基于Zigbee技術(shù)的無線輻射監(jiān)測系統(tǒng)的建立

崔 偉,韋應(yīng)靖,2,以恒冠,馮 梅,唐智輝,張慶利

1.中國輻射防護研究院,輻射安全與防護山西省重點實驗室,山西 太原 030006

2.清華大學核能與新能源技術(shù)研究院,北京 100084

隨著對核能的大力開發(fā)與利用,放射性物質(zhì)安保、核輻射環(huán)境監(jiān)測、人員劑量監(jiān)測等領(lǐng)域的輻射監(jiān)測需求不斷增大。開展輻射監(jiān)測需要布置大量輻射探測器,并且需要對這些探測器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集和統(tǒng)計分析。對于采用傳統(tǒng)分立方式布置的探測器,需要人工記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)后才可對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,而對于采用有線組網(wǎng)方式連接的輻射監(jiān)測系統(tǒng),其布線繁復,無法滿足可移動式輻射劑量監(jiān)測儀器對數(shù)據(jù)的實時統(tǒng)計分析需求。Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由放置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的眾多無線節(jié)點組成,這些節(jié)點通過無線通信的方式形成多跳自組織監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)無需布線,組網(wǎng)快速、靈活[1],現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于軍事監(jiān)控、醫(yī)療護理、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[2-6],成為一種新的技術(shù)發(fā)展趨勢。本文提出并建立了一種基于Zigbee技術(shù)的無線輻射監(jiān)測系統(tǒng),詳細介紹了各個模塊的設(shè)計思路,并對輻射監(jiān)測儀和輻射監(jiān)測平臺進行了測試,以期為進一步提升我國輻射監(jiān)測水平提供技術(shù)保障。

1 系統(tǒng)框架介紹

基于Zigbee技術(shù)設(shè)計的無線輻射監(jiān)測系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分。其中,硬件部分包括多臺輻射監(jiān)測儀及上位機,軟件部分為上位機監(jiān)測平臺配備的軟件系統(tǒng),具體信息見圖1和圖2。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)框架

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)實物

2 輻射監(jiān)測儀

輻射監(jiān)測儀總體結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由NaI(Tl)探測器、高壓模塊、電源模塊、信號調(diào)理電路、微控制器控制電路、聲光報警單元、Zigbee無線模塊和LCD顯示模塊組成。

圖3 輻射監(jiān)測儀總體結(jié)構(gòu)

利用NaI(Tl)探測器探測環(huán)境中的γ(X)射線,并由光電倍增管將其轉(zhuǎn)換成電脈沖輸出。該電脈沖信號輸出至信號調(diào)理電路后,經(jīng)過放大、濾波、成形,轉(zhuǎn)換為微控制器可識別的方波信號。利用STM32微控制器對方波信號進行計數(shù),將其轉(zhuǎn)換為劑量率值并予以記錄。所記錄的劑量率值可由Zigbee無線模塊發(fā)送出去,也可顯示在液晶顯示器中。此外,當所測劑量率值超過儀器設(shè)定的報警閾值時,微控制器會觸發(fā)聲光報警,并將報警信息由Zigbee無線模塊發(fā)送出去。

2.1 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路負責對由NaI(Tl)輻射探測器探測到的經(jīng)光電倍增管轉(zhuǎn)換后的脈沖信號進行放大、濾波和成形,其中放大電路使用AD827芯片。放大電路原理如圖4所示。

圖4 放大電路

放大電路輸出的信號經(jīng)過甄別電路的閾值比較后,進入成形電路,主要原理如圖5所示。

圖5 甄別電路和成形電路

此外,在信號調(diào)理電路中增加了自檢信號電路,具體如圖6所示。自檢信號電路可產(chǎn)生固定頻率的振蕩信號,以脫離輻射探測器和光電倍增管,獨立地檢測放大、濾波、成形電路是否正常,方便電路板調(diào)試,提高信號調(diào)理電路的模塊化。

圖6 自檢信號電路

2.2 微控制器控制電路

微控制器采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103RET6,具有64個引腳,主時鐘頻率可達72 MHz。微控制器引腳及部分外圍電路圖如圖7所示。微控制器外圍電路包括時鐘電路、復位電路、存儲電路、串口電路、聲光報警電路、LCD驅(qū)動電路、Zigbee模塊接口電路等。采用定時器作為計數(shù)及數(shù)據(jù)處理模塊,對從信號調(diào)理電路輸出的脈沖信號進行捕獲、計數(shù),并根據(jù)標定的轉(zhuǎn)換函數(shù)進行計數(shù)率與劑量率轉(zhuǎn)換,獲得劑量率值。

圖7 微控制器引腳及部分外圍電路

2.3 Zigbee無線模塊

Zigbee構(gòu)架包括4個層次,其中,物理層(PHY)和數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)采用IEEE 802.15.4協(xié)議標準,網(wǎng)絡(luò)層由Zigbee技術(shù)聯(lián)盟制定,用戶在實際使用時通常只需對應(yīng)用層進行修改。

本系統(tǒng)的Zigbee無線模塊采用基于TI公司CC2630芯片的低功耗射頻模塊,配備吸盤天線,可有效提高無線傳輸距離。每個節(jié)點可設(shè)置為協(xié)調(diào)器、路由器、終端3種模式,均具有無線收發(fā)功能,且每個節(jié)點擁有唯一可識別ID。當節(jié)點設(shè)置為路由器時,可轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。該模塊還具有掉網(wǎng)自動重連、掉電數(shù)據(jù)保存等功能。

本系統(tǒng)將輻射監(jiān)測儀的Zigbee模塊設(shè)置為終端模式,將監(jiān)測平臺的Zigbee模塊設(shè)置為協(xié)調(diào)器。無線模塊之間的連接和通信是通過協(xié)議棧提供的函數(shù)完成的。輻射監(jiān)測儀向監(jiān)測平臺實時發(fā)送數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)內(nèi)容包括起始位、數(shù)據(jù)長度、節(jié)點編號、位置信息、輻射數(shù)據(jù)、校驗位。監(jiān)測平臺接收到數(shù)據(jù)后,對數(shù)據(jù)進行解析,存儲在不同的變量中,并在上位機軟件界面分別顯示、更新和存儲。

2.4 程序設(shè)計

STM32程序包括脈沖計數(shù)程序、Zigbee無線收發(fā)程序、超閾值聲光報警程序等,其程序流程如圖8所示。其中,報警閾值的設(shè)置是根據(jù)概率統(tǒng)計方法：

圖8 STM32程序流程

TR=B+ε×S

(1)

式中：TR為報警閾值;B為本底劑量率的平均值;S為本底劑量率的標準偏差;ε為置信系數(shù),一般取值2或3,本研究取值3。

2.5 輻射監(jiān)測儀樣機

本研究將信號調(diào)理電路、微控制器電路、聲光報警電路、Zigbee無線模塊及電源模塊集成到一塊印制電路板(PCB)上,將測得的結(jié)果顯示在顯示屏上,顯示內(nèi)容包括時間、計數(shù)率值、劑量率值、自檢或測量模式等。此外,數(shù)據(jù)也可由Zigbee無線模塊發(fā)出。

本研究還對輻射監(jiān)測儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外觀及支架進行了機械設(shè)計。將監(jiān)測儀各個模塊集中于方形外殼內(nèi),并將外殼固定在支架上。支架高度可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié),并且整臺儀器具有一定的防水防塵性能。輻射監(jiān)測儀實物如圖9所示。

圖9 輻射監(jiān)測儀

3 輻射監(jiān)測平臺

上位機監(jiān)測平臺由工控機、顯示器和監(jiān)測系統(tǒng)軟件組成,具有數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。工控機上的Zigbee協(xié)調(diào)器可接收來自多個輻射監(jiān)測儀的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)內(nèi)容包括ID號、位置信息、輻射信息等,每秒更新一次。此外,平臺還可將輻射監(jiān)測儀發(fā)送的數(shù)據(jù)信息存儲為CSV文件,以供后續(xù)查閱。

4 系統(tǒng)測試

4.1 輻射監(jiān)測儀測試

4.1.1 輻射性能測試

本研究以經(jīng)標準輻射場量值傳遞過的γ射線巡測儀(日本Aloka,TCS-172B)所測劑量率值作為參考,并在γ射線參考輻射標準裝置上對γ射線巡測儀進行了測試。不同距離上的γ射線巡測儀的劑量率響應(yīng)如圖10所示,響應(yīng)系數(shù)為0.33 m2·μSv/h。

圖10 γ射線巡測儀在不同距離上的響應(yīng)

使用3.74 MBq137Cs源測試輻射監(jiān)測儀樣機在不同距離上的劑量率值。首先用γ射線巡測儀測出不同距離上的劑量率值,然后測試自研的輻射監(jiān)測儀樣機在相應(yīng)距離上的劑量率值,同一個測試點測量20次再取平均值。測試結(jié)果如表1所示。

表1 輻射監(jiān)測儀樣機對137Cs點源的響應(yīng)測試結(jié)果

由表1可以看出,以γ射線巡測儀測量值作為參考,本研究輻射監(jiān)測儀樣機測量值的相對固有誤差在±10%以內(nèi),測量數(shù)據(jù)準確。

4.1.2 報警功能測試

對16臺輻射監(jiān)測儀進行了報警功能測試。使用3.74 MBq137Cs源在環(huán)境本底的基礎(chǔ)上增加0.1 μSv/h的γ輻射,測試輻射監(jiān)測儀的報警可靠性。

首先,使用經(jīng)檢定合格的γ射線巡測儀測得本底輻射劑量值D0=0.08 μSv/h。然后,根據(jù)公式(2)確定放射源產(chǎn)生0.1 μSv/h輻射場的位置。

D=AΓ/r2

(2)

式中：D為輻射場某點的輻射劑量值,A為核素的活度,Γ為吸收劑量率常數(shù),r為輻射場某點到放射源的距離。

對于標準點源137Cs,經(jīng)查,Γ=2.12×10-17Gy·m2/(Bq·s)。當劑量值D=0.1 μSv/h時,利用公式(2)計算探測器距離γ放射源的直線距離r,得到r=1.68 m。

將γ放射源置于距輻射監(jiān)測儀1.68 m的位置,記錄輻射監(jiān)測儀的報警次數(shù)N0和測量總次數(shù)N,計算其報警率(P=N0/N×100%)。測試結(jié)果如表2所示。

表2 16臺輻射監(jiān)測儀報警率測試結(jié)果

測試結(jié)果表明,16臺輻射監(jiān)測儀均可對在本底基礎(chǔ)上增加0.1 μSv/h的γ輻射提供可靠報警,報警率在99.0%以上。

4.2 無線網(wǎng)絡(luò)測試

4.2.1 無線傳輸性能測試

為驗證輻射監(jiān)測儀的無線傳輸性能,分別選擇辦公樓樓道、不同辦公室、室外道路等不同環(huán)境場所,進行了Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信距離測試試驗。試驗中,將傳輸波特率設(shè)置為9 600,測試單臺輻射監(jiān)測儀對監(jiān)測平臺的傳輸距離。當輻射監(jiān)測儀和監(jiān)測平臺放置在直線的樓道中時,測得其不丟包傳輸距離可達60 m;當輻射監(jiān)測儀和監(jiān)測平臺位于隔有3堵墻的兩個辦公室內(nèi)時,測得其不丟包傳輸距離可達30 m;當輻射監(jiān)測儀和監(jiān)測平臺位于無建筑物遮擋的道路上時,測得其不丟包傳輸距離在300 m以上。

4.2.2 無線組網(wǎng)測試

監(jiān)控平臺工控機自帶接收模塊并提供串口通信接口。軟件通過對串口的監(jiān)聽獲得固定頻率的數(shù)據(jù)推送,對數(shù)據(jù)進行解析并提交給數(shù)據(jù)處理單元。將監(jiān)控平臺的Zigbee無線模塊設(shè)置為協(xié)調(diào)器,將輻射監(jiān)測儀的Zigbee無線模塊設(shè)置為路由器,組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。圖11為不同節(jié)點排布位置的組網(wǎng)測試圖。由圖11可知,系統(tǒng)可通過無線網(wǎng)絡(luò)的形式同時連接16臺輻射監(jiān)測儀,滿足監(jiān)測系統(tǒng)對輻射監(jiān)測儀同時進行監(jiān)控的需求。

圖11 無線組網(wǎng)測試

4.3 電池電壓對性能影響測試

輻射監(jiān)測儀供電方式為可充電鋰電池,電池電量過低將會影響輻射監(jiān)測數(shù)據(jù),因此,對輻射監(jiān)測儀在不同電池電壓下的輻射劑量率進行了測試,測試結(jié)果如圖12所示。根據(jù)測試結(jié)果,設(shè)置了電壓低于9.5 V時的電量過低提醒功能,以保證測量數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

圖12 電池電壓與劑量率的關(guān)系

4.4 系統(tǒng)測試

為測試監(jiān)測系統(tǒng)的性能,在中國輻射防護研究院放射性計量站的動態(tài)靈敏度測試系統(tǒng)上開展了試驗測量。將16臺輻射監(jiān)測儀擺放成4×4矩陣,間距為1 m,輻射監(jiān)測儀布置及實物如圖13所示。該輻射監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積為3 m×3 m,16臺輻射監(jiān)測儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺。

圖13 系統(tǒng)測試布置及實物

首先,對本底進行測試,得到16臺輻射監(jiān)測儀的本底輻射值的分布度,并據(jù)此計算獲得本底平均值和標準差。圖14為其中1臺輻射監(jiān)測儀的本底輻射值的分布度。

圖14 2號輻射監(jiān)測儀本底輻射值分布

然后,在有放射源的情況下,對16臺輻射監(jiān)測儀進行測試。將活度為3.74 MBq的137Cs點源在x軸(-2～2)上做直線移動(y=0.25,z=0),得到16臺輻射監(jiān)測儀的輻射監(jiān)測數(shù)據(jù),結(jié)果如圖15所示。由圖15可以看出,同類位置的輻射監(jiān)測儀對放射源有相似的響應(yīng)曲線。在橫向上,編號為2、6、10、14的輻射監(jiān)測儀分別在放射源位于(-1.5,0.25,0)、(-0.5, 0.25, 0)、(0.5, 0.25, 0)、(1.5, 0.25, 0)處時具有最大的輻射測量值,編號為3、7、11、15的輻射監(jiān)測儀具有類似的特征。在縱向上,編號為1、2、3、4的輻射監(jiān)測儀對放射源的響應(yīng)隨著與放射源距離的增大依次減弱,其他列的輻射監(jiān)測儀表現(xiàn)出同樣的特征。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,利用該系統(tǒng)可實時獲得16臺輻射監(jiān)測儀的輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖15 16臺輻射監(jiān)測儀對3.74 MBq 137Cs點源的測量結(jié)果

5 總結(jié)

本研究搭建了基于Zigbee技術(shù)的由多臺輻射監(jiān)測儀和監(jiān)控平臺組成的無線輻射監(jiān)測系統(tǒng),自主設(shè)計了輻射監(jiān)測儀的信號調(diào)理電路、微控制器控制電路及微控制器程序,并對輻射監(jiān)測儀和輻射監(jiān)測系統(tǒng)進行了測試。測試結(jié)果表明,輻射監(jiān)測儀測量數(shù)據(jù)準確,對于在環(huán)境本底基礎(chǔ)上增加0.1 μSv/h的γ輻射能夠提供可靠報警,無線傳輸距離在室內(nèi)可達60 m以上,在室外可達300 m以上。將多臺輻射監(jiān)測儀通過Zigbee模塊組成無線自組織網(wǎng)絡(luò)后,監(jiān)測平臺可同時對多臺輻射監(jiān)測儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行無線接收,并具有實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)存儲功能,解決了傳統(tǒng)輻射監(jiān)測儀數(shù)據(jù)統(tǒng)計不及時、有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)布線繁復等問題。該監(jiān)測系統(tǒng)有望應(yīng)用于輻射數(shù)據(jù)實時監(jiān)控及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計領(lǐng)域。