基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的輻射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張思祥，劉志博，田廣軍，肖 鑫，李晨曦，周 圍

(1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130 2.河北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代測控技術(shù)研究所，天津 300130)

0 引言

輻射監(jiān)測是環(huán)境監(jiān)測的重要組成部分，超標(biāo)的放射性射線照射會對人體造成嚴(yán)重?fù)p害，目前企業(yè)使用的輻射監(jiān)測儀一方面攜帶不易，操作繁瑣，應(yīng)用時需親臨現(xiàn)場，增加了操作人員輻射照射風(fēng)險；另一方面，由于缺少網(wǎng)絡(luò)通訊導(dǎo)致探測器節(jié)點(diǎn)之間彼此相對獨(dú)立，無法滿足多區(qū)域輻射環(huán)境狀況實(shí)時顯示的監(jiān)測要求。

為降低成本，實(shí)現(xiàn)輻射的遠(yuǎn)距離監(jiān)測，劉志強(qiáng)、李明富[1-2]等以蓋革-米勒計數(shù)管(G-M管)作為探測器，分別利用長電纜和CAN總線遠(yuǎn)距離傳輸輻射數(shù)據(jù)，雖然減少了操作人員吸收劑量，但通信鏈路維護(hù)困難且信號損耗較大。陳川[3]利用WiFi，蔣盼盼[4]、P.S.Reddy[5]利用ZigBee，任俊[6]、H.M. Park[7]利用Bluetooth構(gòu)建無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的方案，摒棄了繁瑣的物理布線，但傳輸距離、探測節(jié)點(diǎn)接入容量和整體系統(tǒng)穩(wěn)定性極大地受制于無線網(wǎng)關(guān)。熊欣[8]采用2G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)的方案解決了網(wǎng)關(guān)的性能限制問題，但設(shè)備接入容量少、系統(tǒng)功耗和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本較高，不利于多探測器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用。

針對上述存在不足，本文提出一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的輻射監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用G-M管作為輻射探測器采集輻射信息，由NB-IoT模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳至云端服務(wù)器并經(jīng)客戶端軟件進(jìn)行可視化顯示，遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)信息傳輸減少了操作人員輻射風(fēng)險，而使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、備份以及圖表分析，既減少了數(shù)據(jù)處理和報表制作過程中的人為失誤，又提高了環(huán)境監(jiān)測工作的準(zhǔn)確性和工作效率。

1 輻射監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

輻射監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計參照物聯(lián)網(wǎng)分層模型分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[9-10]，框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。感知層作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過探測器節(jié)點(diǎn)完成輻射數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)層利用NB-IoT和云平臺技術(shù)與感知層完成信息交互，傳遞和解析數(shù)據(jù)信息；應(yīng)用層借助手機(jī)、電腦等終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化顯示和輻射數(shù)據(jù)信號的波形還原。

圖1 輻射監(jiān)測系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主控制器與無線通訊、信號調(diào)理等模塊連接，使各模塊協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

圖2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

2.1 無線通訊模塊

為實(shí)現(xiàn)輻射數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程傳輸，針對客戶端與探測器節(jié)點(diǎn)不同的連接特點(diǎn)，設(shè)計了如圖3所示的個性化無線通訊鏈路。探測器節(jié)點(diǎn)以NB-IoT為數(shù)據(jù)傳輸模塊，采用優(yōu)化后的UDP協(xié)議與服務(wù)器連接，在保留實(shí)時性高、系統(tǒng)資源占用少、傳輸速度快的優(yōu)勢同時，增加應(yīng)答反饋機(jī)制，有效減少數(shù)據(jù)丟包。模塊待機(jī)時處于低功耗狀態(tài)，當(dāng)需要采集和上傳數(shù)據(jù)時模塊被喚醒。相比其他無線組網(wǎng)方式，NB-IoT方案提升了50～100倍的接入容量和至少100倍的覆蓋能力，具有網(wǎng)絡(luò)部署成本低、傳輸距離不受限制、通訊穩(wěn)定低耗的優(yōu)點(diǎn)。客戶端與服務(wù)器連接采用TCP/IP協(xié)議，面向連接，在傳輸過程中無差錯，不丟失，不重復(fù)，具有極高的可靠性。

圖3 無線通訊鏈路示意圖

2.2 探測器模塊

輻射探測器按檢測原理可分為氣體、閃爍體、半導(dǎo)體等不同類型，綜合成本、穩(wěn)定性和靈敏度，本文選用成本低、工作可靠的J305βγ型G-M管，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，傳感器在高壓驅(qū)動下管內(nèi)充滿臨界電離狀態(tài)的惰性氣體，當(dāng)高能射線入射時氣體吸收能量引起雪崩式放電，形成尖峰電流信號。

圖4 G-M管結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 高壓驅(qū)動模塊

電源驅(qū)動是系統(tǒng)的核心，它的好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的可靠性，表1為G-M管驅(qū)動要求。

表1 J305βγ型G-M管驅(qū)動要求

由表1可知，為保證系統(tǒng)正常工作，高壓驅(qū)動模塊至少需擁有380～450 V輸出電壓和超過20 μA輸出電流的帶載能力。傳統(tǒng)驅(qū)動電路采用笨重的工頻變壓器升壓方法，體積大，效率低且穩(wěn)定性差。為滿足“尺寸更小、成本更低、效率更高”的設(shè)備便攜性需求，本文提出了一種Boost前級升壓結(jié)合電荷泵后級倍壓的DC-DC高升壓比方案。

Boost前級升壓采用峰值電流保護(hù)的脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制方案，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。系統(tǒng)設(shè)最小關(guān)斷時間(Toff min)和最大導(dǎo)通時間(Ton max)限制，采用電流、電壓雙反饋控制回路方案，在保留PFM低靜態(tài)電流與PWM (脈沖寬度調(diào)制) 高轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢的同時，極大地改善了單一控制方案的瞬態(tài)響應(yīng)和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖5 Boost前級升壓電路結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)Toff min到達(dá)且實(shí)際輸出電壓小于預(yù)設(shè)電壓時，功率開關(guān)Mos導(dǎo)通，電能轉(zhuǎn)化為磁能貯存在電感中，輸出電容Cap給負(fù)載提供電能。在理想條件下，電感未飽和前，電感電流線性增加，增加值為

(1)

式中：t0～t1為導(dǎo)通時間，s；L為電感值，H；VIN為輸入電壓，V；ΔIL(+)為導(dǎo)通時電感電流增加量，A。

當(dāng)Ton max到達(dá)或峰值電流超過設(shè)定值時，Mos截止，由于電感電流不可突變，電感兩端的電壓反相向負(fù)載釋放電能并給Cap充電，電感電流逐漸減小，減少值為

(2)

式中t1～t2為關(guān)斷時間，s；VOUT為Boost輸出電壓，V；ΔIL(-)為關(guān)斷時電感電流減少量，A。

根據(jù)電感電壓伏秒平衡定律，在電流連續(xù)模式時，電感的電流增加量等于其電流減少量，即：

ΔIL(+)=ΔLL(-)

(3)

式(1)～式(3)經(jīng)過整理后可得輸出電壓為

(4)

式中D為開關(guān)脈沖信號的占空比。

后級電壓放大采用高效率、低噪聲、低成本的電荷泵倍壓方案[11]，利用Boost開關(guān)節(jié)點(diǎn)Pulse Out處的電壓浮動，配合二極管單向?qū)ㄐ院碗娙莩浞烹娞匦詠韺?shí)現(xiàn)電荷累積和高壓輸出，其電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 后級倍壓電路結(jié)構(gòu)圖

Pulse Out輸出為低電平時，肖特基二極管D1導(dǎo)通，D2截止，其電流路徑如圖6①所示。直流輸出Vout經(jīng)D1向電容器C1充電(至Vout+)，同時Vout與C2串聯(lián)后以2Vout+給負(fù)載供電；Pulse Out輸出為高電平時，D1截止、D2導(dǎo)通，其電流路徑如圖6②所示。此時Vout與C1串聯(lián)后以2Vout+向C2充電，同時向負(fù)載供電。在不考慮電路損耗情況下，電路穩(wěn)定后輸出端電壓為2Vout+。為保持輸出電壓穩(wěn)定，避免電壓波動對探測器靈敏度影響，系統(tǒng)利用二極管穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定在400 V左右，相比于傳統(tǒng)工頻變壓器升壓方式，該DC-DC高壓比驅(qū)動方案體積小、功耗低、集成度高、工作可靠，更適合便攜設(shè)備的應(yīng)用，其電路原理圖如圖7所示。

圖7 高壓驅(qū)動電路原理圖

2.4 信號調(diào)理模塊

輻射信號的調(diào)理在整體系統(tǒng)中至關(guān)重要，穩(wěn)定的探測器信號輸出可以保證系統(tǒng)準(zhǔn)確、快速響應(yīng)。為提高靈敏度，系統(tǒng)設(shè)計了如圖8所示的信號調(diào)理電路。G-M管輸出的電流脈沖信號經(jīng)電阻取樣和電容濾波處理后送入開關(guān)三極管Q1，將尖峰微弱電流信號轉(zhuǎn)換為TTL電平信號，觸發(fā)STM32外部中斷，進(jìn)而完成輻射信號的讀取。

圖8 信號調(diào)理電路軟件設(shè)計

3 軟件設(shè)計

3.1 下位機(jī)

系統(tǒng)參照我國第四代放射防護(hù)的基本標(biāo)準(zhǔn)對當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行安全評估，其評估標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 環(huán)境安全評估標(biāo)準(zhǔn)

圖9為主程序的流程圖，系統(tǒng)預(yù)設(shè)30 s為采樣周期，上電后經(jīng)初始化、通訊入網(wǎng)進(jìn)入低功耗模式，調(diào)用主函數(shù)顯示輻射信息與環(huán)境安全評估等級。當(dāng)G-M管受輻射后進(jìn)入外部中斷函數(shù)，通過定時器對脈沖進(jìn)行計數(shù)，在滿足預(yù)設(shè)的采樣周期時進(jìn)入定時中斷函數(shù)，清空定時器，將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為輻射當(dāng)量劑量率并將其發(fā)送至云端存儲后系統(tǒng)重新進(jìn)入低功耗模式，開始下一次的測量。

圖9 主程序流程圖

3.2 客戶端

客戶端開發(fā)基于Visual studio 2013，采用窗體設(shè)計，界面如圖10所示。主要功能包括：驗證登錄信息，賦予登錄者相應(yīng)權(quán)限；對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時折線圖與列表顯示；下發(fā)探測器節(jié)點(diǎn)設(shè)置指令與固件升級信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

圖10 客戶端顯示界面圖

4 系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析

4.1 硬件電路測試

根據(jù)上述軟硬件設(shè)計，開發(fā)了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的輻射監(jiān)測系統(tǒng)，并搭建樣機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)性能與穩(wěn)定性測試。實(shí)驗以5～12 V為輸入電壓，其高壓驅(qū)動電路與信號調(diào)理電路輸出結(jié)果如圖11所示。

(a)輸出電壓電流

(b)信號調(diào)理效果圖11 硬件電路測試

實(shí)驗結(jié)果表明，高壓驅(qū)動電路輸出電壓為405 V，輸出電流為42.2 μA，輸出信號經(jīng)調(diào)理電路處理后，未受輻射照射時輸出為5.00 V高電平，當(dāng)受到照射時輸出脈寬約為200 μs的低電平，符合TTL電平邏輯。整體硬件電路符合預(yù)期設(shè)計。

4.2 輻射監(jiān)測測試

以上述探測器設(shè)計為基礎(chǔ)，配合人機(jī)交互模塊為可視化終端，進(jìn)行本底輻射值測試。實(shí)驗選取連續(xù)六日7:00～8:00、11:00～12:00和17:00～18:00 3個時間節(jié)點(diǎn)的本底輻射值均值作為獨(dú)立數(shù)據(jù)樣本，獲得圖12所示的輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)折線圖。

圖12 輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)折線圖

由圖12可知本底輻射值范圍集中在33～36脈沖/min，換算后大約為0.07～0.10 μSv/h。將一天內(nèi)3個不同時間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)樣本取平均值作為日均劑量率，6 d的平均值約為0.08 μSv/h，與國家核安全局公布的11月份天津市γ輻射當(dāng)量劑量率(0.070 5～0.105 3 μSv/h)的監(jiān)測結(jié)果基本吻合。

為進(jìn)一步測試系統(tǒng)性能，以Am-241(α、弱γ源)作為放射源，在輻射源暴露和以5 mm牛皮紙為屏蔽的條件下分別于距離探測節(jié)點(diǎn)0、2、4、6 cm處以10 s為采樣周期進(jìn)行輻射監(jiān)測。實(shí)驗中每個距離節(jié)點(diǎn)測量15組數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)個別數(shù)據(jù)異常時加讀1次，取平均值，實(shí)驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 Am-241輻射實(shí)驗數(shù)據(jù)

實(shí)驗采用的Am-241主要釋放能量為小于5.47 MeV的α射線和小于0.06 MeV的γ射線，由表3可看出，在放射源上方4～5 cm時測量值開始增加，其值大致與距離的平方成反比，在貼緊源時數(shù)值最高升至1.34 μSv/h，均值為1.21 μSv/h，超過本底值的10倍；增加牛皮紙作為屏蔽后，貼緊源時測量值下降至0.29 μSv/h，絕大部分穿透力弱的α射線被有效阻隔；距源6 cm處時，兩種條件下的測量值均值分別為0.13 μSv/h和0.11 μSv/h，均接近本底水平。探測節(jié)點(diǎn)周圍的劑量分布與儀器的構(gòu)造及射線能量衰減規(guī)律一致，表明系統(tǒng)能從定性出發(fā)，定量監(jiān)測環(huán)境中的輻射情況。

4.3 系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定性測試

為測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，實(shí)驗以5 s為采樣周期，分別采用傳統(tǒng)UDP協(xié)議與增加應(yīng)答反饋機(jī)制優(yōu)化后的UDP協(xié)議持續(xù)向云端數(shù)據(jù)庫發(fā)送720組數(shù)據(jù)，實(shí)驗中720組數(shù)據(jù)每組各異，但觸發(fā)重發(fā)機(jī)制時重發(fā)數(shù)據(jù)與本次失敗數(shù)據(jù)相同。實(shí)驗選取了5組數(shù)據(jù)列出，結(jié)果如表4所示。

表4 UDP傳輸實(shí)驗數(shù)據(jù)

由表4可以看出，增加應(yīng)答反饋后的UDP傳輸協(xié)議單次丟包率低于0.30%，且總體穩(wěn)定性達(dá)99.89%，相比傳統(tǒng)無狀態(tài)的UDP協(xié)議，丟包率明顯減少，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性得到明顯提升。

5 結(jié)束語

為了實(shí)現(xiàn)輻射信息的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控，提出了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的輻射監(jiān)測方案，并針對系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)給出相應(yīng)解決對策，包含高壓驅(qū)動電路、信號調(diào)理電路的硬件設(shè)計，探測器節(jié)點(diǎn)的無線通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及服務(wù)器、上位機(jī)的開發(fā)。通過實(shí)驗驗證本監(jiān)測系統(tǒng)能從定性出發(fā)，定量監(jiān)測環(huán)境中的輻射情況，傳輸穩(wěn)定性達(dá)99.70%以上。相比于以往手持輻射探測器，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輻射的遠(yuǎn)程監(jiān)測和實(shí)時顯示，降低了操作人員輻射風(fēng)險，為多區(qū)域的輻射監(jiān)測提供了一種實(shí)用的解決方案。