基于ZigBee無線網絡的核輻射監測系統設計

宋逢泉, 岳 建, 張占亮, 張 旭, 何曉雄

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院,安徽 合肥 230009)

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基于ZigBee無線網絡的核輻射監測系統設計

宋逢泉, 岳 建, 張占亮, 張 旭, 何曉雄

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院,安徽 合肥 230009)

文章提出了一套基于ZigBee無線傳感器網絡的核輻射監測系統的設計方案。以CC2530芯片為核心,通過核輻射探測器終端節點與ZigBee協調器的無線通信,實時采集并無線傳輸多個節點位置的核輻射劑量率信息,實現了對一定區域核輻射劑量水平的自動遠程監測。該系統具有性能穩定、組網靈活、布置方便以及低成本、低功耗等優點,在測試試驗中達到了設計要求。

ZigBee無線傳感器;核輻射監測;協調器;劑量率

0 引 言

近年來,隨著人類核電事業的發展和核技術在各行業的廣泛應用,核安全問題越來越受到社會的關注。在此背景下,建立一個準確可靠、可快速部署的核輻射無線監測網絡,自動實時監測生活區域內的輻射劑量水平,對于保障全社會的核安全具有重要意義[1]。

ZigBee技術是一種基于IEEE 802.15.4標準的新型短距離無線通信技術,其優點是組網靈活、結構簡單、功耗小、成本低[2]。本文將ZigBee技術應用于構建核輻射無線監測網絡,設計并搭建了一套基于ZigBee無線傳感器網絡的生活區域核輻射監測系統,并開展了初步的測試試驗。測試結果與生活環境本底劑量率的已知數據[3]0.1 μSv/h基本一致,表明該系統運行效果良好,達到了設計要求。

1 系統總體結構

基于ZigBee無線傳感網絡的核輻射監測系統的總體結構如圖1所示。

系統由上位機監控平臺、協調器以及多個傳感器終端節點構成。每個傳感器終端節點均使用1個蓋革計數管作為輻射劑量數據的采集元件,可同時監測生活區域內多個不同位置的輻射劑量率數據,并通過ZigBee無線網絡模塊與協調器進行通信,協調器通過RS232串口通訊連接到上位機監控平臺。上位機監控平臺可將各傳感器終端節點傳送的數據進行存儲、整合與分析,實時顯示各監測位置處的輻射劑量率數值,以便實施輻射劑量水平的監控和查詢。

圖1 系統總體結構

2 系統硬件設計

2.1 傳感器模塊

本文系統所監測的輻射劑量信息是通過每個終端節點的傳感器模塊獲取的,終端節點硬件結構如圖2所示,傳感器模塊由G-M管(蓋革計數管)[4]及輔助電路組成。

G-M管是一種氣體探測器,具有靈敏度高、輸出電荷量大、脈沖幅度大、穩定性高、價格便宜以及使用方便等特點。因此,在本文系統設計中采用G-M管作為核輻射信息的探測器。

在G-M管的陰極和陽極之間加上適當的工作電壓后,管內形成柱形對稱電場。當環境中的輻射射線粒子進入G-M管后,管內的惰性氣體被電離,負離子由陽極吸引并移向陽極,與其他氣體分子碰撞后產生多個次級電子,快到陽極時次級電子急劇倍增產生雪崩現象,發生放電并輸出脈沖信號。入射輻射射線的粒子束強度越強,單位時間內輸出的脈沖個數就越多。

圖2 終端節點硬件結構

G-M管及輔助電路的原理如圖3所示,G-M管輸出的脈沖信號經過放大和整形后,接入R23和R24的公共端,可獲得理想的方波脈沖,并輸出至終端節點中的CC2530處理器模塊進行計數,然后發送至協調器,由協調器傳輸到上位機進行計算,從而得到輻射劑量率。

圖3 G-M管電路原理圖

2.2 主控模塊

CC2530是專門針對IEEE 802.15.4和ZigBee應用的單芯片系統,它結合了RF(radio frequency)收發器和增強型8051微控制器的優良性能,并利用ZigBee協議棧,提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案[5]。

CC2530的芯片引腳[6]如圖4所示。將G-M管電路原理圖中的INT引腳與圖4中CC2530的p0-1引腳連接,通過對節點進行編程,即可實現CC2530對于G-M管電路輸出方波脈沖的計數。另外,CC2530具有一個IEEE802.15.4兼容無線收發器,RF內核控制模擬無線模塊,用于實現與協調器的ZigBee無線組網[5]。

圖4 CC2530芯片引腳

3 系統軟件設計

3.1 終端節點的軟件設計

傳感器終端節點中的探測器模塊主要負責采集輻射劑量數據,所采集的數據由CC2530模塊以字符串的形式實時送達協調器,并完成協調器發來的指令[7]。

系統啟動后先進行硬件和協議棧的初始化,然后開始信道掃描并加入協調器組建的無線網絡,入網成功后各節點進行綁定且開始采集輻射劑量信息,將數據發送給協調器,終端節點的流程圖如圖5所示。

圖5 終端節點流程圖

3.2 上位機軟件設計

上位機監控平臺的主要功能有數據存儲、數據顯示、曲線圖顯示和歷史數據查詢等,以Windows 8.1操作系統為開發平臺,采用C#語言在Visual Studio 2012環境下編程實現,分別使用 Serial Port 類和Thread 類進行串口通信和多線程編程,使用Listview控件和TeeChart控件編寫輻射劑量率數據顯示界面和曲線顯示界面;數據存儲使用Access數據庫,利用DataGridView控件引入命名空間,并構建鏈接信息及結構化查詢語言(structured query language,SQL)語句,將數據傳給顯示窗體對象實現數據顯示。上位機通過串口接收節點采集的數據后,進行輻射劑量率數據的處理轉換,并將實時的輻射劑量率數值動態顯示在監控平臺的窗口表格中。上位機軟件顯示界面如圖6所示。

圖6 上位機軟件顯示界面

3.3 數據收發和串口通訊子程序

終端節點發送數據可直接調用AF_DataRequest()函數實現,方法如下:

AF_DataRequest(&GenericApp_DstAddr,&GenericApp_epDesc,GENERICAPP_CLUSTERID,(byte)osal_strlen(theMessageData)+1,(byte*)&theMessageData, &GenericApp_TransID, AF_DISCV_ROUTE, AF_DEFAULT_RADIUS)。

協調器接收到終端節點發送的數據后,首先操作系統抽象層(operating system abstraction layer,OSAL)將其封裝成消息,每個消息都有其ID,加入消息隊列,然后使用osal_msg receive()函數,從消息隊列接收消息,再調用GenericApp_MessageMSGCB()函數,完成對接收數據的處理。另外,調用osal_memcpy()函數,拷貝數據到buffer數組,將數據通過串口使用HalUARTWrite()函數發送到上位機[8]。

4 測試實驗與分析

4.1 生活環境本底輻射測試

為了驗證系統設計方案的可行性,在合肥工業大學學生宿舍樓內設置了3個終端節點進行ZigBee無線組網測試試驗,3個節點的輻射劑量率測量數據分別為0.085、0.081、0.082μSv/h,與已知的環境本底輻射劑量率數據0.1 μSv/h基本一致[3],表明本文系統運行效果良好,達到了設計要求。

4.2 通訊距離測試

為驗證本系統方案可實現的最大監測范圍,分別選擇宿舍樓道、校園內的樹林和足球場等不同生活環境場所,進行了ZigBee無線網絡通訊距離的測試試驗,并通過修改ZigBee終端節點的發射功率函數macRadioUpdateTxPower(),實現不同的發射功率值,測試結果見表1所列。

表1 不同發射功率下的傳輸距離 m

通過分析表1中的數據可知,相同發射功率下,空曠足球場的通訊距離最遠,其次為樹林里,傳輸距離最近的是樓道內。主要原因為:足球場比較空曠,也沒有信號干擾,故通訊距離最遠;樹林中的樹木對電磁波信號有一定的吸收和反射作用,而其他電磁干擾較小,故通訊距離次之;宿舍樓道里有各種電子設備,WiFi信號和各類電磁信號對ZigBee信號造成干擾,故通訊距離最近。另外,從表1中也可以發現,隨著發射功率的降低,通訊距離也隨之降低。

因此,在實際部署基于ZigBee無線傳感器網絡的核輻射監測系統時,需要綜合考慮節點能耗、通訊距離和組網密度,根據不同環境下的具體要求,采用最合理的發射功率,既保證降低能耗,延長節點壽命,又最大限度地降低網絡密度以節約成本。

5 結 論

本文研究了基于ZigBee無線網絡的核輻射監測系統的設計與實現,初步完成了系統的方案設計和組裝調試,并實現了ZigBee無線組網的測試試驗。測試結果表明,系統整體運行穩定、數據采集準確,達到了設計要求,可實現對生活環境中各個探測節點核輻射劑量信息的實時監測。

[1] 王志偉.基于WSN的輻射環境智能移動監測系統[D].南京:南京信息工程大學,2014.

[2] 張睿,劉志剛,趙艷華.基于TETRA與ZigBee的無線傳感器網絡研究[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2010,33(3):372-375.

[3] 仝華梓.無線自組網輻射劑量監測系統研究[D].青島:青島科技大學,2014.

[4] 呂志信.基于MSP430單片機的輻射劑量儀研究[D].太原:太原理工大學,2011:22-25.

[5] 王凱強,陳光,劉洋,等.基于ZigBee無線組網的SF6在線監測系統設計[J].傳感器與微系統,2016,35(3):64-66.

[6] 杜軍朝,劉慧,劉傳益,等.ZigBee技術原理與實戰[M].北京:機械工業出版社,2014:152-153.

[7] 陳探,劉沖,李志陽,等.ZigBee技術在核輻射環境監測中的應用[J].電子技術,2014,43(2):11-14.

[8] 王小強,歐陽駿,黃寧淋.ZigBee無線傳感網絡設計與實現[M].北京:化學工業出版社,2012:102-103.

(責任編輯 胡亞敏)

Design of nuclear radiation monitoring system based on ZigBee wireless sensor network

SONG Fengquan, YUE Jian, ZHANG Zhanliang, ZHANG Xu, HE Xiaoxiong

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Based on ZigBee wireless sensor network technology, a design scheme of nuclear radiation monitoring system is proposed. A CC2530 chip is used as the core， and through the communication between the terminal nodes of nuclear radiation detector and the ZigBee coordinator, the value of radiation dose rate in each node position is measured and transferred in real time. Then the level of nuclear radiation dose in a certain area can be monitored automatically and remotely. The system has advantages of performance stability, networking flexibility, convenient arrangement, low cost and power consumption. The results of test experiments show that the system meets the design requirements.

ZigBee; wireless sensor； nuclear radiation monitoring; coordinator; radiation dose rate

2015-06-30；

2015-08-15

合肥工業大學博士學位專項資助基金資助項目(J2014HGBZ0122);安徽省大學生創新創業訓練計劃資助項目(2015CXCYS045)

宋逢泉(1975-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業大學講師; 何曉雄(1956-),男,安徽宿松人,合肥工業大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.014

TN92

A

1003-5060(2016)11-1505-04