基于Zigbee技術的無線輻射監測系統的建立

崔 偉,韋應靖,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研究院,北京 100084

隨著對核能的大力開發與利用,放射性物質安保、核輻射環境監測、人員劑量監測等領域的輻射監測需求不斷增大。開展輻射監測需要布置大量輻射探測器,并且需要對這些探測器的監測數據進行采集和統計分析。對于采用傳統分立方式布置的探測器,需要人工記錄監測數據后才可對監測數據進行統計分析,而對于采用有線組網方式連接的輻射監測系統,其布線繁復,無法滿足可移動式輻射劑量監測儀器對數據的實時統計分析需求。Zigbee無線網絡技術由放置在監測區域內的眾多無線節點組成,這些節點通過無線通信的方式形成多跳自組織監控網絡系統。由于Zigbee無線網絡無需布線,組網快速、靈活[1],現已被廣泛應用于軍事監控、醫療護理、環境監測等領域[2-6],成為一種新的技術發展趨勢。本文提出并建立了一種基于Zigbee技術的無線輻射監測系統,詳細介紹了各個模塊的設計思路,并對輻射監測儀和輻射監測平臺進行了測試,以期為進一步提升我國輻射監測水平提供技術保障。

1 系統框架介紹

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

圖1 監測系統框架

圖2 監測系統實物

2 輻射監測儀

輻射監測儀總體結構如圖3所示,主要由NaI(Tl)探測器、高壓模塊、電源模塊、信號調理電路、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 輻射監測儀總體結構

利用NaI(Tl)探測器探測環境中的γ(X)射線,并由光電倍增管將其轉換成電脈沖輸出。該電脈沖信號輸出至信號調理電路后,經過放大、濾波、成形,轉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,將其轉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定的報警閾值時,微控制器會觸發聲光報警,并將報警信息由Zigbee無線模塊發送出去。

2.1 信號調理電路

信號調理電路負責對由NaI(Tl)輻射探測器探測到的經光電倍增管轉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,方便電路板調試,提高信號調理電路的模塊化。

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驅動電路、Zigbee模塊接口電路等。采用定時器作為計數及數據處理模塊,對從信號調理電路輸出的脈沖信號進行捕獲、計數,并根據標定的轉換函數進行計數率與劑量率轉換,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構架包括4個層次,其中,物理層(PHY)和數據鏈路層(MAC)采用IEEE 802.15.4協議標準,網絡層由Zigbee技術聯盟制定,用戶在實際使用時通常只需對應用層進行修改。

本系統的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。每個節點可設置為協調器、路由器、終端3種模式,均具有無線收發功能,且每個節點擁有唯一可識別ID。當節點設置為路由器時,可轉發其他節點發送的數據。該模塊還具有掉網自動重連、掉電數據保存等功能。

本系統將輻射監測儀的Zigbee模塊設置為終端模式,將監測平臺的Zigbee模塊設置為協調器。無線模塊之間的連接和通信是通過協議棧提供的函數完成的。輻射監測儀向監測平臺實時發送數據,數據內容包括起始位、數據長度、節點編號、位置信息、輻射數據、校驗位。監測平臺接收到數據后,對數據進行解析,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 程序設計

STM32程序包括脈沖計數程序、Zigbee無線收發程序、超閾值聲光報警程序等,其程序流程如圖8所示。其中,報警閾值的設置是根據概率統計方法：

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,一般取值2或3,本研究取值3。

2.5 輻射監測儀樣機

本研究將信號調理電路、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,將測得的結果顯示在顯示屏上,顯示內容包括時間、計數率值、劑量率值、自檢或測量模式等。此外,數據也可由Zigbee無線模塊發出。

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

圖9 輻射監測儀

3 輻射監測平臺

上位機監測平臺由工控機、顯示器和監測系統軟件組成,具有數據顯示、數據存儲、歷史數據查詢等功能。工控機上的Zigbee協調器可接收來自多個輻射監測儀的數據,數據內容包括ID號、位置信息、輻射信息等,每秒更新一次。此外,平臺還可將輻射監測儀發送的數據信息存儲為CSV文件,以供后續查閱。

4 系統測試

4.1 輻射監測儀測試

4.1.1 輻射性能測試

本研究以經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如圖10所示,響應系數為0.33 m2·μSv/h。

圖10 γ射線巡測儀在不同距離上的響應

使用3.74 MBq137Cs源測試輻射監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測儀樣機在相應距離上的劑量率值,同一個測試點測量20次再取平均值。測試結果如表1所示。

表1 輻射監測儀樣機對137Cs點源的響應測試結果

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

4.1.2 報警功能測試

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

首先,使用經檢定合格的γ射線巡測儀測得本底輻射劑量值D0=0.08 μSv/h。然后,根據公式(2)確定放射源產生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,r為輻射場某點到放射源的距離。

對于標準點源137Cs,經查,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測儀1.68 m的位置,記錄輻射監測儀的報警次數N0和測量總次數N,計算其報警率(P=N0/N×100%)。測試結果如表2所示。

表2 16臺輻射監測儀報警率測試結果

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

4.2 無線網絡測試

4.2.1 無線傳輸性能測試

為驗證輻射監測儀的無線傳輸性能,分別選擇辦公樓樓道、不同辦公室、室外道路等不同環境場所,進行了Zigbee無線網絡通信距離測試試驗。試驗中,將傳輸波特率設置為9 600,測試單臺輻射監測儀對監測平臺的傳輸距離。當輻射監測儀和監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;當輻射監測儀和監測平臺位于隔有3堵墻的兩個辦公室內時,測得其不丟包傳輸距離可達30 m;當輻射監測儀和監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 無線組網測試

監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聽獲得固定頻率的數據推送,對數據進行解析并提交給數據處理單元。將監控平臺的Zigbee無線模塊設置為協調器,將輻射監測儀的Zigbee無線模塊設置為路由器,組成網狀網絡。圖11為不同節點排布位置的組網測試圖。由圖11可知,系統可通過無線網絡的形式同時連接16臺輻射監測儀,滿足監測系統對輻射監測儀同時進行監控的需求。

圖11 無線組網測試

4.3 電池電壓對性能影響測試

輻射監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測數據,因此,對輻射監測儀在不同電池電壓下的輻射劑量率進行了測試,測試結果如圖12所示。根據測試結果,設置了電壓低于9.5 V時的電量過低提醒功能,以保證測量數據的可靠傳輸。

圖12 電池電壓與劑量率的關系

4.4 系統測試

為測試監測系統的性能,在中國輻射防護研究院放射性計量站的動態靈敏度測試系統上開展了試驗測量。將16臺輻射監測儀擺放成4×4矩陣,間距為1 m,輻射監測儀布置及實物如圖13所示。該輻射監測網絡的覆蓋面積為3 m×3 m,16臺輻射監測儀的監測數據通過Zigbee無線網絡傳輸到監測平臺。

圖13 系統測試布置及實物

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

圖14 2號輻射監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臺輻射監測儀的輻射監測數據,結果如圖15所示。由圖15可以看出,同類位置的輻射監測儀對放射源有相似的響應曲線。在橫向上,編號為2、6、10、14的輻射監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的輻射監測儀具有類似的特征。在縱向上,編號為1、2、3、4的輻射監測儀對放射源的響應隨著與放射源距離的增大依次減弱,其他列的輻射監測儀表現出同樣的特征。監測數據表明,利用該系統可實時獲得16臺輻射監測儀的輻射監測數據。

圖15 16臺輻射監測儀對3.74 MBq 137Cs點源的測量結果

5 總結

本研究搭建了基于Zigbee技術的由多臺輻射監測儀和監控平臺組成的無線輻射監測系統,自主設計了輻射監測儀的信號調理電路、微控制器控制電路及微控制器程序,并對輻射監測儀和輻射監測系統進行了測試。測試結果表明,輻射監測儀測量數據準確,對于在環境本底基礎上增加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可達60 m以上,在室外可達300 m以上。將多臺輻射監測儀通過Zigbee模塊組成無線自組織網絡后,監測平臺可同時對多臺輻射監測儀的監測數據進行無線接收,并具有實時監測和數據存儲功能,解決了傳統輻射監測儀數據統計不及時、有線網絡監測系統布線繁復等問題。該監測系統有望應用于輻射數據實時監控及大數據統計領域。