基于Zigbee技术的无线辐射监测系统的建立

崔 伟,韦应靖,2,以恒冠,冯 梅,唐智辉,张庆利

1.中国辐射防护研究院,辐射安全与防护山西省重点实验室,山西 太原 030006

2.清华大学核能与新能源技术研究院,北京 100084

随着对核能的大力开发与利用,放射性物质安保、核辐射环境监测、人员剂量监测等领域的辐射监测需求不断增大。开展辐射监测需要布置大量辐射探测器,并且需要对这些探测器的监测数据进行采集和统计分析。对于采用传统分立方式布置的探测器,需要人工记录监测数据后才可对监测数据进行统计分析,而对于采用有线组网方式连接的辐射监测系统,其布线繁复,无法满足可移动式辐射剂量监测仪器对数据的实时统计分析需求。Zigbee无线网络技术由放置在监测区域内的众多无线节点组成,这些节点通过无线通信的方式形成多跳自组织监控网络系统。由于Zigbee无线网络无需布线,组网快速、灵活[1],现已被广泛应用于军事监控、医疗护理、环境监测等领域[2-6],成为一种新的技术发展趋势。本文提出并建立了一种基于Zigbee技术的无线辐射监测系统,详细介绍了各个模块的设计思路,并对辐射监测仪和辐射监测平台进行了测试,以期为进一步提升我国辐射监测水平提供技术保障。

1 系统框架介绍

基于Zigbee技术设计的无线辐射监测系统分为硬件部分和软件部分。其中,硬件部分包括多台辐射监测仪及上位机,软件部分为上位机监测平台配备的软件系统,具体信息见图1和图2。

图1 监测系统框架

图2 监测系统实物

2 辐射监测仪

辐射监测仪总体结构如图3所示,主要由NaI(Tl)探测器、高压模块、电源模块、信号调理电路、微控制器控制电路、声光报警单元、Zigbee无线模块和LCD显示模块组成。

图3 辐射监测仪总体结构

利用NaI(Tl)探测器探测环境中的γ(X)射线,并由光电倍增管将其转换成电脉冲输出。该电脉冲信号输出至信号调理电路后,经过放大、滤波、成形,转换为微控制器可识别的方波信号。利用STM32微控制器对方波信号进行计数,将其转换为剂量率值并予以记录。所记录的剂量率值可由Zigbee无线模块发送出去,也可显示在液晶显示器中。此外,当所测剂量率值超过仪器设定的报警阈值时,微控制器会触发声光报警,并将报警信息由Zigbee无线模块发送出去。

2.1 信号调理电路

信号调理电路负责对由NaI(Tl)辐射探测器探测到的经光电倍增管转换后的脉冲信号进行放大、滤波和成形,其中放大电路使用AD827芯片。放大电路原理如图4所示。

图4 放大电路

放大电路输出的信号经过甄别电路的阈值比较后,进入成形电路,主要原理如图5所示。

图5 甄别电路和成形电路

此外,在信号调理电路中增加了自检信号电路,具体如图6所示。自检信号电路可产生固定频率的振荡信号,以脱离辐射探测器和光电倍增管,独立地检测放大、滤波、成形电路是否正常,方便电路板调试,提高信号调理电路的模块化。

图6 自检信号电路

2.2 微控制器控制电路

微控制器采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103RET6,具有64个引脚,主时钟频率可达72 MHz。微控制器引脚及部分外围电路图如图7所示。微控制器外围电路包括时钟电路、复位电路、存储电路、串口电路、声光报警电路、LCD驱动电路、Zigbee模块接口电路等。采用定时器作为计数及数据处理模块,对从信号调理电路输出的脉冲信号进行捕获、计数,并根据标定的转换函数进行计数率与剂量率转换,获得剂量率值。

图7 微控制器引脚及部分外围电路

2.3 Zigbee无线模块

Zigbee构架包括4个层次,其中,物理层(PHY)和数据链路层(MAC)采用IEEE 802.15.4协议标准,网络层由Zigbee技术联盟制定,用户在实际使用时通常只需对应用层进行修改。

本系统的Zigbee无线模块采用基于TI公司CC2630芯片的低功耗射频模块,配备吸盘天线,可有效提高无线传输距离。每个节点可设置为协调器、路由器、终端3种模式,均具有无线收发功能,且每个节点拥有唯一可识别ID。当节点设置为路由器时,可转发其他节点发送的数据。该模块还具有掉网自动重连、掉电数据保存等功能。

本系统将辐射监测仪的Zigbee模块设置为终端模式,将监测平台的Zigbee模块设置为协调器。无线模块之间的连接和通信是通过协议栈提供的函数完成的。辐射监测仪向监测平台实时发送数据,数据内容包括起始位、数据长度、节点编号、位置信息、辐射数据、校验位。监测平台接收到数据后,对数据进行解析,存储在不同的变量中,并在上位机软件界面分别显示、更新和存储。

2.4 程序设计

STM32程序包括脉冲计数程序、Zigbee无线收发程序、超阈值声光报警程序等,其程序流程如图8所示。其中,报警阈值的设置是根据概率统计方法：

图8 STM32程序流程

TR=B+ε×S

(1)

式中：TR为报警阈值;B为本底剂量率的平均值;S为本底剂量率的标准偏差;ε为置信系数,一般取值2或3,本研究取值3。

2.5 辐射监测仪样机

本研究将信号调理电路、微控制器电路、声光报警电路、Zigbee无线模块及电源模块集成到一块印制电路板(PCB)上,将测得的结果显示在显示屏上,显示内容包括时间、计数率值、剂量率值、自检或测量模式等。此外,数据也可由Zigbee无线模块发出。

本研究还对辐射监测仪的内部结构、外观及支架进行了机械设计。将监测仪各个模块集中于方形外壳内,并将外壳固定在支架上。支架高度可在一定范围内调节,并且整台仪器具有一定的防水防尘性能。辐射监测仪实物如图9所示。

图9 辐射监测仪

3 辐射监测平台

上位机监测平台由工控机、显示器和监测系统软件组成,具有数据显示、数据存储、历史数据查询等功能。工控机上的Zigbee协调器可接收来自多个辐射监测仪的数据,数据内容包括ID号、位置信息、辐射信息等,每秒更新一次。此外,平台还可将辐射监测仪发送的数据信息存储为CSV文件,以供后续查阅。

4 系统测试

4.1 辐射监测仪测试

4.1.1 辐射性能测试

本研究以经标准辐射场量值传递过的γ射线巡测仪(日本Aloka,TCS-172B)所测剂量率值作为参考,并在γ射线参考辐射标准装置上对γ射线巡测仪进行了测试。不同距离上的γ射线巡测仪的剂量率响应如图10所示,响应系数为0.33 m2·μSv/h。

图10 γ射线巡测仪在不同距离上的响应

使用3.74 MBq137Cs源测试辐射监测仪样机在不同距离上的剂量率值。首先用γ射线巡测仪测出不同距离上的剂量率值,然后测试自研的辐射监测仪样机在相应距离上的剂量率值,同一个测试点测量20次再取平均值。测试结果如表1所示。

表1 辐射监测仪样机对137Cs点源的响应测试结果

由表1可以看出,以γ射线巡测仪测量值作为参考,本研究辐射监测仪样机测量值的相对固有误差在±10%以内,测量数据准确。

4.1.2 报警功能测试

对16台辐射监测仪进行了报警功能测试。使用3.74 MBq137Cs源在环境本底的基础上增加0.1 μSv/h的γ辐射,测试辐射监测仪的报警可靠性。

首先,使用经检定合格的γ射线巡测仪测得本底辐射剂量值D0=0.08 μSv/h。然后,根据公式(2)确定放射源产生0.1 μSv/h辐射场的位置。

D=AΓ/r2

(2)

式中：D为辐射场某点的辐射剂量值,A为核素的活度,Γ为吸收剂量率常数,r为辐射场某点到放射源的距离。

对于标准点源137Cs,经查,Γ=2.12×10-17Gy·m2/(Bq·s)。当剂量值D=0.1 μSv/h时,利用公式(2)计算探测器距离γ放射源的直线距离r,得到r=1.68 m。

将γ放射源置于距辐射监测仪1.68 m的位置,记录辐射监测仪的报警次数N0和测量总次数N,计算其报警率(P=N0/N×100%)。测试结果如表2所示。

表2 16台辐射监测仪报警率测试结果

测试结果表明,16台辐射监测仪均可对在本底基础上增加0.1 μSv/h的γ辐射提供可靠报警,报警率在99.0%以上。

4.2 无线网络测试

4.2.1 无线传输性能测试

为验证辐射监测仪的无线传输性能,分别选择办公楼楼道、不同办公室、室外道路等不同环境场所,进行了Zigbee无线网络通信距离测试试验。试验中,将传输波特率设置为9 600,测试单台辐射监测仪对监测平台的传输距离。当辐射监测仪和监测平台放置在直线的楼道中时,测得其不丢包传输距离可达60 m;当辐射监测仪和监测平台位于隔有3堵墙的两个办公室内时,测得其不丢包传输距离可达30 m;当辐射监测仪和监测平台位于无建筑物遮挡的道路上时,测得其不丢包传输距离在300 m以上。

4.2.2 无线组网测试

监控平台工控机自带接收模块并提供串口通信接口。软件通过对串口的监听获得固定频率的数据推送,对数据进行解析并提交给数据处理单元。将监控平台的Zigbee无线模块设置为协调器,将辐射监测仪的Zigbee无线模块设置为路由器,组成网状网络。图11为不同节点排布位置的组网测试图。由图11可知,系统可通过无线网络的形式同时连接16台辐射监测仪,满足监测系统对辐射监测仪同时进行监控的需求。

图11 无线组网测试

4.3 电池电压对性能影响测试

辐射监测仪供电方式为可充电锂电池,电池电量过低将会影响辐射监测数据,因此,对辐射监测仪在不同电池电压下的辐射剂量率进行了测试,测试结果如图12所示。根据测试结果,设置了电压低于9.5 V时的电量过低提醒功能,以保证测量数据的可靠传输。

图12 电池电压与剂量率的关系

4.4 系统测试

为测试监测系统的性能,在中国辐射防护研究院放射性计量站的动态灵敏度测试系统上开展了试验测量。将16台辐射监测仪摆放成4×4矩阵,间距为1 m,辐射监测仪布置及实物如图13所示。该辐射监测网络的覆盖面积为3 m×3 m,16台辐射监测仪的监测数据通过Zigbee无线网络传输到监测平台。

图13 系统测试布置及实物

首先,对本底进行测试,得到16台辐射监测仪的本底辐射值的分布度,并据此计算获得本底平均值和标准差。图14为其中1台辐射监测仪的本底辐射值的分布度。

图14 2号辐射监测仪本底辐射值分布

然后,在有放射源的情况下,对16台辐射监测仪进行测试。将活度为3.74 MBq的137Cs点源在x轴(-2～2)上做直线移动(y=0.25,z=0),得到16台辐射监测仪的辐射监测数据,结果如图15所示。由图15可以看出,同类位置的辐射监测仪对放射源有相似的响应曲线。在横向上,编号为2、6、10、14的辐射监测仪分别在放射源位于(-1.5,0.25,0)、(-0.5, 0.25, 0)、(0.5, 0.25, 0)、(1.5, 0.25, 0)处时具有最大的辐射测量值,编号为3、7、11、15的辐射监测仪具有类似的特征。在纵向上,编号为1、2、3、4的辐射监测仪对放射源的响应随着与放射源距离的增大依次减弱,其他列的辐射监测仪表现出同样的特征。监测数据表明,利用该系统可实时获得16台辐射监测仪的辐射监测数据。

图15 16台辐射监测仪对3.74 MBq 137Cs点源的测量结果

5 总结

本研究搭建了基于Zigbee技术的由多台辐射监测仪和监控平台组成的无线辐射监测系统,自主设计了辐射监测仪的信号调理电路、微控制器控制电路及微控制器程序,并对辐射监测仪和辐射监测系统进行了测试。测试结果表明,辐射监测仪测量数据准确,对于在环境本底基础上增加0.1 μSv/h的γ辐射能够提供可靠报警,无线传输距离在室内可达60 m以上,在室外可达300 m以上。将多台辐射监测仪通过Zigbee模块组成无线自组织网络后,监测平台可同时对多台辐射监测仪的监测数据进行无线接收,并具有实时监测和数据存储功能,解决了传统辐射监测仪数据统计不及时、有线网络监测系统布线繁复等问题。该监测系统有望应用于辐射数据实时监控及大数据统计领域。