基于ZigBee 和NB-IoT 双网融合的核辐射单兵剂量仪系统设计

陈 杰

（联勤保障部队第900 医院放射治疗科，福州 350025）

0 引言

目前我国军队单兵核辐射剂量监测主要是定期（一般是3 个月）通过实验室读取单兵佩戴的热释光剂量计数值进行累积剂量的监测管理。这种监测方式存在时效滞后和实时剂量数据缺失的不足：当剂量超标事件发生后，一方面监测的滞后会带来重大安全隐患，另一方面实时剂量数据缺失也导致监管部门的核辐射暴露调查工作面临严重困难。

X、γ 辐射个人剂量当量Hp（10）监测仪（以下简称“个人剂量仪”）是采用单片机技术研制的多功能便携式核辐射剂量探测仪器[1-4]。目前一般个人剂量仪产品仅有剂量显示和剂量超标报警功能，少数产品可通过有线、红外线、蓝牙等方式将单个仪器的剂量数据存储在个人计算机中[5]，也有学者采用通用分组无线业务（general packet radio service，GPRS）网络实现了单个个人剂量仪的远程监控[6]，但这些都无法对批量个人剂量仪进行远程监测和集中管理。

近年来，随着新型物联网如ZigBee、窄带物联网（narrow band internet of things，NB-IoT）的出现，设备远程控制技术有了非常大的发展，各个行业的设备管理也因此得到智能化提升[7-9]。ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 协议标准的无线通信技术，具有组网灵活、低成本、安全性能好等优点，在短距离、低传输速率的应用方面具有优势。NB-IoT 基于蜂窝网络，能直接部署于现有的全球移动通信系统（global system for mobile communications，GSM）、通用移动通信系统（universal mobile telecommunications system，UMTS）、长期演进（long term evolution，LTE）网络，具有广覆盖、低成本、低功耗等特点，也被称为低功耗广域网（low power wide area network，LPWAN）。笔者前期将ZigBee 网络与个人剂量仪结合，实现了单兵核辐射剂量局部范围内（1 km）的实时监测[1]，但无法满足监管部门远程实时监测的需求。本研究利用NB-IoT 网络的特点，重新设计核辐射单兵剂量仪系统，将ZigBee 网络收集到的单兵核辐射实时剂量数据通过NB-IoT 网络发送到监管部门，从而实现单兵核辐射剂量的远程实时监测。本系统能满足监管部门远程实时监测的需求，弥补现有热释光剂量计监测方式时效滞后和实时剂量缺失的不足，为监管部门不同核辐射环境下的单兵剂量监测提供全面技术支持。

1 系统总体结构设计

核辐射单兵剂量仪系统主要由单兵剂量仪、ZigBee 路由器、集中器、物联网云平台以及应用终端设备组成。系统总体结构示意图如图1 所示。

图1 核辐射单兵剂量仪系统总体结构示意图

单兵剂量仪由个人剂量仪嵌入ZigBee 终端组成，主要负责采集核辐射剂量数据并通过ZigBee 终端发送到ZigBee 路由器，ZigBee 路由器接收并转发数据到ZigBee 协调器。单兵剂量仪、ZigBee 路由器、ZigBee 协调器共同组成一个簇树形ZigBee 网络。集中器由ZigBee 协调器和NB-IoT 模块组成。ZigBee协调器是ZigBee 网络的中心，负责组织、维持网络，汇总各个ZigBee 终端收集的数据，并通过串口将数据传输到NB-IoT 模块。NB-IoT 模块将数据发送到物联网云平台（云端服务器），从而实现ZigBee 网络与互联网的连接。系统网络结构如图2 所示。

图2 核辐射单兵剂量仪系统网络结构图

2 系统硬件设计

2.1 单兵剂量仪硬件设计

单兵剂量仪的硬件结构框图如图3 所示。其中个人剂量仪采用福州智元公司的RG1000 产品，ZigBee终端采用CC2538 芯片。

图3 单兵剂量仪硬件结构框图

个人剂量仪的工作原理：G-M 计数管探测到X（γ）射线信号后，经过放大采集电路处理统计出脉冲总数，然后由微控制单元（microcontrol unit，MCU）计算得出剂量值，显示在LCD 屏幕上。时钟日期芯片、带电可擦可编程只读存储器（electrically erasable programmable read only memory，EEPROM）、按键、报警指示灯等外围电路为MCU 提供当前时间信息、数据存储、参数设置、剂量超阈值报警等功能。

ZigBee 终端的功能是将个人剂量仪的数据信号通过无线方式发送到ZigBee 网络，同时将ZigBee 网络的指令信号传输回个人剂量仪。ZigBee 终端与个人剂量仪的数据传输通过RS232 串行接口与MAX232芯片连接实现。单兵剂量仪采用9 V 充电锂电池（配备Type-C 充电口，可使用包括手机充电头、移动电源、计算机USB 接口等多种充电方式），并通过稳压电源7805 和AS1117-3.3 9 V 直流电降为3.3 V 直流电供给ZigBee 终端。

2.2 ZigBee 模块硬件设计

ZigBee 模块存在于本系统的ZigBee 终端、Zig－Bee 路由器、ZigBee 协调器中。该模块采用CC2538 芯片，其硬件结构框图如图4 所示。该模块主要包括无线核心模块、供电模块、复位及按键控制电路、JTAG（Joint Test Action Group）接口及RS232 接口电路。为了扩大无线信号的覆盖范围，在ZigBee 路由器和ZigBee 协调器中增加CC2592 功率放大芯片和SMA（subminiature version A）外接天线。

图4 ZigBee 模块硬件结构框图

2.3 集中器硬件设计

集中器（即网关）采用的是ZigBee 和NB-IoT 异构网络，其硬件结构框图如图5 所示。

图5 集中器硬件结构框图

ZigBee 协调器采用CC2538 芯片，其结构与Zig－Bee终端、ZigBee 路由器一样，负责ZigBee 网络自组网创建与管理、汇总ZigBee 终端数据并发送到MCU。MCU 是集中器的主控部分，采用STM32 芯片，通过TTL（transistor transistor logic）串口与ZigBee 协调器和NB-IoT 节点相连，实现异构网络数据传输。NB-IoT 节点采用高性能、低功耗的BC26 无线通信模块，将数据上传至物联网云平台。系统设计中只有一个NB-IoT 节点，后期维护只需要向电信运营商交纳一个流量费用而不需其他费用，具有成本低的优势。

3 系统软件设计

3.1 单兵剂量仪软件设计

单兵剂量仪剂量数据采集主要由ATmega32 芯片控制完成，软件设计流程如图6 所示。采集的剂量数据通过LCD 显示（刷新时间为1 s），定时（时长通过按键设置）将剂量数据存储于EEPROM 芯片并通过RS232 接口传输至ZigBee 终端。当剂量数据（包括剂量率数据和累积剂量数据）超过设置的报警阈值时，触发声光报警，同时立即存储数据。

图6 单兵剂量仪软件设计流程图

单兵剂量仪剂量数据发送主要由ZigBee 终端CC2538 芯片控制完成，软件设计流程如图6所示。通电后，先进行硬件和Z-Stack 协议栈初始化。Z-Stack 协议栈采用IAR Embedded Workbench for MCS-51 V7.30B 集成开发环境（以C/C++编译器为基础）进行开发[10]，能够自行对ZigBee 网络进行组织和维护。初始化之后，发出入网请求，如果成功，便与ZigBee 协调器建立通信绑定，将接收到的串口数据（经由ZigBee 路由器）发送至ZigBee 协调器。

3.2 ZigBee 路由器软件设计

ZigBee 路由器在硬件结构上与ZigBee 终端的区别在于外接SMA 天线，在ZigBee 网络中起到转发ZigBee 终端数据、扩展网络覆盖范围的作用。ZigBee 路由器软件设计流程如图7 所示。ZigBee 路由器在加入网络后将接收到的ZigBee 终端数据转发至ZigBee 协调器。

图7 ZigBee 路由器软件设计流程图

3.3 集中器软件设计

集中器的ZigBee 协调器软件设计流程如图8所示。初始化完成后，组织建立ZigBee 网络，等待ZigBee 终端、ZigBee 路由器加入网络。当串口收到STM32 发送的指令后，立即通过无线向ZigBee 终端广播指令，同时接收ZigBee 终端返回的数据并通过串口传输到STM32。

图8 集中器软件设计流程图

集中器主控芯片为STM32，软件开发平台选用RVMDK，该平台标准外设库以C 编程语言为基础，易于理解与使用。STM32的主要任务是将数据、指令在ZigBee 协调器和NBIoT 节点之间进行相互转发，软件设计流程如图8所示。STM32 初始化后，循环监测ZigBee 协调器是否有数据发送，当有数据发送时，将数据转发至BC26（NB-IoT 节点），BC26 将数据发送至物联网云平台；同时循环监测BC26 是否有指令发送，当有指令发送时，将指令转发至ZigBee协调器。

集中器NB-IoT 节点采用BC26 芯片，该芯片支持多种网络协议，如消息队列遥测传输（message queuing telemetry transport，MQTT）协议、约束应用协议（constrained application protocol，CoAP）、用户数据报协议/传输控制协议（user data protocol/transport control protocol，UDP/TCP）等[11]。本系统选择MQTT 协议栈实现与物联网云平台的数据通信，软件设计流程如图8 所示。BC26 初始化后，进入激活模式开启频道查询，接着读取SIM 卡激活入网。然后接收构建MQTT 协议的数据包并上传至物联网云平台。最后物联网云平台监测数据列表，等待下次数据传输请求。

4 物联网云平台设计

本系统采用中国移动OneNET物联网云平台实现数据管理、显示及控制命令发送功能。OneNET 物联网云平台提供PaaS（platform as a service）服务，即在物联网应用和设备之间搭建服务器应用平台，为各行业应用系统开发提供便利[12]。该平台适配多种传输协议，可提供丰富的应用程序编程接口（application programming interface，API）和应用开发模板，大大降低了应用开发的难度[13]。该平台采用Web 架构，利用浏览器就可以实现单兵剂量仪远程控制以及剂量数据远程监测与管理。

4.1 平台数据管理

OneNET 物联网云平台数据管理实现Web 应用和单兵剂量仪局域网络的数据交互、分析处理。OneNET 物联网云平台是连接Web应用和单兵剂量仪局域网络的桥梁，它不仅为Web应用开发提供API，同时存储来自单兵剂量仪局域网络的剂量监测数据。OneNET 物联网云平台设备接入方式选择NB-IoT 方式，平台数据管理流程如图9所示。

图9 OneNet 物联网云平台数据管理流程图

4.2 应用界面设计

OneNET 物联网云平台可提供数据管理和不同类型的控件，包括显示类（图片、曲线、仪表等）和控制类（旋钮、开关、命令框等）2 种。平台应用界面设计利用数据管理实现剂量数据的存储和调用，利用控件绑定对应的数据源实现剂量数据的显示和单兵剂量仪参数的设置，应用界面如图10 所示。应用界面主要包括系统设置、数据显示和报警提示3 个内容。系统设置包括人员信息设置、设备信息设置、通信设置和系统参数设置。数据显示包括剂量仪人员信息显示、单个剂量仪历史数据曲线图显示、剂量仪实时剂量率和累计剂量显示。报警提示包括设备掉线、实时剂量率超标、累计剂量超标颜色提示（变红）和声音提示。另外，在数据查询功能中还能以Excel 表格形式下载剂量仪历史数据。

图10 应用界面

平台设计实时剂量监测和历史剂量查询2 种工作模式，当系统应用在核辐射剂量严重超标环境（如核辐射事故现场、核辐射战场等）时，通过实时剂量监测模式，指挥人员可以远程实时查看剂量仪佩带者实时剂量率和累计剂量超标情况，以便作出伤员救治决策。当系统应用在核辐射剂量超标风险较低环境时，剂量监管人员可以通过历史剂量查询模式定期远程查看剂量仪佩带者历史剂量数据（包括剂量率和累计数据）信息，以调查佩带者的核辐射暴露情况。

5 应用测试

应用测试主要验证系统的可靠性和稳定性，包括单兵剂量仪辐射性能测试、单兵剂量仪通联测试及系统Web 应用测试。其中，单兵剂量仪辐射性能测试主要考察仪器是否满足国家标准JJG 1009—2016《X、γ 辐射个人剂量当量Hp（10）监测仪检定规程》[14]限值规定的要求；单兵剂量仪通联测试主要考察仪器在2 km范围内的接收率；系统Web 应用测试主要考察Web应用是否会产生误报、Web 应用能否实现对单兵剂量仪的有效设置等。

在单兵剂量仪辐射性能测试中，7 台单兵剂量仪经由上海市计量测试研究院检定，3 台单兵剂量仪经由江苏省计量科学研究院检定，检定项目共4项：相对固有误差、统计涨落、能量/入射角响应、报警阈值偏差，检测结果见表1。由表1 可知，10 台单兵剂量仪相对固有误差范围为-16.5%～-5.8%，统计涨落数值范围为1.7%～5.2%，能量/入射角响应数值范围为0.71～1.54，结果符合JJG 1009—2016 标准规定的限值要求（相对固有误差为-17%～25%，统计涨落剂量当量率最大允许值为15%～20%，能量/入射角响应误差为0.71～1.67）。报警阈值偏差项目2 家检测单位记录结果略有不同，但都符合JJG 1009—2016 标准规定的要求。

表1 辐射性能检测结果

单兵剂量仪通联测试在空旷环境中进行，A、B 2 名测试者携带单兵剂量仪和ZigBee 路由器，C 测试者携带单兵剂量仪和集中器，将ZigBee 路由器和集中器利用伸缩杆置于离地3 m 高的位置（如图11 所示），A、B 测试者间距1 km，B、C 测试者间距1 km，A、C 测试者间距2 km。单兵剂量仪5 s 发送一组数据包，连续发送1 000 组数据，各点的接收率、丢包率和平均时延数据见表2。测试结果表明：集中器在2 km 范围内能够准确接收数据，接收率比较高，平均时延也符合应用要求。

表2 单兵剂量仪通联测试结果

图11 ZigBee 路由器和集中器测试位置

在系统Web 应用测试中，10 台单兵剂量仪布置于同一楼层8 个不同房间，2 个ZigBee 路由器布置于走廊两端，集中器布置于监控中心。使用中国移动物联网专用卡连接OneNET 物联网云平台，利用Web 应用界面设置剂量率告警阈值、累计告警阈值，清除累计剂量值，同步系统时间后相应单兵剂量仪均能准确无误作出响应，单兵剂量仪触发剂量超标报警后Web 应用界面也能同样作出报警响应。经综合测试，Web 应用界面其他各项功能均能正常运行，测试结果符合设计要求。

6 结语

基于ZigBee 和NB-IoT 双网融合的核辐射单兵剂量仪系统结合了ZigBee 自组网和NB-IoT 远程透传的特点，具有组网快速灵活、适用范围广、价格低等优势。本系统应用于单兵核辐射剂量监测，能够实现单兵核辐射实时剂量的远程监测和历史数据集中管理，弥补当前热释光剂量计监测时效和实时剂量方面的不足，为不同核辐射环境下单兵剂量监测提供全面的技术支持，对提高我军核辐射监管水平具有重要意义。但由于本系统NB-IoT 网络由公共运营商提供，不适合数据严格保密的使用场景，下一步将改进设计，以满足数据保密方面的需求。