ劑量率儀的無線通訊設(shè)備測試主要開展功耗測試、距離測試、數(shù)據(jù)接收穩(wěn)定性測試等。

（1）功耗測試。在無線通訊設(shè)備采用外置電源供電時(shí)，外部電源輸出為5V，通過萬用表測量電流為220mA，該無線通訊設(shè)備功耗為1.1VA。根據(jù)估算，當(dāng)外置電源采用20000mAh的充電寶時(shí)，無線通訊設(shè)備最多可工作90小時(shí)。

（2）距離測試。在室外條件下，將無線通訊設(shè)備放置離車載電腦距離分別為50米、75米、100米、125米、150米時(shí)，在車載電腦上讀取γ劑量率儀的數(shù)據(jù)，根據(jù)測試結(jié)果，γ劑量率儀數(shù)據(jù)在上述5個(gè)距離點(diǎn)接收數(shù)據(jù)均正常。

（3）將連接了無線通訊設(shè)備的6150AD-b放置在距離筆記本電腦為100米處的地方，6150AD-b的劑量率數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)頻率為1秒鐘，開展了2小時(shí)？54分鐘的連續(xù)穩(wěn)定性測試，通過測試結(jié)果表明：未發(fā)生γ劑量率數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)丟失，此次制作的γ劑量率儀無線通訊設(shè)備工作穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過此次設(shè)計(jì)并制作便攜式γ劑量率儀6150AD-b的無線通訊設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了便攜式γ劑量率儀6150AD-b的劑量率儀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)傳輸至車載電腦，最終實(shí)時(shí)傳輸至應(yīng)急控制中心的數(shù)據(jù)庫，使秦山核電具備定點(diǎn)環(huán)境γ劑量率數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)傳輸至應(yīng)急控制中心的能力，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性、準(zhǔn)確性，為應(yīng)急防護(hù)行動(dòng)決策提供數(shù)據(jù)支持；同時(shí)減少了應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測隊(duì)員在執(zhí)行應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測時(shí)車外的暴露時(shí)間，達(dá)到減少環(huán)境監(jiān)測隊(duì)員在開展應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測時(shí)受到的照射劑量；該無線通訊設(shè)備自2014年開使用以來，在近5年的使用時(shí)間內(nèi)，使用狀況良好。

該無線通訊設(shè)備同樣可應(yīng)用于α、β表面污染儀6150AD-k，使秦山核電環(huán)境監(jiān)測具備定點(diǎn)α、β、γ劑量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)傳輸至控制中心的能力；該無線通訊設(shè)備還可根據(jù)其他品牌或型號的α、β表面污染儀、γ劑量率儀的輸出接口增加轉(zhuǎn)換接頭，即可推廣到該品牌或型號的相應(yīng)設(shè)備。

【參考文獻(xiàn)】

[1]唐思敏.WIFI技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].福建電腦，2009，25（10）：59+82.

[2]蔡型，張思全.短距離無線通信技術(shù)綜述[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004（03）：65-67+76.