基于LoRa的γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張 迪 程懋松 戴志敏 施成龍

1（上海理工大學(xué) 上海 200093）

2（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

3（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

隨著核技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，使用核設(shè)備的實(shí)驗(yàn)場所越來越多，放射性污染成為了一個不可忽視的環(huán)境污染問題，且超標(biāo)的輻射量會對人體造成嚴(yán)重的損傷，因此，核輻射帶來的問題越來越受到社會的關(guān)注［1］。核輻射探測器是通過使核輻射在氣體、液體或者固體中發(fā)生電離效應(yīng)、發(fā)光現(xiàn)象、物理變化或化學(xué)變化來監(jiān)測核輻射的儀器［2］。閃爍體探測器利用電離輻射在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的閃光進(jìn)行探測，是目前應(yīng)用最多、最廣泛的電離輻射探測器之一。相比硅二極管、光電倍增管，硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）結(jié)構(gòu)緊湊、增益高、響應(yīng)快速、工作電壓低、靈敏度高且具有極佳的磁場兼容性。SiPM 是近年來興起的一種由大量工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode，APD）集成的新型光電探測器［3］，不僅在性能上滿足各種弱光監(jiān)測應(yīng)用需求，并且具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，能夠更好地滿足探測器數(shù)字化、功能化、智能化的發(fā)展需求。被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)成像、激光探測與測量、輻射探測和精密分析等領(lǐng)域。SiPM具有從近紫外到近紅外的光譜響應(yīng)范圍、出色的光子計(jì)數(shù)能力、單光子級別靈敏度、皮秒級快速響應(yīng)能力、出色的時間分辨率和較高的光子探測效率等優(yōu)異特性，并兼具固體探測器對磁場不敏感、能抵抗高強(qiáng)度機(jī)械沖擊和不會因?yàn)槿肷涔怙柡投匣膬?yōu)點(diǎn)，滿足復(fù)雜園區(qū)環(huán)境對核輻射探測器的要求。但SiPM 存在增益受溫度影響大的缺點(diǎn)，溫度每上升10 ℃增益約下降5×105，可以通過溫度補(bǔ)償電源對SiPM的增益特性進(jìn)行補(bǔ)償。

實(shí)際園區(qū)環(huán)境中存在大量建筑物及植被，傳統(tǒng)的有線核輻射監(jiān)測系統(tǒng)移動性差、成本高、部署和維修困難，在遭遇大量障礙物時信號幅度衰減，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)損失［4］。無線通信建設(shè)工程周期短、成本低、便于維護(hù)，可有效解決有線核輻射監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題。LoRa［5］技術(shù)是一種長距離無線通信技術(shù)，與同類技術(shù)相比，可以提供更遠(yuǎn)的通信距離。LoRa調(diào)制屬于物理層（PHY）調(diào)制，因此也可將其用于不同的協(xié)議（LoRa 協(xié)議、LoRaWAN 協(xié)議、CLAA 協(xié)議、LoRa 私有協(xié)議等）和不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中（如Mesh、星型、點(diǎn)對點(diǎn)等）。LoRa 無線通信技術(shù)采用了擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，數(shù)據(jù)衰減較小，從而延伸了系統(tǒng)監(jiān)測范圍；LoRaMesh混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不存在區(qū)段隔離，系統(tǒng)全部節(jié)點(diǎn)集中在網(wǎng)關(guān)范圍內(nèi)，因而能提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。針對可能存在的因復(fù)雜電磁環(huán)境、距離等因素導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)斷線及數(shù)據(jù)傳輸頻繁時造成的區(qū)域內(nèi)信道擁堵問題，設(shè)計(jì)了動態(tài)最優(yōu)路徑通訊算法，通過篩選中繼節(jié)點(diǎn)，尋找最優(yōu)重連路徑以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送的優(yōu)先級分配，從而解決了上述問題?；贚oRa 無線傳輸技術(shù)，結(jié)合SiPM-閃爍體探測器，設(shè)計(jì)動態(tài)最優(yōu)路徑通訊算法，開發(fā)了γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行了通信及穩(wěn)定性測試。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于LoRa的γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)集中監(jiān)控平臺三部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of system structure

終端節(jié)點(diǎn)由SiPM-閃爍體探測器、LoRa 無線通信模塊及其他外圍電路組成，SiPM-閃爍體探測器功耗低、光子檢測效率高、對磁場不敏感且是離散的，可以滿足輻射監(jiān)測系統(tǒng)對于探測器的需求。終端節(jié)點(diǎn)分布放置在園區(qū)內(nèi)，上電后，自動尋找網(wǎng)關(guān)請求加入監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，讀取Flash 中的配置參數(shù)，進(jìn)入低功耗模式等待開機(jī)喚醒，低功耗模式配置成待機(jī)模式此時模式系統(tǒng)會關(guān)閉所有的時鐘以及外設(shè)。終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時采集園區(qū)內(nèi)的γ輻射信息，觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器，模擬信號轉(zhuǎn)數(shù)字信號，并通過LoRa無線通信模塊發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信流程如圖2所示，SiPM-閃爍體探測器持續(xù)采集數(shù)據(jù)發(fā)送至存儲模塊，定時器每隔30 s 產(chǎn)生一個中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，退出低功耗模式，喚醒LoRa 無線通信模塊，打包并校驗(yàn)數(shù)據(jù)，由LoRa 無線傳輸至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。若輻射劑量率超過事先設(shè)定的閾值，點(diǎn)亮報警燈。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信流程Fig.2 Flow chart of terminal node and gateway communication process

網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的核心，維持網(wǎng)絡(luò)整體的信息傳輸并通過串口通信模塊與上位機(jī)集中監(jiān)控平臺通信。由串口通信模塊及LoRa無線通信模塊組成，主要功能是接收、解析、校驗(yàn)和轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時與上位機(jī)通過串口收發(fā)程序通信，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控主機(jī)控制命令的接收和轉(zhuǎn)發(fā)［6］。網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)收發(fā)流程如圖3所示。網(wǎng)關(guān)上行通信：首先掃描接收數(shù)據(jù)隊(duì)列，進(jìn)行目的ID 查詢，讀取數(shù)據(jù)幀并校驗(yàn)數(shù)據(jù)長度；隨后查詢命令判斷信息類型屬于數(shù)據(jù)信息或狀態(tài)信息，若屬于數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)關(guān)優(yōu)先創(chuàng)建應(yīng)答事件發(fā)出應(yīng)答信息，并提高搶占優(yōu)先級，打斷其他正在執(zhí)行的中斷；最后對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行封裝，加入發(fā)送至上位機(jī)的事件隊(duì)列，設(shè)置發(fā)送等待，發(fā)送完畢后，設(shè)置下一次發(fā)送的延時。網(wǎng)關(guān)下行通信：首先創(chuàng)建接收數(shù)據(jù)包，掃描接收數(shù)據(jù)隊(duì)列，進(jìn)行目的ID 查詢，讀取數(shù)據(jù)幀并校驗(yàn)數(shù)據(jù)長度；隨后查詢命令判斷事件類型屬于確認(rèn)事件或中繼轉(zhuǎn)發(fā)事件，對需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，加入發(fā)送緩存區(qū)。若此時有數(shù)據(jù)包正在發(fā)送，則等待其發(fā)送結(jié)束；若此時有重傳數(shù)據(jù)，則提高重傳數(shù)據(jù)的搶占優(yōu)先級。

圖3 網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖Fig.3 Flow chart of sending and receiving data of the gateway

上位機(jī)集中監(jiān)控平臺的主要功能是接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程監(jiān)測終端節(jié)點(diǎn)及系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時顯示輻射數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)采用LoRaMesh 混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在組建的網(wǎng)絡(luò)中，終端節(jié)點(diǎn)之間、終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間均可以實(shí)現(xiàn)雙向通信。當(dāng)節(jié)點(diǎn)沒有工作任務(wù)進(jìn)入休眠狀態(tài)時，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不會受到影響，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2 部件設(shè)計(jì)

2.1 SiPM-閃爍體探測器

SiPM［7］的基本結(jié)構(gòu)單位（像素）是由工作在蓋革模式的雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode，APD）串聯(lián)淬滅電阻構(gòu)成。多個像素點(diǎn)同時檢測到光子，輸出幅值是多個脈沖的疊加，若光強(qiáng)度使所有像素點(diǎn)同時發(fā)生雪崩，器件達(dá)到飽和狀態(tài)，輸出幅值不再隨光照強(qiáng)度的增大而增大。多個像素并聯(lián)連接，構(gòu)成二維的陣列式結(jié)構(gòu)，并共用一個電源端和一個輸出端。當(dāng)APD 外加偏置電壓高于雪崩擊穿電壓閾值時，由入射光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對在電場作用下往PN結(jié)漂移，在漂移過程中經(jīng)耗盡層雪崩區(qū)間（此區(qū)間電場強(qiáng)度與材料摻雜濃度有關(guān)）的碰撞電離效應(yīng)激發(fā)更多電子空穴對產(chǎn)生一個信號電流，使得APD具有內(nèi)部增益。隨著電流的增大，淬滅電阻兩端的電壓增大，PN 結(jié)耗盡層分壓減少，APD 輸出一個瞬時脈沖后停止，每個像素單元產(chǎn)生的電流累加起來形成SiPM的輸出電流［8］。SiPM內(nèi)部原理示意圖如圖4所示。

圖4 SiPM內(nèi)部原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the internal principle of SiPM

γ 輻射探測器組成部分包括NaI（Tl）閃爍晶體、SiPM和放大器等。

NaI（Tl）晶體有效原子序數(shù)為50，密度 為3.67 g·cm-3，最大發(fā)光波長為415 nm，發(fā)光衰減時間為230 ns。本課題采 用 ?40 mm × 40 mm 的NaI（Tl）晶體。選用湖北京邦科技TP6050型SiPM，光感面積6 mm×6 mm，探測效率能夠達(dá)到35%，內(nèi)部增益達(dá)到2.1×106，上升時間為1 s，暗計(jì)數(shù)率典型值為140 kHz·mm-2。實(shí)物圖如圖5 所示。光子波長與探測效率的關(guān)系如圖6所示。

圖5 JSP-TP6050-SMT 實(shí)物圖Fig.5 Physical drawing of JSP-TP6050-SMT

圖6 光子波長與探測效率的關(guān)系Fig.6 Relationship between photon wavelength and detection efficiency

SiPM 為半導(dǎo)體器件，溫度特性無法忽視。SiPM增益隨溫度變化可以等效表示為：

式中：G(ΔV)為SiPM 在過偏壓為ΔV時的等效增益；C為等效節(jié)電容；Vbias為反向偏置電壓；Vbo為參考溫度為T0時的擊穿電壓；k為擊穿電壓溫度系數(shù)；ΔT表示對于T0的溫度變化量。由式（1）可知，SiPM的增益與溫度變化量呈線性關(guān)系。

針對SiPM 增益漂移的修正方法主要有調(diào)節(jié)前置放大器放大倍數(shù)、低溫制冷和電壓補(bǔ)償。16通道PET探測模塊通過調(diào)節(jié)前置放大器放大倍數(shù)來解決增益漂移的問題，這種方法提高了電路的復(fù)雜性。低溫制冷方法能使SiPM工作溫度穩(wěn)定在一特定值，并且具有降低暗計(jì)數(shù)的效果，但是低溫制冷裝置體積大且成本高。因此，采用LPTC 型熱敏電阻KTY83/110 作為反饋電阻，設(shè)計(jì)了具有溫度補(bǔ)償功能的SiPM探測器電源電路。

LPTC 型熱敏電阻KTY83/110 是鎳銅合金的熱敏電阻，R在25 ℃標(biāo)準(zhǔn)值為1 kΩ，工作溫度為-55 ℃～+175 ℃，最大工作電流為8 mA。各溫度下電阻阻值如圖7 所示，KTY83/110 熱敏電阻的阻值與溫度呈正相關(guān)。溫度補(bǔ)償電源設(shè)計(jì)原理圖如圖8所示。

圖7 KTY83/110阻值隨溫度變化圖Fig.7 KTY83/110 resistance change with temperature

圖8 溫度補(bǔ)償電源電路圖Fig.8 Temperature-compensated power supply circuit diagram

SiPM-閃爍體探測器耦合過程如下：首先，使用無水乙醇清洗NaI（Tl）閃爍晶體與SiPM 的交界面；其次，在交界面填充全透明光學(xué)硅脂，排凈空氣，降低熒光光子在交界面產(chǎn)生全反射的概率；最后，用鋁箔包裹避免環(huán)境干擾。

當(dāng)γ射線射入到NaI（Tl）閃爍晶體中，會使其電離而發(fā)射熒光。熒光進(jìn)入SiPM后，在其陽極形成電流脈沖，經(jīng)電阻取樣得到一個電壓脈沖信號。經(jīng)過NaI（Tl）閃爍晶體和SiPM 輸出的信號往往較弱，需要增加前置放大器，主要作用是提高系統(tǒng)的信噪比，減小信號傳輸時外界環(huán)境的干擾，實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換和匹配。脈沖信號經(jīng)放大、整形至適配A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍。ADC 選用可以提供高分辨率和低噪聲的12位、8通道、采樣率1 MSPS（Mega-Samples per Second）的AD7991芯片，它的ENOB為11位，功耗為7 mW，價格較為經(jīng)濟(jì)，輸入電壓范圍為0～3.3 V。然后，將脈沖信號送到脈沖峰值采樣電路進(jìn)行峰值采樣，當(dāng)脈沖下降沿到來時，峰值采樣電路輸出采樣完畢信號，觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器，將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號，通過I2C（Inter-Integrated Circuit）接口將數(shù)據(jù)傳輸給核心處理器［9］。

能量分辨率是SiPM-閃爍體探測器的一個重要指標(biāo)，表征探測器識別能量相近的γ 射線特征峰的能力。SiPM-閃爍體探測器的能量分辨率與光電倍增器中的單光子響應(yīng)、閃爍體的光輸出等因素密切相關(guān)。當(dāng)光子倍增器的增益越高，單光子響應(yīng)越好時，探測器的能量分辨率會更好。計(jì)算公式如下：

式中：FWHM為半寬高，即γ射線全能峰高度的一半處所對應(yīng)的峰的能量寬度，MeV；Eγ為全能峰峰位所對應(yīng)的能量，即放射性核素的特征峰能量，MeV。使用放射性核素137Cs 的662 keV 的特征峰對γ 射線探測器的能量分辨率進(jìn)行測試，能量分辨率為7.7%，小于9%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。NaI 能量分辨率測試譜線如圖9所示。

圖9 NaI能量分辨率測試譜線Fig.9 Spectral curve of NaI energy resolution test

探測效率是評估SiPM-閃爍體探測器的又一重要指標(biāo)，受到閃爍體的面積、厚度、密度等因素的影響。一般來說，探測器的探測效率越高，其信噪比和能量分辨率也會相應(yīng)提高。最常使用的是全能峰效率，全能峰是指γ 光子進(jìn)入閃爍體后與閃爍晶體發(fā)生相互作用時損失全部能量，產(chǎn)生類似高斯分布的全能脈沖。全能峰效率εp(Eγ)是指對于能量為Eγ且各向同性的單能γ 射線，全能峰內(nèi)的光子數(shù)與放射源全部的γ光子數(shù)的百分比，如式（3）所示：

式中：εp(Eγ)為全能峰效率；Ω為立體角；ε1(Eγ)為本征效率；R(Eγ)為峰總比；ε1p(Eγ)為本征全能峰效率。探測效率曲線如圖10所示。

圖10 NaI探測器的探測效率曲線Fig.10 Detection efficiency curve of NaI detextor

2.2 數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)

STM32F103處理器具有較強(qiáng)的運(yùn)算性能，支持三種不同的模式，每種模式都滿足低功耗設(shè)計(jì)要求。數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STM32F103VET6作為核心處理器，內(nèi)有32位Cortex的ARM微控制器，多個可供使用的IO（Input/Output）端口，3個16位定時器，2 個 I2C 接 口，5 個 USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）接口，2 個SPI（Serial Perripheral Interface）同步串行接口，一個USB通信接口。通過設(shè)定不同的處理器工作模式，可以優(yōu)化整個系統(tǒng)的功耗。

數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)的主要功能是對采集到的信號進(jìn)行處理、存儲及數(shù)據(jù)傳輸，核心處理器對數(shù)字信號進(jìn)行濾波、降噪等處理后，將采集的γ數(shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)封裝成幀，存儲在由SPI 控制的2 M×8 bit FLASH存儲器中，最終將數(shù)據(jù)及節(jié)點(diǎn)序號打包成數(shù)據(jù)包，核心處理器將打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送給LoRa無線通信模塊，經(jīng)LoRa無線信號進(jìn)行傳輸。接收端的LoRa無線通信模塊將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、去除校驗(yàn)碼等處理后，將數(shù)據(jù)傳輸給接收端核心處理器［10］。核心處理器可以通過IO 端口控制蜂鳴器、LED燈來實(shí)現(xiàn)聲光報警［11］。

2.3 動態(tài)最優(yōu)路徑通訊算法

為解決終端節(jié)點(diǎn)因復(fù)雜電磁環(huán)境、傳輸距離等因素導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)斷線及終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸頻繁時造成的信道擁堵問題，充分考慮協(xié)作通信的可用性［12］，綜合最短路徑長度及最大節(jié)點(diǎn)度，設(shè)計(jì)了動態(tài)最優(yōu)路徑通訊算法，通過篩選最優(yōu)鏈路實(shí)現(xiàn)斷線重連，以及優(yōu)化隊(duì)列調(diào)度緩解信道擁堵，減少進(jìn)程的響應(yīng)時間和周轉(zhuǎn)時間。

終端節(jié)點(diǎn)上電后若與網(wǎng)關(guān)通信失敗且達(dá)到自動重連上限，根據(jù)通信協(xié)議將自動搜尋鄰居節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)［13］，從中繼節(jié)點(diǎn)的多條通信鏈路中篩選最優(yōu)路徑替換無法通信的鏈路，繼而將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)。如圖11所示，終端節(jié)點(diǎn)B自動搜尋與之鄰近且可用的終端節(jié)點(diǎn)A，此時終端節(jié)點(diǎn)A充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)。篩選最優(yōu)路徑流程如下：首先將未標(biāo)記的終端節(jié)點(diǎn)以無序的形式存放于未確定最短路徑節(jié)點(diǎn)集中，數(shù)據(jù)量過大會限制計(jì)算速度，影響時效性，因此將未掃描的節(jié)點(diǎn)按其鏈路質(zhì)量進(jìn)行排序；隨后設(shè)置List 數(shù)組儲存各點(diǎn)到達(dá)的權(quán)值，Boolean數(shù)組判斷節(jié)點(diǎn)是否被確認(rèn)過最短長度，int 數(shù)組記錄距離；然后斷線的終端節(jié)點(diǎn)從未標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)中依次篩選最優(yōu)節(jié)點(diǎn)直到選出最優(yōu)路徑。

圖11 中繼節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.11 Schematic diagram of relay node

發(fā)生信道擁堵時，對節(jié)點(diǎn)內(nèi)部信道進(jìn)行隊(duì)列檢測：若最高優(yōu)先級隊(duì)列空閑，則將所有進(jìn)程調(diào)度至最高優(yōu)先級隊(duì)列；若最高優(yōu)先級隊(duì)列有進(jìn)程未完成，則被調(diào)度至次高優(yōu)先級隊(duì)列，更新進(jìn)程的執(zhí)行時間，隊(duì)列優(yōu)先級依次降低。當(dāng)進(jìn)程被放至最低優(yōu)先級隊(duì)列后，將剩余進(jìn)程根據(jù)所需的執(zhí)行時間調(diào)度到對應(yīng)隊(duì)列，剩余執(zhí)行時間越少的進(jìn)程匹配到隊(duì)列的優(yōu)先級越高。

3 系統(tǒng)性能測試

3.1 信號強(qiáng)度測試

在遠(yuǎn)距離通信中，周圍環(huán)境（如建筑、天氣、電磁等）都會影響到通信效果，為滿足實(shí)際需求，在中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所進(jìn)行測試，該研究所坐落于上海市科技衛(wèi)星城（嘉定區(qū)），占地面積2.53×105m2，其中綠地面積1.36×105m2，綠地率達(dá)53.7%，植被長勢好，且大樹多，存在大量建筑物［14］。采用相同傳輸速率和帶寬，對僅由LoRa節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的系統(tǒng)與加入LoRa中繼節(jié)點(diǎn)、結(jié)合動態(tài)最優(yōu)路徑通訊算法構(gòu)建的系統(tǒng)分別進(jìn)行入網(wǎng)測試，每一個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)唯一地址，在系統(tǒng)上電后，以1 s為周期發(fā)送入網(wǎng)請求幀，直到網(wǎng)關(guān)判斷數(shù)據(jù)有效后，返回攜帶地址信息的應(yīng)答幀到終端節(jié)點(diǎn)，完成入網(wǎng)。

節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請求幀數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)置為定向傳輸，以16進(jìn)制數(shù)據(jù)顯示。將入網(wǎng)請求幀分別發(fā)送給僅由LoRa 節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的系統(tǒng)和加入LoRa 中繼節(jié)點(diǎn)、結(jié)合動態(tài)最優(yōu)路徑通訊算法構(gòu)建的系統(tǒng)，在獲得監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)答幀時，同時接收到監(jiān)測信號強(qiáng)度（Received Signal Strength Indication，RSSI）。設(shè)置多個節(jié)點(diǎn)由不同距離返回監(jiān)測強(qiáng)度，經(jīng)多次測試，節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)信號強(qiáng)度對比如圖12 所示，加入LoRa 中繼節(jié)點(diǎn)、結(jié)合動態(tài)最優(yōu)路徑通訊算法構(gòu)建的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)信號強(qiáng)度更穩(wěn)定。

圖12 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)信號強(qiáng)度對比Fig.12 Signal strength comparison of node network access

3.2 穩(wěn)定性測試

中繼節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中與發(fā)送端和接收端均能實(shí)現(xiàn)雙向通信，網(wǎng)關(guān)會對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)，判斷是否有錯誤發(fā)生，當(dāng)網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)接收到的數(shù)據(jù)存在誤碼現(xiàn)象時，將含有該誤碼的包丟掉，接收終端就會出現(xiàn)整個包丟失的情況。

為測試系統(tǒng)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，以30 s 為采樣周期進(jìn)行，LoRa 終端沿最短路徑持續(xù)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。通過多次實(shí)驗(yàn)，計(jì)算得出接收數(shù)據(jù)的丟包率和誤碼率，丟包率是指數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)包丟失的比率，以一段時間內(nèi)丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量與發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量的比值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，公式如下：

式中：PLR（Packet Loss Rate）為丟包率；PL表示丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量；PS表示發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量。誤碼率是衡量數(shù)據(jù)傳輸精準(zhǔn)性的指標(biāo)，是數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)信道上出現(xiàn)的錯誤，數(shù)據(jù)包的大小、誤碼的分布都會影響誤碼率，以一段時間內(nèi)傳輸過程中的誤碼與所傳輸?shù)目偞a數(shù)的比值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，公式如下：

式中：BER（Bit Error Rate）為誤碼率；BL表示傳輸過程中的誤碼；BS表示傳輸?shù)目偞a數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)在1 000 m處取5組數(shù)據(jù)列出，計(jì)算其丟包率，結(jié)果如表2所示，在1 000 m外，隨著距離的增加，無線通信的丟包率和誤碼率逐漸增大；在1 000 m 范圍內(nèi)單次丟包率不高于0.43%。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性不低于99.57%，與文獻(xiàn)［15］中節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信距離為1 000 m時數(shù)據(jù)接收率為93.00%相比有所提升。

表1 LoRa通信性能測試結(jié)果Table 1 LoRa communication performance test results

表2 通信距離為1 000 m實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Communication distance was 1 000 m for the experimental data

3.3 γ輻射監(jiān)測劑量測試

在探測器工作中，計(jì)數(shù)率和能譜是兩個重要的參數(shù)，需要將其轉(zhuǎn)換為劑量單位進(jìn)行分析和比較。探測效率是指探測器在不同能量下探測器對放射性核素的檢測效率，它受到探測器結(jié)構(gòu)、輻射類型、探測器與輻射源之間的距離等多個因素的影響。因此，需要通過模擬方法獲得計(jì)數(shù)模式標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行修正，探測器的計(jì)數(shù)率乘以探測效率曲線對應(yīng)的比例系數(shù)，即可得到相應(yīng)的劑量率。計(jì)數(shù)率是指探測器單位時間內(nèi)接收到的輻射粒子數(shù)，通常以每秒計(jì)數(shù)（s-1）為單位。劑量率是指單位時間內(nèi)輻射劑量的量，通常以每小時吸收劑量（Gy·h-1）為單位。計(jì)數(shù)率與劑量率關(guān)系如圖13 所示，標(biāo)定10 個參考點(diǎn)，直線擬合程度超過98%。

圖13 計(jì)數(shù)率與劑量率關(guān)系Fig.13 Relationship between counting rate and dose rate

按照《環(huán)境地表γ 輻射劑量測定規(guī)范》（GB/T14583-93）［16］的有關(guān)要求，將本監(jiān)測系統(tǒng)置于中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所及周邊地區(qū)測試環(huán)境γ輻射空氣吸收劑量率，選取10 個測試點(diǎn)多次測試，結(jié)果如表3 所示，中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所園區(qū)及周邊環(huán)境γ輻射空氣吸收劑量率處于上海市室外天然輻射本底水平正常范圍內(nèi)。

表3 環(huán)境γ輻射空氣吸收劑量率測量結(jié)果Table 3 Results of air absorption dose rate measurement of ambient gamma radiation

3.4 中斷機(jī)制測試

以1 min為周期進(jìn)行輻射數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)，網(wǎng)關(guān)收集到終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過串口傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)集中監(jiān)測平臺實(shí)時顯示。利用Fine Report編寫上位機(jī)顯示界面，如圖14 所示，斷開1 號、2 號終端節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)自動開啟動態(tài)重連算法，重連成功頁面自動更新。

圖14 上位機(jī)集中監(jiān)控平臺顯示界面Fig.14 Display interface of the upper-computer centralized monitoring platform

4 結(jié)語

基于環(huán)境輻射監(jiān)測的特點(diǎn)，開展了γ 輻射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析。通過對比、總結(jié)相關(guān)核輻射監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，針對有線核輻射監(jiān)測系統(tǒng)布線復(fù)雜、施工周期長、成本較高、且移動性差、故障排查較困難等問題，結(jié)合SiPM-閃爍體探測器，構(gòu)建了基于LoRa無線通信技術(shù)的γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)，具備監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸、報警、自動重連等功能。對其主要性能進(jìn)行測試，證明節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)信號強(qiáng)度較強(qiáng)，可穩(wěn)定連續(xù)工作，實(shí)現(xiàn)了對γ 輻射劑量的準(zhǔn)確測量?？梢詰?yīng)用在范圍廣、遠(yuǎn)距離的區(qū)域環(huán)境輻射監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性達(dá)到99.57%以上，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高和系統(tǒng)監(jiān)測范圍的有效延伸。

作者貢獻(xiàn)聲明張迪、程懋松負(fù)責(zé)研究的提出及設(shè)計(jì)；張迪負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集及整理；程懋松、戴志敏負(fù)責(zé)項(xiàng)目的監(jiān)督和管理；張迪、程懋松、施成龍負(fù)責(zé)文章的起草及最終版本的修訂。