李 艷，張 帥，謝桂輝，唐曉慶

（1.武漢晴川學院計算機學院，湖北 武漢 430204；2.中國船舶重工集團公司第七一九研究所，湖北 武漢 430205；3.中國地質(zhì)大學（武漢）自動化學院，湖北 武漢 430072；4.湖北大學，湖北 武漢 430062）

0 引 言

放射源是指使用放射性物質(zhì)制成的能夠產(chǎn)生照射或者輻射的實體或物質(zhì)，在國防、醫(yī)療、科研、工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及能源等多個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，對維護國防安全、促進國民經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重要作用[1]。但是一旦放射源失控，就會對環(huán)境造成放射性污染，引起社會恐慌，因此加強對放射源的監(jiān)控和管理非常重要[2]。

目前廣泛采用的放射源安全和防護管理方法主要是利用輻射探測技術(shù)、視頻監(jiān)視、GIS地理信息技術(shù)以及GPS全球定位技術(shù)，實現(xiàn)對放射源的狀態(tài)位置實時監(jiān)控，再結(jié)合傳感器檢測技術(shù)、通信技術(shù)以及計算機控制技術(shù)建立放射源劑量監(jiān)控與失控報警平臺，為監(jiān)管部門和相關(guān)單位提供放射源監(jiān)控的現(xiàn)代數(shù)字化解決方案[3-6]。但是輻射探測、視頻監(jiān)測、GIS、GPS等技術(shù)都具有較大的功耗，因此需要人工定期維護、頻繁更換電池，無形之中增加了人力成本、電池供電成本，也增加了維護人員接觸輻射源的風險[7]。而對于體積較小的便攜式放射源來說，電池的使用還使得放射源監(jiān)管系統(tǒng)的體積過大，從而無法安裝?；诖?，本文在低功耗MSP430平臺上提出一種基于WiFi散射通信技術(shù)的放射源監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由射頻基站、散射節(jié)點與通用WiFi接收設(shè)備組成。射頻基站負責為散射節(jié)點提供2.39 GHz的單頻點正弦波信號，將其作為散射節(jié)點的入射電磁波。散射節(jié)點在MCU的控制下采集傳感器數(shù)據(jù)，按照802.11b協(xié)議對數(shù)據(jù)進行編碼，生成碼片數(shù)據(jù)流，并將碼片數(shù)據(jù)映射為射頻開關(guān)的控制信號，對入射電磁波進行吸收或反射狀態(tài)的切換，從而產(chǎn)生標準WiFi信號[8]。接收機通過通用WiFi接收設(shè)備接收散射節(jié)點散射的WiFi數(shù)據(jù)報文并進行解析，從中提取出所需的傳感器數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 WiFi散射通信實現(xiàn)

WiFi散射通信實現(xiàn)主要包括兩部分內(nèi)容，一是根據(jù)WiFi標準協(xié)議產(chǎn)生擴頻碼片，二是根據(jù)碼片數(shù)據(jù)產(chǎn)生射頻開關(guān)控制信號。

2.1 碼片生成

根據(jù)IEEE 802.11b協(xié)議，碼片生成需要經(jīng)過數(shù)據(jù)封裝、比特信息處理兩個步驟[9]。數(shù)據(jù)封裝的目的是將待發(fā)送的原始數(shù)據(jù)按照IEEE 802.11b規(guī)范封裝為物理層PPDU數(shù)據(jù)報。比特信息處理模塊主要負責將PPDU數(shù)據(jù)報處理為碼片數(shù)據(jù)流，PPDU數(shù)據(jù)經(jīng)過串化、加擾、差分編碼以及擴頻，生成速率一定的碼片數(shù)據(jù)流。

2.2 射頻開關(guān)控制信號生成

本文提出一種數(shù)字虛擬調(diào)制方法，當碼片為+1時，產(chǎn)生‘1010’序列組合；當碼片為-1時，產(chǎn)生‘0101’序列組合。同時設(shè)置‘1010’和‘0101’序列組合的激勵時鐘為44 MHz，這樣既可以保證射頻開關(guān)控制信號的頻率為22 MHz，又使其相位在碼片切換時翻轉(zhuǎn)了180°，滿足了相應(yīng)的頻率要求和相位要求。

3 系統(tǒng)樣機研制

本文研制一個WiFi散射節(jié)點樣機，處理器選用TI公司超低功耗單片機MSP430F5438A，其主頻為25 MHz，在關(guān)斷模式下電流消耗低至1.2 μA。射頻開關(guān)采用HMC190B，開關(guān)損耗僅為0.4 dB。異或芯片采用SN74AUP1G86，其工作電流僅為0.9 μA，輸入到輸出的延時僅為3 ns。溫濕度傳感器采用HDC2080，溫度精度為0.2 ℃、相對濕度精度為2%，睡眠電流僅為50 nA，在每秒1次的測量條件下，測量溫度和濕度時平均電流消耗僅為550 nA。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果及分析

4.1 WiFi散射信號測試

在WiFi散射通信系統(tǒng)中，核心是射頻開關(guān)控制信號的生成。實際測試結(jié)果如圖2所示，經(jīng)過異或邏輯器件后的波形在相位發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，波形基本無毛刺，不影響接收端的判決，與預(yù)想的結(jié)果相符。

圖2 射頻開關(guān)控制信號波形

4.2 散射節(jié)點功耗測試

完整的測量結(jié)果如圖3所示，其中tAB段為從低功耗模式喚醒過程，tBC為開啟22 MHz振蕩器并穩(wěn)定的過程，tCD為開啟DMA、通過USCI移位寄存器與時鐘信號實現(xiàn)射頻開關(guān)控制信號的輸出的過程，tDA為工作完成后進入低功耗模式。

圖3 樣機功耗測試

4.3 散射節(jié)點通信距離測試

設(shè)定基站發(fā)射頻率為2.39 GHz、功率為20 dBm的電磁波，接收機布置在距離基站5 m處的位置。根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)，接收機的靈敏度可達-85 dBm左右。由此可知，在基站發(fā)送功率為20 dBm的情況下，散射節(jié)點可在一個橢圓區(qū)域內(nèi)自由移動，散射節(jié)點有效通信覆蓋面積達150 m2。

根據(jù)上述通信功耗和通信距離的測試結(jié)果，可以看出本文方法相對于傳統(tǒng)的Zigbee監(jiān)測節(jié)點，功耗降低了2～3個數(shù)量級，盡管通信距離有所降低，但也足夠滿足放射源監(jiān)測的需求[10]。更重要的是，本系統(tǒng)可采用小容量紐扣電池供電，系統(tǒng)體積小、成本低，方便安裝和大規(guī)模部署。

5 結(jié) 論

本文研制一種基于WiFi散射通信技術(shù)的放射源監(jiān)測樣機，具有明顯的功耗優(yōu)勢?；贛CU的散射通信硬件架構(gòu)僅需要一片MCU、一片射頻開關(guān)以及一片異或門芯片即可完成整個通信過程，硬件結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)體積小，易于現(xiàn)場安裝。采用標準的WiFi協(xié)議，接收機不需要專門定制，任何帶WiFi通信模組的手機、路由器或筆記本均可接收散射節(jié)點發(fā)出的WiFi信號，既節(jié)約硬件成本，也便于各個地區(qū)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)融合和存儲。