基于LORA 在線式γ 輻射監測系統

王先賀，吳偉軍，劉金堯，沈長楓，王亞欣，黃亮，杜一濱，王宇瑩

（核工業航測遙感中心，河北石家莊，050011）

0 引言

隨著核工程技術的不斷發展，核技術廣泛應用在工業、農業、國防、醫療等領域，使用核設備的實驗場所越來越多，放射性污染所造成的影響危害著人們的身體健康，且輻射量超標會對人體造成嚴重的損害[1]。為了在輻射事故中，能夠迅速地對放射性物質進行檢測，γ 輻射監測技術在環境監測領域有著獨特的優勢[2]。在γ 輻射監測過程中，γ 射線對人體的傷害是不可逆的，為了減少γ 射線對人體的照射，本文設計了一種基于LORA 在線式γ 輻射監測系統。

γ射線是一種基于原子核的衰變而被釋放的電磁輻射，是最為關注的輻射之一[3]。它具有極強的穿透力，照射后會對生物體產生比較嚴重的損傷。在有射線的場合放置γ 輻射監測儀進行在線、實時監測，既能保障輻射監測的科學性、合理性，又能嚴格控制檢測人員的受照，保障工作人員的生命健康安全[4]。

目前，在傳統γ 輻射監測領域，多為有線核輻射監測手段，通過工作人員的現場記錄監測數據，操作繁瑣，工作效率低下，且無法保障工作人員的健康安全[5]。傳統的有線核輻射監測手段移動性差、部署維修困難，在強輻射場所，工作人員無法長時間現場監測，設備部署困難。而無線通信技術傳輸距離長，使用方便安全，便于維護，可有效解決有線輻射監測存在的問題。

針對以上問題，在傳統γ 輻射監測儀的基礎上進行了改進，設計了一種基于LORA 在線式γ 輻射監測系統。本文提出了整體系統結構及原理技術，構建了完善的γ 輻射監測系統，實現了自動化監測，這對于工業環境輻射監測非常有意義。

1 系統結構及測量原理

γ 輻射監測系統由碘化鈉探測器、信號采集電路、數據處理系統、LORA 無線傳輸模塊、上位機軟件組成，信號采集電路包括信號提取、整形濾波和信號甄別電路等；數據處理系統采用單片機控制器實現系統整體控制；LORA 無線傳輸模塊和上位機軟件實現遠程人機交互。其系統結構圖如圖1 所示。

圖1 系統結構圖

基于碘化鈉探測器的測量原理是：γ 射線進入晶體后與之發生相互作用，被電離和激發的晶體的原子、分子退激時發射出閃爍光子[6]，這些閃爍光子由光導和光學耦合劑到達光電倍增管的光陰極，通過光電效應發射光電子，光電子在倍增管中倍增，最后在陽極收集形成電子流，從而產生脈沖信號[7]。

電脈沖信號[8]到達后，首先通過前置放大電路、極零相消電路、放大濾波電路以及基線恢復電路對碘化鈉探測器輸出的電脈沖信號進行放大、成形、濾波[9]等處理，得到準高斯波形，然后利用單片機對脈沖信號進行捕獲，然后立即進行脈沖信號峰值判斷，數據采集系統對脈沖信號進行連續不間斷采樣，完成輻射探測。利用LORA 無線通信技術將探測數據傳輸至上位機。硬件電路框圖如圖2 所示。

圖2 硬件電路圖

2 無線通信技術

遠距離無線電技術[10]是一種物聯網接入層網絡傳輸技術，具有通信距離遠、組網方便、抗干擾能力強的特點。本文選擇了ATK-LORA-02 模塊與上位機通信，ATK-LORA-02具有體積小、低功耗、靈敏度高的特點，其通信距離可達3000m。該模塊的工作電壓為3.3V/5V，靜態電流為2.3μA，發射電流為118mA，接收電流17mA，最大發射功率為100mW。模塊的尺寸為24mm×17mm，如圖3 所示。

圖3 ATK-LORA-02 模塊外觀圖

LoRa 模塊通過6 個引腳同外部電路連接，分別為MD0、AUX、RXD、TXD、GND 和VCC，ATK-LORA-02 與單片機的電氣連接圖如圖4 所示。配置MD0 即可進入參數設置；AUX 用于指示模塊的工作狀態；RXD 為TTL 串口輸入，需要連接到外部的TXD 輸出引腳；TXD 為TTL 串口輸出，需要連接到外部RXD 輸入引腳。LoRa 模塊為TTL 電平，需要與TTL 電平的MCU 相連接。MD0、AUX 引腳懸空，即處于低電平。

圖4 ATK-LORA-02 與單片機的電氣連接圖

ATK-LORA-02 模塊數據發射與接收協議[11]如下：模塊發射無線數據包長度為58 字節，當系統輸入數據達到58字節時，模塊將啟動無線發射，此時用戶可以繼續輸入需要發射的數據，當系統需要傳輸的字節小于58 字節時，模塊等待1 個字節時間，若無系統數據繼續輸入，則認為數據終止，此時模塊將所有數據包經無線發出，當模塊開始發送第一包用戶數據時，AUX 引腳將輸出高電平，2-3ms 延遲后，開始將無線數據通過串口TXD 引腳發出，當模塊把所有數據通過RF 芯片并啟動發射后，AUX 輸出低電平，此時表明最后一包無線數據已經發射完畢[12]。

LoRa 模塊包括發送模塊和接收模塊[13]，發送模塊與單片機串口連接，LoRa 接收模塊通過USB 轉TTL 模塊與電腦連接，USB 轉TTL 模塊可以將串口TTL 電平轉成USB 信號，采用全雙工通信方式與電腦通信，可將數據發送至上位機軟件，LoRa 接收模塊與上位機連接圖如圖5 所示。模塊與電腦的連接保持串口波特率為“115200”、停止位“1”、數據位“8”、奇偶檢驗位“無”，若要實現上位機下位機的通訊，需要保證上位機與配置模塊的串口參數波特率和檢驗位一致。

圖5 LoRa 接收模塊與上位機連接圖

單片機通過LoRa 模塊與上位機通信，通信方式是串口通信[14]，首先要設置好ATK-LORA-02 的模塊地址、通信信道、發射功率和通信模式，本文設置的模塊地址為0，通信信道為21，發射功率為20dBm，工作模式為一般模式、透明傳輸[15]。ATK-LORA 在參數配置過程中，根據實際情況進行參數配置。在“參數配置”下，模塊必須工作在“配置功能”（AUX=0 空閑狀態，MD0=1 進入此功能）。無線收發數據，模塊必須工作在“通信功能”（AUX=0 空閑狀態，MD0=0 進入此功能）。配置流程如圖6 所示。

圖6 ATK-LORA-02 模塊配置流程圖

3 系統軟件設計

軟件設計包括單片機程序設計和上位機程序設計。單片機選用的是STM32F103RCT6 處理器，內有32 位Cortex的ARM 微控制器，多個可供使用的IO 端口，可進行串行通信。單片機程序設計主要包括對采集到的信號進行處理、存儲以及數據傳輸，單片機對數字信號進行濾波和降噪等處理后，利用SPI 串行通信將數據存儲在FLASH 存儲器中，再將數據裝幀成數據包，通過LORA 無線通信模塊傳輸至上位機軟件。

為了實時控制γ 輻射監測系統的工作狀態并對探測器采集的數據進行直觀的顯示，本文基于C++面向對象的程序設計制作了上位機分析軟件。上位機整體設計結構包括：串口通信、數據解析、數據界面顯示、訪問數據庫。可將采集到的數據以表格、曲線、圖形等直觀的形式顯示出來，同時完成后臺的同步存儲。上位機界面如圖7 所示。

圖7 上位機軟件界面圖

下位機通電之后，單片機初始化完畢后就進入待機狀態，連續檢測上位機是否有指令傳輸。如果沒有，系統處于待機狀態，直到單片機的數據包傳送過來，便立即對單片機傳來的數據包進行解析。首先要判斷數據包格式是否為按照自定義的協議。如果不符合自定義協議，那就說明這是一個錯誤的數據，將其去除。如果符合協議，則開始解析這個數據，并再進行打包，反饋給上位機。上位機接收到信息后更新界面數據，可以在上位機上可以讀取計數率數據和相應曲線，還可以顯示時間和以往數據等信息。系統軟件設計流程如圖8 所示。

圖8 系統軟件設計流程圖

4 實驗結果及分析

γ 輻射監測系統研發過程中，為了對系統性能進行測試，在本底環境下和標準源之一銫源（137Cs）環境下，測試了監測系統穩定性指標，并與AF-T 輻射測量儀進行了試驗對比。

開啟儀器后，打開上位機，點擊通訊界面-“搜索串口”按鈕，搜索可用串口，按鈕下方的下拉列表框出現可用的端口號，選擇好對應的端口號后，點擊“打開串口”按鈕，連接串口，建立通訊連接。先讓儀器預熱半小時，待穩定后，分別在本底環境下和標準源之一銫源（137Cs）進行測試，每分鐘測量1 組數，共測量10 組，記錄結果，再利用下面公式計算儀器的穩定性。穩定性結果如表1 所示。

表1 試驗對比測試

儀器的穩定性δ計算公式：

式中：δ為儀器的穩定性；Nj為第j組測量結果，單位為計數每秒（s-1）； 為第n組測量結果的算術平均值，單位為計數每秒（s-1）。

通過以上數據可以看出，γ 輻射監測系統的測試結果穩定性在2%以內，說明測量數據波動不大，測量系統穩定性良好。

將γ輻射監測系統與AF-T輻射測量儀進行了試驗對比，在本底環境下和標準源之一銫源（137Cs）環境下分別測量了10 組數據，求取平均值，并以檢定合格的AF-T 輻射測量儀為測量基準，進行了誤差分析，如表2 所示。

表2 誤差分析結果

從誤差分析結果可知，在兩種測量環境下最大相對測量誤差為2.9%，試驗結果表明：在相同環境下γ 輻射監測系統與AF-T 輻射測量儀的測量結果相近，具有一定的實際應用價值。

5 結論

為了實現γ 輻射監測領域的遠程測量，減少監測過程中γ 射線對人體的照射，本文介紹了一種基于LORA 在線式γ輻射監測系統，基于碘化鈉探測器對γ 射線進行數據采集，經LORA 無線通信技術將監測數據傳輸至上位機，實現了遠程監測。并做了對比試驗，經過實驗表明：該系統實現了γ射線監測數據的無線傳輸和可視化實時監測，相對固有誤差小于3%，且運行穩定、實時性高，具有一定的使用價值。