基于藍(lán)牙通信模塊的遠(yuǎn)程多體式個人輻射劑量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

燕光光，張婷，鞏金霖，李文杰，石春花

長治醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，長治市，046000

0 引言

隨著核技術(shù)的迅猛發(fā)展和應(yīng)用場所的不斷增加，越來越多的人們不得不直面輻射過度的危險，因此，輻射劑量的實(shí)時監(jiān)控與報警，對于在高放射性場所的工作人員的健康有著非常重要的意義。截至目前，國內(nèi)外儀器儀表領(lǐng)域已研制出各種各樣的輻射劑量儀[1]，用以保障人員健康，減少輻射污染等。但是，一方面，這些大型輻射劑量儀存在“不方便攜帶”“操作繁瑣”“實(shí)時監(jiān)控效果不盡如人意”等問題，限制了其在個人應(yīng)用方面的發(fā)展；另一方面，醫(yī)用電子產(chǎn)品可穿戴式、便攜式、移動式、無線式等的發(fā)展需求[2]已趨于常態(tài)化，藍(lán)牙等相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用幾乎成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的必備模塊，便于實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備與移動設(shè)備之間短距離數(shù)據(jù)的交換，甚至可實(shí)現(xiàn)特殊情況下與個人域網(wǎng)進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換。

基于此，筆者設(shè)計(jì)了一款輻射劑量檢測系統(tǒng)，主機(jī)和從機(jī)分離放置，通過藍(lán)牙串口實(shí)現(xiàn)主從機(jī)的連接，信號的收發(fā)等，使用人員僅攜帶主機(jī)設(shè)備或直接使用個人手機(jī)即可完成對周圍環(huán)境輻射劑量的監(jiān)控、報警等一系列功能，有助于從業(yè)人員對工作環(huán)境輻射量的及時掌握，甚至必要時采取有效的措施，具有一定的實(shí)用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由從機(jī)和主機(jī)兩部分組成，具體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Block diagram of the system

從機(jī)包括ATmega32A主控模塊[3]，顯示模塊以及蓋革計(jì)數(shù)器模塊。蓋革計(jì)數(shù)器是環(huán)境輻射監(jiān)測的前端，采集周圍環(huán)境中實(shí)時存在的電離輻射，當(dāng)外界帶電粒子進(jìn)入蓋革管，產(chǎn)生脈沖電流信號后，ATmega32A負(fù)責(zé)處理脈沖信號并計(jì)數(shù)，利用藍(lán)牙模塊將接受到的脈沖計(jì)數(shù)發(fā)送給主機(jī)。此外，ATmega32A單片機(jī)也是一個獨(dú)立單元，可以將處理得到的輻射劑量值顯示并決定是否報警。

主機(jī)包括Arduino主控模塊和顯示模塊。主機(jī)的藍(lán)牙模塊接收來自從機(jī)的數(shù)據(jù)，利用Arduino處理后，顯示在OLED模塊上，并決定是否利用聲光模塊進(jìn)行報警。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收設(shè)備多樣，可選Arduino平臺或個人手機(jī)作為數(shù)據(jù)接收端，接收計(jì)量數(shù)據(jù)，執(zhí)行操作并顯示。

主從機(jī)兩部分使用了同樣的藍(lán)牙模塊和報警模塊。

2 主要硬件選擇

2.1 從機(jī)主控模塊與顯示

采用ATmega32A單片機(jī)作為系統(tǒng)從機(jī)的主控模塊[3]，其是一款目前主流的8位CMOS微控制器。利用外部中斷可對蓋革計(jì)數(shù)器輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，定時器負(fù)責(zé)計(jì)數(shù)周期的定時，USART負(fù)責(zé)對藍(lán)牙模塊的控制，兩線接口TWI負(fù)責(zé)與LCD1602的通信，即將數(shù)據(jù)顯示到LCD1602屏幕上。這里，屏幕功能和參數(shù)設(shè)計(jì)以某一次測量數(shù)據(jù)顯示為說明，如圖2所示，具體包括：“CO=004”代表一個計(jì)數(shù)周期內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)值，單位“個”；“CPM=030”代表每分鐘的脈沖總數(shù)，單位“個/分”；“safe”代表安全性的評價[4]；“00.19uSv/h”為當(dāng)下具體輻射劑量值，由于LCD1602顯示能力的限制，劑量單位“μSv/h”用“uSv/h”代替。

圖2 LCD1602顯示屏Fig.2 LCD1602 display screen

2.2 主機(jī)主控模塊與顯示

采用Arduino Uno R3為主機(jī)部分的主控模塊，Arduino是一種新興的嵌入式開發(fā)平臺，與傳統(tǒng)單片機(jī)相比，Arduino開發(fā)平臺具有開源性，使用方便，功能多樣，成本較低的特點(diǎn)[5-6]。1.3 in的OLED顯示屏作為主機(jī)部分的顯示模塊，其實(shí)現(xiàn)的功能和參數(shù)設(shè)計(jì)完全與從機(jī)的LCD1602顯示相同，唯一有區(qū)別的是，OLED屏幕的左上角動態(tài)顯示有四個周期的計(jì)數(shù)值的變化趨勢。

2.3 蓋革計(jì)數(shù)器模塊

采用型號為M4011的蓋革管[7]作為輻射劑量探測元件，可用來探測輻射劑量[8-9]，包括α粒子，β射線，X射線以及γ射線。當(dāng)蓋革管檢測到輻射粒子時，會輸出一個對應(yīng)的脈沖信號，信號經(jīng)放大，進(jìn)入單片機(jī)I/O口，觸發(fā)外部中斷，單片機(jī)對一個計(jì)量周期的中斷信號進(jìn)行累加，得到每分鐘脈沖總數(shù)，進(jìn)而求得當(dāng)前時段的輻射劑量。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 從機(jī)程序設(shè)計(jì)

主機(jī)和從機(jī)流程如圖3（a）所示，開機(jī)初始化后，藍(lán)牙從機(jī)自動與數(shù)據(jù)接收端的主機(jī)藍(lán)牙配對。蓋革計(jì)數(shù)器發(fā)出的脈沖信號引發(fā)微處理器ATmega32A的一次外部中斷，使全局變量count執(zhí)行加一操作，即記錄一次脈沖。這里，軟件設(shè)計(jì)12 s為采樣頻率，12 s內(nèi)的計(jì)數(shù)次數(shù)作為原始數(shù)據(jù)，利用USART發(fā)送至藍(lán)牙串口，進(jìn)而被從機(jī)或手機(jī)應(yīng)用軟件接收。通過對12 s內(nèi)的計(jì)數(shù)次數(shù)乘以5來表示每分鐘脈沖總數(shù)。根據(jù)M4011對應(yīng)的計(jì)數(shù)值和輻射值的關(guān)系：151 CPM=1 μSv/h，即可得到所對應(yīng)的輻射值。

圖3 程序流程圖Fig.3 Program flow diagram

我國的核輻射標(biāo)準(zhǔn)中，射線檢測職業(yè)人員年允許照射量為20 msv，即10 μSv/h，一般公眾人員年允許照射量為1 msv，即0.52 μSv/h[10-11]。設(shè)置程序?qū)Ξ?dāng)前輻射值進(jìn)行安全性評價，如果輻射值小于0.52 μSv/h，則當(dāng)前環(huán)境安全，微處理器控制屏幕顯示“safe”，不報警。如果輻射值介于0.52～10 μSv/h，則當(dāng)前環(huán)境不安全，微處理器控制屏幕顯示“unsafe”，聲光報警模塊進(jìn)行低強(qiáng)度報警。如果輻射值高于10 μSv/h，則當(dāng)前環(huán)境危險，微處理器控制屏幕顯示“danger”，聲光報警模塊進(jìn)行劇烈報警。

3.2 主機(jī)程序設(shè)計(jì)

其流程如圖3（b）所示，開機(jī)初始化，藍(lán)牙配對成功，Arduino開始持續(xù)監(jiān)視串口，當(dāng)串口接收到來自從機(jī)的原始數(shù)據(jù)時，Arduino即刻讀取數(shù)據(jù)，并按照從機(jī)處理數(shù)據(jù)的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和評價，決定是否報警并在OLED屏幕上顯示數(shù)據(jù)。

3.3 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

利用MIT APP Inventor2制作的手機(jī)接收端，其是Goole公司推出的Android智能手機(jī)平臺系統(tǒng)，是一款全云端的基于瀏覽器的完全在線開發(fā)的全圖形界面編程環(huán)境，其具有開源、開放和開發(fā)架構(gòu)極其便捷的優(yōu)點(diǎn)[12]，用來接收從機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)，界面設(shè)計(jì)如圖4所示，設(shè)計(jì)原則同從機(jī)程序設(shè)計(jì)。需要說明的是，當(dāng)APP接收到的數(shù)據(jù)輻射值高于10 μSv/h，則當(dāng)前環(huán)境危險，微處理器控制屏幕顯示“環(huán)境危險！請快速撤離”，手機(jī)發(fā)出聲音進(jìn)行報警。使用者可以通過軟件主頁下方的“報警停止”按鍵中止報警，進(jìn)行復(fù)位?！巴Ｖ箳呙琛卑存I可以終止掃描，“斷開”按鍵可以斷開藍(lán)牙連接。

圖4 手機(jī)APP軟件界面Fig.4 Mobile phone software interface

4 性能測試

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體實(shí)物展示如圖5所示，為了便于了解新型個人輻射劑量系統(tǒng)的精確性和可靠性[13]，與市面成熟高精度輻射劑量儀（RG1100射線輻射測量儀）進(jìn)行對比測試。分別用本系統(tǒng)和RG1100射線輻射測量儀測量5臺安檢儀和5份鈣鈾云母礦石的放射性，并記錄數(shù)據(jù)，見表1和表2。

圖5 整體實(shí)物展示Fig.5 The overall display of the object of the system

表1 對安檢儀放射性的測量（μSv/h）Tab.1 Measurement of radioactivity of security detector

表2 對鈣鈾云母礦石放射性的測量（μSv/h）Tab.1 Measurement of radioactivity of Calcium-U-mica ore

從表1、表2數(shù)據(jù)看出，兩者最大相差0.03 μSv/h，平均相差0.02 μSv/h?？梢姳鞠到y(tǒng)精度較高，誤差在個人輻射劑量監(jiān)測中能夠被接受。在每次劑量數(shù)值超過界限值后本系統(tǒng)都立刻進(jìn)行了報警，反應(yīng)時間短，報警迅速，達(dá)到了基本的設(shè)計(jì)要求。

廣州匯承公司生產(chǎn)的HC-08主從一體藍(lán)牙模塊，其理論傳輸距離可達(dá)80 m。經(jīng)實(shí)際測試本系統(tǒng)在74 m范圍內(nèi)信號質(zhì)量良好，主從機(jī)可以有效進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。74 m到78 m處信號質(zhì)量較差但主從機(jī)仍可傳輸數(shù)據(jù)。超過78 m即無法連接，足以滿足日常工作生活的需要。經(jīng)計(jì)算，本系統(tǒng)總成本246元，遠(yuǎn)低于市面各種同類產(chǎn)品。此外，由于大量采用低功耗器件，本系統(tǒng)的功耗極低。

綜上，本系統(tǒng)滿足了基本的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)果與討論

筆者設(shè)計(jì)出一種多體式個人輻射劑量系統(tǒng)，能進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，計(jì)算處理和顯示，并通過藍(lán)牙串口模塊發(fā)送，可由主機(jī)硬件或者手機(jī)APP進(jìn)行接收計(jì)算和顯示，同時各部分也都具有劑量報警功能。經(jīng)測試，系統(tǒng)檢測輻射值達(dá)到了較高的精度，實(shí)現(xiàn)了對高于國家標(biāo)準(zhǔn)的放射性照射進(jìn)行報警功能。并且高放射性場所的從業(yè)人員可選擇隨身攜帶主機(jī)硬件或者直接使用自己的手機(jī)進(jìn)行接收，十分便捷?？傊鞠到y(tǒng)方便攜帶，體積小巧，價格低廉，測量準(zhǔn)確，具有一定的創(chuàng)新性，為高放射性場所工作人員提供了新的監(jiān)測選擇。