宋逢泉, 岳 建, 張占亮, 張 旭, 何曉雄

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

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基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的核輻射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

宋逢泉, 岳 建, 張占亮, 張 旭, 何曉雄

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章提出了一套基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核輻射監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。以CC2530芯片為核心,通過核輻射探測器終端節(jié)點(diǎn)與ZigBee協(xié)調(diào)器的無線通信,實(shí)時采集并無線傳輸多個節(jié)點(diǎn)位置的核輻射劑量率信息,實(shí)現(xiàn)了對一定區(qū)域核輻射劑量水平的自動遠(yuǎn)程監(jiān)測。該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、組網(wǎng)靈活、布置方便以及低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn),在測試試驗中達(dá)到了設(shè)計要求。

ZigBee無線傳感器;核輻射監(jiān)測;協(xié)調(diào)器;劑量率

0 引 言

近年來,隨著人類核電事業(yè)的發(fā)展和核技術(shù)在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用,核安全問題越來越受到社會的關(guān)注。在此背景下,建立一個準(zhǔn)確可靠、可快速部署的核輻射無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),自動實(shí)時監(jiān)測生活區(qū)域內(nèi)的輻射劑量水平,對于保障全社會的核安全具有重要意義[1]。

ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的新型短距離無線通信技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)是組網(wǎng)靈活、結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、成本低[2]。本文將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于構(gòu)建核輻射無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),設(shè)計并搭建了一套基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生活區(qū)域核輻射監(jiān)測系統(tǒng),并開展了初步的測試試驗。測試結(jié)果與生活環(huán)境本底劑量率的已知數(shù)據(jù)[3]0.1 μSv/h基本一致,表明該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好,達(dá)到了設(shè)計要求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核輻射監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)控平臺、協(xié)調(diào)器以及多個傳感器終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。每個傳感器終端節(jié)點(diǎn)均使用1個蓋革計數(shù)管作為輻射劑量數(shù)據(jù)的采集元件,可同時監(jiān)測生活區(qū)域內(nèi)多個不同位置的輻射劑量率數(shù)據(jù),并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信,協(xié)調(diào)器通過RS232串口通訊連接到上位機(jī)監(jiān)控平臺。上位機(jī)監(jiān)控平臺可將各傳感器終端節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、整合與分析,實(shí)時顯示各監(jiān)測位置處的輻射劑量率數(shù)值,以便實(shí)施輻射劑量水平的監(jiān)控和查詢。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器模塊

本文系統(tǒng)所監(jiān)測的輻射劑量信息是通過每個終端節(jié)點(diǎn)的傳感器模塊獲取的,終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,傳感器模塊由G-M管(蓋革計數(shù)管)[4]及輔助電路組成。

G-M管是一種氣體探測器,具有靈敏度高、輸出電荷量大、脈沖幅度大、穩(wěn)定性高、價格便宜以及使用方便等特點(diǎn)。因此,在本文系統(tǒng)設(shè)計中采用G-M管作為核輻射信息的探測器。

在G-M管的陰極和陽極之間加上適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷汉?管內(nèi)形成柱形對稱電場。當(dāng)環(huán)境中的輻射射線粒子進(jìn)入G-M管后,管內(nèi)的惰性氣體被電離,負(fù)離子由陽極吸引并移向陽極,與其他氣體分子碰撞后產(chǎn)生多個次級電子,快到陽極時次級電子急劇倍增產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象,發(fā)生放電并輸出脈沖信號。入射輻射射線的粒子束強(qiáng)度越強(qiáng),單位時間內(nèi)輸出的脈沖個數(shù)就越多。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

G-M管及輔助電路的原理如圖3所示,G-M管輸出的脈沖信號經(jīng)過放大和整形后,接入R23和R24的公共端,可獲得理想的方波脈沖,并輸出至終端節(jié)點(diǎn)中的CC2530處理器模塊進(jìn)行計數(shù),然后發(fā)送至協(xié)調(diào)器,由協(xié)調(diào)器傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行計算,從而得到輻射劑量率。

圖3 G-M管電路原理圖

2.2 主控模塊

CC2530是專門針對IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用的單芯片系統(tǒng),它結(jié)合了RF(radio frequency)收發(fā)器和增強(qiáng)型8051微控制器的優(yōu)良性能,并利用ZigBee協(xié)議棧,提供了一個強(qiáng)大和完整的ZigBee解決方案[5]。

CC2530的芯片引腳[6]如圖4所示。將G-M管電路原理圖中的INT引腳與圖4中CC2530的p0-1引腳連接,通過對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編程,即可實(shí)現(xiàn)CC2530對于G-M管電路輸出方波脈沖的計數(shù)。另外,CC2530具有一個IEEE802.15.4兼容無線收發(fā)器,RF內(nèi)核控制模擬無線模塊,用于實(shí)現(xiàn)與協(xié)調(diào)器的ZigBee無線組網(wǎng)[5]。

圖4 CC2530芯片引腳

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計

傳感器終端節(jié)點(diǎn)中的探測器模塊主要負(fù)責(zé)采集輻射劑量數(shù)據(jù),所采集的數(shù)據(jù)由CC2530模塊以字符串的形式實(shí)時送達(dá)協(xié)調(diào)器,并完成協(xié)調(diào)器發(fā)來的指令[7]。

系統(tǒng)啟動后先進(jìn)行硬件和協(xié)議棧的初始化,然后開始信道掃描并加入?yún)f(xié)調(diào)器組建的無線網(wǎng)絡(luò),入網(wǎng)成功后各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綁定且開始采集輻射劑量信息,將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器,終端節(jié)點(diǎn)的流程圖如圖5所示。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)監(jiān)控平臺的主要功能有數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、曲線圖顯示和歷史數(shù)據(jù)查詢等,以Windows 8.1操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺,采用C#語言在Visual Studio 2012環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn),分別使用 Serial Port 類和Thread 類進(jìn)行串口通信和多線程編程,使用Listview控件和TeeChart控件編寫輻射劑量率數(shù)據(jù)顯示界面和曲線顯示界面;數(shù)據(jù)存儲使用Access數(shù)據(jù)庫,利用DataGridView控件引入命名空間,并構(gòu)建鏈接信息及結(jié)構(gòu)化查詢語言(structured query language,SQL)語句,將數(shù)據(jù)傳給顯示窗體對象實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。上位機(jī)通過串口接收節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)后,進(jìn)行輻射劑量率數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)換,并將實(shí)時的輻射劑量率數(shù)值動態(tài)顯示在監(jiān)控平臺的窗口表格中。上位機(jī)軟件顯示界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件顯示界面

3.3 數(shù)據(jù)收發(fā)和串口通訊子程序

終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)可直接調(diào)用AF_DataRequest()函數(shù)實(shí)現(xiàn),方法如下:

AF_DataRequest(&GenericApp_DstAddr,&GenericApp_epDesc,GENERICAPP_CLUSTERID,(byte)osal_strlen(theMessageData)+1,(byte*)&theMessageData, &GenericApp_TransID, AF_DISCV_ROUTE, AF_DEFAULT_RADIUS)。

協(xié)調(diào)器接收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)后,首先操作系統(tǒng)抽象層(operating system abstraction layer,OSAL)將其封裝成消息,每個消息都有其ID,加入消息隊列,然后使用osal_msg receive()函數(shù),從消息隊列接收消息,再調(diào)用GenericApp_MessageMSGCB()函數(shù),完成對接收數(shù)據(jù)的處理。另外,調(diào)用osal_memcpy()函數(shù),拷貝數(shù)據(jù)到buffer數(shù)組,將數(shù)據(jù)通過串口使用HalUARTWrite()函數(shù)發(fā)送到上位機(jī)[8]。

4 測試實(shí)驗與分析

4.1 生活環(huán)境本底輻射測試

為了驗證系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性,在合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)生宿舍樓內(nèi)設(shè)置了3個終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行ZigBee無線組網(wǎng)測試試驗,3個節(jié)點(diǎn)的輻射劑量率測量數(shù)據(jù)分別為0.085、0.081、0.082μSv/h,與已知的環(huán)境本底輻射劑量率數(shù)據(jù)0.1 μSv/h基本一致[3],表明本文系統(tǒng)運(yùn)行效果良好,達(dá)到了設(shè)計要求。

4.2 通訊距離測試

為驗證本系統(tǒng)方案可實(shí)現(xiàn)的最大監(jiān)測范圍,分別選擇宿舍樓道、校園內(nèi)的樹林和足球場等不同生活環(huán)境場所,進(jìn)行了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通訊距離的測試試驗,并通過修改ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率函數(shù)macRadioUpdateTxPower(),實(shí)現(xiàn)不同的發(fā)射功率值,測試結(jié)果見表1所列。

表1 不同發(fā)射功率下的傳輸距離 m

通過分析表1中的數(shù)據(jù)可知,相同發(fā)射功率下,空曠足球場的通訊距離最遠(yuǎn),其次為樹林里,傳輸距離最近的是樓道內(nèi)。主要原因為:足球場比較空曠,也沒有信號干擾,故通訊距離最遠(yuǎn);樹林中的樹木對電磁波信號有一定的吸收和反射作用,而其他電磁干擾較小,故通訊距離次之;宿舍樓道里有各種電子設(shè)備,WiFi信號和各類電磁信號對ZigBee信號造成干擾,故通訊距離最近。另外,從表1中也可以發(fā)現(xiàn),隨著發(fā)射功率的降低,通訊距離也隨之降低。

因此,在實(shí)際部署基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核輻射監(jiān)測系統(tǒng)時,需要綜合考慮節(jié)點(diǎn)能耗、通訊距離和組網(wǎng)密度,根據(jù)不同環(huán)境下的具體要求,采用最合理的發(fā)射功率,既保證降低能耗,延長節(jié)點(diǎn)壽命,又最大限度地降低網(wǎng)絡(luò)密度以節(jié)約成本。

5 結(jié) 論

本文研究了基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的核輻射監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn),初步完成了系統(tǒng)的方案設(shè)計和組裝調(diào)試,并實(shí)現(xiàn)了ZigBee無線組網(wǎng)的測試試驗。測試結(jié)果表明,系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確,達(dá)到了設(shè)計要求,可實(shí)現(xiàn)對生活環(huán)境中各個探測節(jié)點(diǎn)核輻射劑量信息的實(shí)時監(jiān)測。

[1] 王志偉.基于WSN的輻射環(huán)境智能移動監(jiān)測系統(tǒng)[D].南京:南京信息工程大學(xué),2014.

[2] 張睿,劉志剛,趙艷華.基于TETRA與ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,33(3):372-375.

[3] 仝華梓.無線自組網(wǎng)輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].青島:青島科技大學(xué),2014.

[4] 呂志信.基于MSP430單片機(jī)的輻射劑量儀研究[D].太原:太原理工大學(xué),2011:22-25.

[5] 王凱強(qiáng),陳光,劉洋,等.基于ZigBee無線組網(wǎng)的SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(3):64-66.

[6] 杜軍朝,劉慧,劉傳益,等.ZigBee技術(shù)原理與實(shí)戰(zhàn)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014:152-153.

[7] 陳探,劉沖,李志陽,等.ZigBee技術(shù)在核輻射環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[J].電子技術(shù),2014,43(2):11-14.

[8] 王小強(qiáng),歐陽駿,黃寧淋.ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012:102-103.

(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Design of nuclear radiation monitoring system based on ZigBee wireless sensor network

SONG Fengquan, YUE Jian, ZHANG Zhanliang, ZHANG Xu, HE Xiaoxiong

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Based on ZigBee wireless sensor network technology, a design scheme of nuclear radiation monitoring system is proposed. A CC2530 chip is used as the core， and through the communication between the terminal nodes of nuclear radiation detector and the ZigBee coordinator, the value of radiation dose rate in each node position is measured and transferred in real time. Then the level of nuclear radiation dose in a certain area can be monitored automatically and remotely. The system has advantages of performance stability, networking flexibility, convenient arrangement, low cost and power consumption. The results of test experiments show that the system meets the design requirements.

ZigBee; wireless sensor； nuclear radiation monitoring; coordinator; radiation dose rate

2015-06-30；

2015-08-15

合肥工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位專項資助基金資助項目(J2014HGBZ0122);安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目(2015CXCYS045)

宋逢泉(1975-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)講師; 何曉雄(1956-),男,安徽宿松人,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.014

TN92

A

1003-5060(2016)11-1505-04