基于NB-IoT 的核輻射劑量儀設計

馬 川，顏擁軍，劉霖霏

（1. 南華大學核科學技術學院，湖南 衡陽 421001；2. 中國船舶集團有限公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027）

我國核輻射監測儀器的智能化、自動化程 度不夠高，所以在實時監測、有效管理，快速反應等方面還留有較大的進步空間。目前新研發的核輻射劑量儀有采用了GPRS（通用分組無線服務）通信方式，數據傳輸最大理論速率171.2 kbps，適用于少量的數據傳輸，傳輸距離遠，組網簡單，但是功耗較大，需要不定期對設備進行充電，并且容易受到基站覆蓋范圍的限制，存在通信死角，設備容易離線[1,2]。NB-IoT是物聯網領域的一個新興技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，只消耗大約180 kHz 的帶寬[3]，信號覆蓋面積廣，廣泛應用于環境監測、自動抄表、輸電線路檢測、車聯網、智慧農業等戶外移動物聯網應用場景[4,5]。NB-IoT 具有更強的連接能力，比傳統的GPRS提高50～100 倍的設備接入量，數據傳輸數率為160～250 kbps。NB-IoT 支持PSM（Power Saving Mode，省電模式），功耗極低（10 年電池使用壽命），在相同條件下，正常傳輸的功耗約為GPRS 的一半[6]。

因此本設計采用 NB-IoT 通信方式，以STM32 單片機作為主控單元，前端放射源探測電路選用G-M 計數管作為核輻射探測器，選用BC20 物聯網通訊模塊，設計開發一種核輻射劑量儀器及監控系統，系統支持云平臺端監控模式。經測試，該系統能實時顯示輻射劑量值，溫濕度值，地圖位置，實驗誤差滿足設定要求。

1 系統裝置總體設計

該系統裝置主要由探測系統，主控系統，物聯網系統和電源系統四部分組成。探測系統包括核輻射探測電路和溫濕度模塊，其中核輻射探測器選用 G-M 計數管，驅動電壓為410 V；主控系統選用STM32F103 系列的單片機，外接復位電路，晶振電路組成單片機最小系統；物聯網系統是由BC20 物聯網芯片，SIM卡電路、串口電路、天線、復位電路組成[7]，由低壓電路供電；電源系統采用鋰電池供電，外接穩壓器和升壓模塊，分別輸出+3.3 V 和+410 V 電壓。該系統裝置的整體設計方案如圖1 所示。

在環境核輻射劑量監測下，當有γ射線粒子進入G-M 計數管內，就會產生一定幅值的脈沖電壓，該脈沖電壓經過脈沖成形電路整形后形成標準的脈沖信號送至STM32 單片機，使用單片機的外部中斷功能用來檢測脈沖信號的上升沿或者下降沿對脈沖信號進行精確計數，然后通過相應算法將核脈沖計數轉換成核輻射劑量率信息[8]，STM32 單片機通過串口控制并接收BC20 模塊的北斗定位數據，并將定位數據、核輻射劑量數據、溫濕度數據打包，BC20 模塊再將來自單片機的數據包采用LWM2M 通訊協議經NB-IoT 數據傳輸層發送到OneNet 云平臺，OneNet 云平臺實時在線顯示該儀器的核輻射劑量值、溫濕度值和所在位置。

2 系統裝置相關硬件設計

2.1 主控芯片與物聯網模組選擇

主控芯片選擇 STM32F103VET6 型號單片機，該單片機采用ARM Cortex TM-M3 內核架構，主運行頻率高達72 MHz。有8 個計數器（4 個通用定時器，兩個高級定時器，兩個基本定時器），512 KFlash，64 kSRAM，采用LQFP 封裝。

物聯網通訊模組選用中移BC20 模塊，BC20基于聯發科芯片平臺研發，支持B1/B3/B5/B8頻段，提供豐富的外部接口和協議棧（UDP/TCP/CoAP/LWM2M/MQTT 等）。BC20 內置衛星定位芯片，支持北斗定位，BC20 模組內置LNA，使其接收靈敏度提升至-147 dBm。同時支持中國移動OneNet、中國電信IoT 云平臺、華為OceanConnect 云平臺[9]。BC20 支持低電壓供電（2.1～3.63 V），適合NB-IoT 定位應用場景。

2.2 電源系統設計

電源電壓系統包括鋰電池、升壓電路和穩壓電路。鋰電池輸出5 V 直流電壓；升壓電路負責給GM 計數管提供410 V 高壓；穩壓電路負責給STM32 單片機、BC20 模塊、溫濕度模塊提供3.3 V 電壓。

G - M 計數管的驅動電壓為410 V。采用5 V 鋰離子電池作為供電電源，選用高壓模塊HVW5P，該模塊輸入電壓為+5 V，可調電壓范圍0～480 V，可以滿足G-M 計數管的驅動電壓要求，通過調節引腳1、2 之間的電位器調節模塊輸出電壓為+410 V。升壓電路設計如圖2 所示。STM32 單片機和BC20 模組需要的電壓等級為3.3 V，鋰電池通過低壓差電壓調節器產生符合條件的電壓等級。NCP1117 是一種低壓差電壓調節器，通過兩個外部電阻實現 1.25～13.8 V 的輸出電壓。NCP1117 提供電流限制和熱保護，輸出端和輸出端各接10 μF，10 pF的鉭電容來改善瞬態響應和穩定性。穩壓電路設計如圖3 所示。

2.3 G-M 計數管及其脈沖整形電路

G-M 計數管（蓋革 - 彌勒計數管）是一種氣體放電計數管，其具有輸出信號大、功耗低、適應環境溫度范圍寬[10]、體積小、造價低等特點，適合應用在核輻射探測領域。G-M 計數管及其脈沖整形電路如圖 4 所示。當有γ射線粒子進入G-M 計數管壁內時，計數管壁內會發生氣體電離，電離后的粒子向兩極移動的同時產生雪崩效應，會在陰極產生一個正脈沖電壓信號。G-M 計數管的陽極電壓為 +410 V，圖4中的電阻R1 和電容C1 用來限制G-M 計數管的電流和濾除高頻干擾。G-M 計數管的脈沖信號不能直接輸入到單片機，要在 G-M 計數管的陰極和單片機之間接入脈沖整形電路，其中運算放大器 LM358DR 與阻容網絡（RC）構成了一個比例 - 積分 - 微分運算放大器。通過比例運算放大 G-M 計數管的輸出信號，使核脈沖信號幅度滿足單片機的信號要求[11]，利用電阻 R3 和 R5 為運算放大器提供合理的直流偏置，消除飽和失真。通過非門SN74LVC1G04將前端運算電路的反相輸出調整為正脈沖輸出，形成理想的脈沖信號，輸出到單片機中斷輸入引腳。

2.4 溫濕度傳感器選擇

選用數字溫濕度傳感器DHT11，DHT11 是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有極高的可靠性和長期穩定性。DHT11 的供電電壓3～5.5 V，數據輸出方式：串行數據，單總線。電源引腳（VDD，GND）之間增加一個0.1 μF 的電容，用以去耦濾波。DHT11 接線如圖5 所示。

3 設備與OneNET 云平臺對接

3.1 平臺設備接入

BC20 模組與OneNET 平臺對接時，需依次達成模組側流程與平臺側流程的對接配置工作：首先應該完成產品創建與設備注冊，然后完成模組初始化及模組側設備實體配置相關操作。在前端設備對接中移OneNET 云平臺前，需要在OneNET 平臺上進行開發產品創建與注冊；創建完成后，便定義好了該設備產品掛載的指定模組設備，每個模組設備唯一對應各個平臺產品。

3.2 模組側操作流程

為了實現BC20 通訊模組與中移OneNET云平臺的成功對接，需進行模組側設備相關的一系列操作，包括實體創建與資源訂閱配置，完成實體創建和資源訂閱后，BC20 模組便能夠成功登錄到OneNET 云平臺。訂閱 Object 組是為了對BC20 模組進行使用 LWM2M 協議的聲明，在OneNET 云平臺上預定義一個支持LWM2M 協議的設備實體；訂閱 Resource 資源是為了在OneNET 云平臺的資源列表能夠顯示Resource 信息進行聲明。OneNET 平臺操作流程如圖6 所示。

4 系統軟件設計

4.1 通訊協議選擇

目前市面上大多數IoT 模組都支持TCP、UDP、CoAP、LWM2M、MQTT 等協議，本設計選擇 OneNET 平臺作為系統的開發平臺，通過 LWM2M 協議進行輻射劑量儀與OneNET 平臺之間的數據傳輸。LWM2M（Lightweight Machine-To-Machine，輕量級M2M）協議是由OMA（Open Mobile Alliance）提出并定義的基于CoAP 協議的物聯網通信協議。LWM2M 協議在CoAP 協議的基礎上定義了接口、對象等規范，使得物聯網設備和物聯網平臺之間的通信更加簡潔和規范，可用于快速部署客戶端/服務器模式的物聯網業務。

4.2 前端輻射劑量儀軟件設計

根據系統平臺設計要求，核輻射劑量檢測儀與NB-IoT 移動OneNet 云平臺通過LWM2M方通信方式進行通信，數據從單片機通過串口發送給BC20 模塊，該模塊再通過NB-IoT 基站以及核心網到達OneNet 云平臺。總體工作過程為：上電系統進行初始化，主要包括單片機工作就緒、SD 卡掛載成功、串口配置、定時器裝載。初始化完成以后單片機開始通過串口發送AT 指令控制BC20 模塊連網，并回傳北斗定位信息給單片機，同時單片機對脈沖信號計數（計數時間設為 5 s），然后單片機計算出計數率并乘以相應標定系數轉換成標準輻射劑量率數據。單片機以軟件設定的格式對北斗定位數據、輻射劑量率數據、溫濕度數據進行數據打包，并通過串口發送給BC20 通信芯片，進而通過NB-IoT 網絡發送至OneNet 云平臺的監控終端。總體流程如圖7所示，NB 模塊與平臺數據傳輸流程如圖 8 所示，系統初始化流程如圖9 所示。

5 系統測試及儀器標定

5.1 系統測試

本文測試的輻射劑量儀電路板如圖10 所示，OneNET 云平臺自帶應用界面編輯，輻射劑量數據最終在應用界面顯示，本設計的應用主界面包含輻射劑量值顯示儀表，溫濕度顯示儀表。點擊儀表下方藍色鏈接可分別進入輻射劑量數據記錄線性表界面和溫濕度記錄線性表界面；點擊定位地圖圖標可進入儀器地圖定位界面，應用主界面如圖11 所示。

通過測試，應用主界面能夠實時顯示輻射劑量值和當前溫濕度值。北斗定位地圖能夠精準定位儀器所在位置，如圖12 所示。隨著數據不斷的發送到云平臺，數據記錄界面都依次記錄了具體時間刻度傳來的輻射劑量數據，溫度數據和濕度數據，如圖13 所示。通過測試所有數據的時間延遲不超過5 s。

5.2 輻射劑量儀的標定

G-M 計數管作為一種核輻射探測器，其脈沖計數率與核輻射照射量有一定的相關性[12]。由于測量的脈沖計數率并不是儀器所要讀出的輻射劑量值，因此需要對該輻射劑量儀進行標定。核輻射劑量的標定主要采用標準源法和標準儀器法[13]。

為了標定該儀器，需要設計一個標準輻射場（放射性質和照射量分布已知）[14]，為獲取標準輻射場的標準劑量值，本設計采用標準源法對儀器進行標定。在標定實驗中，采用137Cs 標準放射源（放射性活度為1.85 × 105Bq，標定日期為20180401）。實驗環境溫度為27 ℃，相對濕度為28%RH，計數時間為5 s，照射量常數為0.33 Rm。分別在距離放射源2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm的位置處各測得的10 組數據取其平均值得到平均輻射劑量值，通過與標準劑量值對比，判斷并分析誤大小來不斷改變軟件標定系數直到滿足誤差要求，經過不斷調整標定系數，最終測量結果如表1 所示。結果表明：實測劑量值的相對誤差范圍在-15%～15%，符合國家標準（不超過±20%），由圖14 可以看出，實測劑量值滿足與距離平方成反比關系，與標準劑量值基本一致。

表1 137Cs 放射源測量數據Table 1 137Cs radioactive source measurement data

6 結論

基于目前NB-IoT 的技術優勢，結合STM32單片機系統，研制了一種基于NB-IoT 核輻射劑量儀，完成了硬件端，軟件系統端和平臺設計端的三大基礎架構，實現了OneNet 云平臺端的核輻射劑量的遠程動態監測，經過對標，所測輻射劑量值滿足誤差要求；同時應用北斗定位技術對儀器進行實時跟蹤，支持溫濕度監測，便于對儀器進行故障診斷。相較于其他輻射劑量儀器，該儀器具備應用覆蓋范圍廣，支持大規模連接，信號強，功耗低，壽命長等優勢，解決了現有輻射劑量儀在該方面的不足。本設計可對進行核儀器與目前物聯網平臺相結合方向提供一定參考。