核物质研究应用过程中的监管系统设计*

王长清，曹 渊

（1.河南师范大学 物理与电子工程学院，河南 新乡 453007；2.河南师范大学 电磁波特征信息探测河南省高等学校重点学科开放实验室，河南 新乡 453007）

核物质研究应用过程中的监管系统设计*

王长清1，2，曹 渊1

（1.河南师范大学 物理与电子工程学院，河南 新乡 453007；2.河南师范大学 电磁波特征信息探测河南省高等学校重点学科开放实验室，河南 新乡 453007）

研究一种基于ZigBee的核物质监管系统设计方案，该系统可辅助科研部门针对核物质在应用研究过程中出现的盗窃、意外泄露、区域警示等问题进行实时监控，多节点协同工作，对研究人员周围环境进行监测和区域警示，确保工作人员安全。采用信号强度指示RSSI标定方式完成对核物质警示区域的确定，减少芯片负荷，不依赖参考节点坐标设定，提升系统的灵活性。实验结果表明，系统实时性可靠，拓展性优越，标定误差在可接受范围内，可以满足应用需求。

ZigBee；应用研究；盗窃；泄露；RSSI

0 引言

随着核技术在科研与生产领域中的广泛应用，核实验室和研究机构越来越多，由于辐射射线会对人体造成伤害，所以核物质研究应用中的安全监控问题不可忽略。文献[1]介绍了一种基于视频监控系统，但实时监控性差，而且需要大量人力物力。文献[2-4]提出用GPRS或 ZigBee无线技术对核电站等大面积区域进行辐射监测，由于功能单一，无法小型化应用在复杂环境下的科研部门。文献[5-6]设计出无线个人辐射仪，实现对佩戴人员周边环境进行探测，当个人辐射仪发出警报时，说明人员已经处于辐射环境中，由于无法做出提前预警，所以不能确保个人人身安全。

本文以无线网络技术与传感器设计研究成果[7-10]为基础，借鉴现有辐射监控技术的优点[1-6]，提出对核物质在研究应用过程中的监管系统设计，利用无线局域网络，实现了系统的实时在线监控；以多组数据中信号强度指示RSSI的距离标定值进行警戒范围判定，对核物质是否发生偷盗或人员误入警戒区进行监控，不依赖参考节点坐标设定，提升了系统的灵活性。安放在研究室周围的监控节点和安置在适当位置的移动监测节点，不仅可以对核物质发生盗窃和人员误入警戒区做出警报，当实验过程中核物质发生辐射泄露时，及时向外发送辐射危险警报，确保相关人员人身安全，系统更加安全化、智能化。

1 系统原理与框架设计

1.1 系统总体结构

系统整体由3部分组成：监测管理中心、移动监测节点和监控节点。监测管理中心是 ZigBee网络的协调器部分，用于建立无线局域网络，通过串口总线与PC主机通信，实时记录网络数据；当判定有危险存在时，促发报警装置。移动监测节点分为两类，一类是佩戴于工作人员身边的个人警示仪，当工作人员误入警戒区域或周围环境存在辐射危险时，通过声光报警的方式通知工作人员进行相应处理；另一类是安装在核物质放置容器上标记节点，当检测到核物质被移动时，向监控节点发送移动警报信息。监控节点用于判断和监测核物质在研究应用过程中是否被偷盗移出工作警戒区、工作人员误入警戒区和核物质发生辐射泄漏，当检测到危险信号时，向监测管理中心发送危险信号。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

1.2 辐射探测原理与方法

核物质在经历衰变过程中，伴随性地产生对人体有害的α、β、γ三种射线，通过探测器监测以上射线是否超过正常辐射剂量值来判断放射性物质是否发生辐射泄漏。

本系统只为在发生辐射危险时及时探测到泄露信号，不用精确地探测辐射剂量率和射线的种类，综合成本消费和电路复杂程度，选用具有灵敏度高、稳定性好、体积小的J705型G-M计数管作为辐射探测前端。J705型G-M计数管是一种薄壁卤素计数管。计数管的信号采集方式分为阳极和阴极两种，阴极脉冲信号小于阳极的脉冲信号，但获得的信号更稳定、安全，系统选择从阴极，即G-M计数管的外壳部分采集信号。由于G-M计数管产生的脉冲信号属于尖峰脉冲信号，并且伴随杂波干扰，在进行脉冲计数前需要对脉冲信号进行滤波、整形和放大处理。脉冲信号处理电路如图2所示。

图2 脉冲信号处理电路

1.3 警戒区域判定方式

无线局域网络 ZigBee系统进行区域判定大多数采用无线定位方式，利用数据接收信号强度指示RSSI的数值，经过理论和经验模型将传输损耗转化为距离值，运用算法根据参考节点位置坐标计算出节点位置。一般方式得到的坐标数据误差较大，为得到精确的数据，常采用复杂算法对定位数据进行处理，此方法使得芯片负荷增加，参考节点坐标固定不变，系统灵活性随之下降。本文采用信号强度指示与距离实验标定的方式进行区域划定。首先对接收的信号强度指示值进行补码计算得到RSSI的原码数值，由于 RSSI的波动容易造成误差，所以对同一位置的RSSI值多次采集，运用递推平均滤波法，把计算后稳定的数据与距离进行标定。记录两节点每增加一定距离时的数值，以此设定警戒区域范围。区域的判定不依赖参考节点的具体坐标数据，仅与距离相关，提升了系统的灵活性。

2 硬件体系设计

2.1 标记节点硬件组成

标记节点安装在核物质容器上，用于检测核物质是否被移出工作警戒区，主要由ZigBee模块作为控制器外接拨码开关和振动传感器等，拨码开关可以根据节点数量选择合适的位数，使得所有节点的编码值都不相同，对所有节点进行编码区分。考虑到实际情况，节点采用电池供电。标记节点硬件组成如图3所示。

图3 标记节点硬件结构

2.2 个人警示仪硬件电路

个人警示仪属于移动节点，佩戴在工作人员身边，对其周边环境进行监控，当环境中有辐射或人员进入警戒区域内时，通过灯光与不同频率驱动的蜂鸣器响声进行报警。主要由 ZigBee模块、辐射探测模块、拨码开关、无源蜂鸣器、LED灯模块和电池模块组成，辐射探测模块包含G-M计数管与相应的电源管理模块。个人警示仪结构如图4所示。

图4 个人警示仪硬件结构

2.3 协调器硬件电路

协调器作为无线网络的建立节点，通过串口总线与PC机组成监测管理中心，主要由电源适配器、声光报警装置和串口总线模块组成。协调器一方面判断网络中是否存在危险，若存在危险，促发声光报警装置。另一方面把接收到的数据实时传输到PC机进行显示记录，使相关人员可以根据记录情况分析危险种类，采取合理的处理措施。协调器电路结构如图5所示。

图5 协调器结构

2.4监控节点硬件电路

监控节点安放在核物质应用研究室的四周，主要由电源适配器、ZigBee模块和辐射探测模块组成。监测放置在核物质容器上的标记节点是否离开设定的警戒区域和佩戴有个人警示仪的工作人员是否进入工作警戒区；当核物质在研究过程中发生辐射泄漏时，监控节点迅速向协调器发送辐射危险信号。整体电路设计结构如图6所示。

图6 监控节点硬件结构

3 系统软件设计

3.1 标记节点程序设计

节点上电后，初始化各功能模块，按照设定的ID值加入网络。入网成功后读取拨码开关值作为识别序号，检测振动传感器是否有移动警报信号，若有振动信号，向监控节点发送移动警报信息，否则进入休眠状态，降低系统能耗。软件流程如图7所示。

图7 标记节点程序流程

3.2 个人警示仪程序设计

个人警示仪上电后检查是否加入网络，若成功入网，说明工作人员活动在核物质研究实验室附近。监控节点发送拨码开关的编码值等移动警报信息，等待系统回执警告信号，如果收到警告信号，表明工作人员已经进入警戒区域，个人警示仪通过设定的脉冲信号驱动蜂鸣器和LED灯组发出远离警示。当辐射探测模块探测到的辐射剂量超过设定阈值，说明有辐射泄露危险，个人警示仪驱动蜂鸣器和LED灯组发出辐射警示，提醒工作人员进行相应处理。程序流程图如图8所示。

3.3 协调器程序设计

协调器上电后扫描信道建立合适的局域网络，当接收到监控节点的警报信息时，对所有监控节点的数据进行综合判定，如果结果显示核物质被移出工作警戒区，则判定核物质处于盗窃危险状态，驱动声光报警器通知相关人员；当判定结果是工作人员误入安全警戒区，则向个人警示仪发送警告命令。若接收到的信息是辐射泄漏警报，直接驱动声光报警器，协调器把相关信息通过串口总线在PC机上进行显示记录，便于管理人员采取合理的处理方式。协调器程序设计如图9所示。

图8 个人警示仪程序流程

图9 协调器程序流程

3.4 监控节点软件设计

一个监控节点只能监测该节点下的扇形区域，所有监控节点的扇形叠加区域定义为工作警戒区。监控节点正常运行后等待接收移动监测节点的移动警报信号，并启动辐射探测模块对工作环境进行辐射探测。当探测的辐射剂量超过设定阈值，说明有辐射泄露危险，向协调器发送辐射危险信息。当监控节点接收到移动监测节点的移动警报信息时，提取信息中的RSSI值并进行转化，把转化值和标定值进行对比。如果移动监测节点超出该监控节点预先设定的阈值范围，如标记节点发生盗窃被移出或佩戴有个人警示仪工作人员误入工作警戒区域，则向协调器发送移动警报信息，否则发送安全移动信息。软件流程如图10所示。

图10 监控节点程序流程

4 实验数据与分析

环境温湿度和WiFi网络对无线网络的信号强度指示RSSI数值有一定的影响，不同条件下对 RSSI与距离的标定值有一定差异。在温度为31℃、湿度为 43%，有WiFi覆盖的实验室条件下进行 RSSI值与距离的标定，经实验证明，当对同一位置的RSSI值进行 15次提取就可以达到相对稳定结果。表1所示为距离与RSSI原码值的关系，测试单位为 0.05 m。结果表明，误差距离在0.5 m内，达到预期结果。

表1 RSSI原码与距离关系

对于不同的辐射环境，需要对辐射探测模块设定一定的剂量阈值，当探测到的剂量值大于设定的阈值时，说明发生辐射泄露危险。试验中采用微辐射源大理石作为放射源，辐射剂量阈值设置为CMP=40，辐射监测结果如图11所示。

5 结论

图11 辐射监测结果

本文主要从硬件设计与软件编译两个方面介绍了一种核物质在研究应用过程中监管系统设计方案，系统实现了对核物质智能实时监控和工作人员的安全警示。该系统成本低，布置方便灵活，有利于科研部门的管理和调度水平的提高。

[1]熊建平，李光绪，程金星，等.放射性废物库监控与管理系统的设计与实现[J].核电子学与探测技术，2012，32 (6)：728-731.

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[3]蒋盼盼，李烨，王亚刚.基于无线传感器网络的核辐射监控系统设计[J].信息技术，2014(2)：113-116.

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[8]李晨.移动式放射源的在线监测系统的设计与实现[D].成都：成都理工大学，2014.

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Design of supervision system at the nuclear material research and application

Wang Changqing1，2，Cao Yuan1
(1.School of Physics and Electronic Engineering,Henan Normal University，Xinxiang 453007，China；2.Henan Key Discipline Open Laboratory of Electromagnetic Wave Detecting,Henan Normal University，Xinxiang 453007，China)

A design of nuclear material monitoring system based on ZigBee is introduced in this paper,the system can be aided scientific research departments for nuclear material in the application and reserch process of theft,accidental leaks,regional warning and other issues for real-time monitoring;multinode coorperative work and the surrounding environment of researchers are monitoring and warning area,to ensure the safety of staff.The signal strength indicator RSSI was used to determine the warning area of the nuclear material,reduce the load,not depend on the reference node set and enhance the flexibility of the system.The test results show that the system is reliable and has good real-time performance,and can meet the application requirements in the acceptable range.

ZigBee；application reserch；theft；leaks；RSSI

TP212

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.021

王长清，曹渊.核物质研究应用过程中的监管系统设计[J].电子技术应用，2015，41(11)：74-77.

英文引用格式：Wang Changqing，Cao Yuan.Design of supervision system at the nuclear material research and application[J]. Application of Electronic Technique，2015，41(11)：74-77.

2015-07-10）

王长清（1973-），男，博士，副教授，主要研究方向：数字信号处理与嵌入式技术。

河南省重点科技攻关计划项目（122102310483）

曹渊（1990-），通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：信息处理技术处理，E-mail：wlky@htu.cn。