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        基于LoRa的γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

        2023-09-21 09:20:36程懋松戴志敏施成龍
        核技術(shù) 2023年9期
        關(guān)鍵詞:網(wǎng)關(guān)探測器終端

        張 迪 程懋松 戴志敏 施成龍

        1(上海理工大學(xué) 上海 200093)

        2(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800)

        3(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

        隨著核技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步,使用核設(shè)備的實(shí)驗(yàn)場所越來越多,放射性污染成為了一個(gè)不可忽視的環(huán)境污染問題,且超標(biāo)的輻射量會對人體造成嚴(yán)重的損傷,因此,核輻射帶來的問題越來越受到社會的關(guān)注[1]。核輻射探測器是通過使核輻射在氣體、液體或者固體中發(fā)生電離效應(yīng)、發(fā)光現(xiàn)象、物理變化或化學(xué)變化來監(jiān)測核輻射的儀器[2]。閃爍體探測器利用電離輻射在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的閃光進(jìn)行探測,是目前應(yīng)用最多、最廣泛的電離輻射探測器之一。相比硅二極管、光電倍增管,硅光電倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)結(jié)構(gòu)緊湊、增益高、響應(yīng)快速、工作電壓低、靈敏度高且具有極佳的磁場兼容性。SiPM 是近年來興起的一種由大量工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode,APD)集成的新型光電探測器[3],不僅在性能上滿足各種弱光監(jiān)測應(yīng)用需求,并且具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢,能夠更好地滿足探測器數(shù)字化、功能化、智能化的發(fā)展需求。被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)成像、激光探測與測量、輻射探測和精密分析等領(lǐng)域。SiPM具有從近紫外到近紅外的光譜響應(yīng)范圍、出色的光子計(jì)數(shù)能力、單光子級別靈敏度、皮秒級快速響應(yīng)能力、出色的時(shí)間分辨率和較高的光子探測效率等優(yōu)異特性,并兼具固體探測器對磁場不敏感、能抵抗高強(qiáng)度機(jī)械沖擊和不會因?yàn)槿肷涔怙柡投匣膬?yōu)點(diǎn),滿足復(fù)雜園區(qū)環(huán)境對核輻射探測器的要求。但SiPM 存在增益受溫度影響大的缺點(diǎn),溫度每上升10 ℃增益約下降5×105,可以通過溫度補(bǔ)償電源對SiPM的增益特性進(jìn)行補(bǔ)償。

        實(shí)際園區(qū)環(huán)境中存在大量建筑物及植被,傳統(tǒng)的有線核輻射監(jiān)測系統(tǒng)移動性差、成本高、部署和維修困難,在遭遇大量障礙物時(shí)信號幅度衰減,進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)損失[4]。無線通信建設(shè)工程周期短、成本低、便于維護(hù),可有效解決有線核輻射監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題。LoRa[5]技術(shù)是一種長距離無線通信技術(shù),與同類技術(shù)相比,可以提供更遠(yuǎn)的通信距離。LoRa調(diào)制屬于物理層(PHY)調(diào)制,因此也可將其用于不同的協(xié)議(LoRa 協(xié)議、LoRaWAN 協(xié)議、CLAA 協(xié)議、LoRa 私有協(xié)議等)和不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中(如Mesh、星型、點(diǎn)對點(diǎn)等)。LoRa 無線通信技術(shù)采用了擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù),數(shù)據(jù)衰減較小,從而延伸了系統(tǒng)監(jiān)測范圍;LoRaMesh混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不存在區(qū)段隔離,系統(tǒng)全部節(jié)點(diǎn)集中在網(wǎng)關(guān)范圍內(nèi),因而能提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。針對可能存在的因復(fù)雜電磁環(huán)境、距離等因素導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)斷線及數(shù)據(jù)傳輸頻繁時(shí)造成的區(qū)域內(nèi)信道擁堵問題,設(shè)計(jì)了動態(tài)最優(yōu)路徑通訊算法,通過篩選中繼節(jié)點(diǎn),尋找最優(yōu)重連路徑以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送的優(yōu)先級分配,從而解決了上述問題。基于LoRa 無線傳輸技術(shù),結(jié)合SiPM-閃爍體探測器,設(shè)計(jì)動態(tài)最優(yōu)路徑通訊算法,開發(fā)了γ輻射監(jiān)測系統(tǒng),并對系統(tǒng)進(jìn)行了通信及穩(wěn)定性測試。

        1 系統(tǒng)架構(gòu)

        基于LoRa的γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)集中監(jiān)控平臺三部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of system structure

        終端節(jié)點(diǎn)由SiPM-閃爍體探測器、LoRa 無線通信模塊及其他外圍電路組成,SiPM-閃爍體探測器功耗低、光子檢測效率高、對磁場不敏感且是離散的,可以滿足輻射監(jiān)測系統(tǒng)對于探測器的需求。終端節(jié)點(diǎn)分布放置在園區(qū)內(nèi),上電后,自動尋找網(wǎng)關(guān)請求加入監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),入網(wǎng)后進(jìn)行系統(tǒng)初始化,讀取Flash 中的配置參數(shù),進(jìn)入低功耗模式等待開機(jī)喚醒,低功耗模式配置成待機(jī)模式此時(shí)模式系統(tǒng)會關(guān)閉所有的時(shí)鐘以及外設(shè)。終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集園區(qū)內(nèi)的γ輻射信息,觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器,模擬信號轉(zhuǎn)數(shù)字信號,并通過LoRa無線通信模塊發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信流程如圖2所示,SiPM-閃爍體探測器持續(xù)采集數(shù)據(jù)發(fā)送至存儲模塊,定時(shí)器每隔30 s 產(chǎn)生一個(gè)中斷,進(jìn)入中斷服務(wù)程序后,退出低功耗模式,喚醒LoRa 無線通信模塊,打包并校驗(yàn)數(shù)據(jù),由LoRa 無線傳輸至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。若輻射劑量率超過事先設(shè)定的閾值,點(diǎn)亮報(bào)警燈。

        圖2 終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信流程Fig.2 Flow chart of terminal node and gateway communication process

        網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的核心,維持網(wǎng)絡(luò)整體的信息傳輸并通過串口通信模塊與上位機(jī)集中監(jiān)控平臺通信。由串口通信模塊及LoRa無線通信模塊組成,主要功能是接收、解析、校驗(yàn)和轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù),同時(shí)與上位機(jī)通過串口收發(fā)程序通信,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控主機(jī)控制命令的接收和轉(zhuǎn)發(fā)[6]。網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)收發(fā)流程如圖3所示。網(wǎng)關(guān)上行通信:首先掃描接收數(shù)據(jù)隊(duì)列,進(jìn)行目的ID 查詢,讀取數(shù)據(jù)幀并校驗(yàn)數(shù)據(jù)長度;隨后查詢命令判斷信息類型屬于數(shù)據(jù)信息或狀態(tài)信息,若屬于數(shù)據(jù)信息,網(wǎng)關(guān)優(yōu)先創(chuàng)建應(yīng)答事件發(fā)出應(yīng)答信息,并提高搶占優(yōu)先級,打斷其他正在執(zhí)行的中斷;最后對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行封裝,加入發(fā)送至上位機(jī)的事件隊(duì)列,設(shè)置發(fā)送等待,發(fā)送完畢后,設(shè)置下一次發(fā)送的延時(shí)。網(wǎng)關(guān)下行通信:首先創(chuàng)建接收數(shù)據(jù)包,掃描接收數(shù)據(jù)隊(duì)列,進(jìn)行目的ID 查詢,讀取數(shù)據(jù)幀并校驗(yàn)數(shù)據(jù)長度;隨后查詢命令判斷事件類型屬于確認(rèn)事件或中繼轉(zhuǎn)發(fā)事件,對需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝,加入發(fā)送緩存區(qū)。若此時(shí)有數(shù)據(jù)包正在發(fā)送,則等待其發(fā)送結(jié)束;若此時(shí)有重傳數(shù)據(jù),則提高重傳數(shù)據(jù)的搶占優(yōu)先級。

        圖3 網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖Fig.3 Flow chart of sending and receiving data of the gateway

        上位機(jī)集中監(jiān)控平臺的主要功能是接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù),遠(yuǎn)程監(jiān)測終端節(jié)點(diǎn)及系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)時(shí)顯示輻射數(shù)據(jù)。

        系統(tǒng)采用LoRaMesh 混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在組建的網(wǎng)絡(luò)中,終端節(jié)點(diǎn)之間、終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間均可以實(shí)現(xiàn)雙向通信。當(dāng)節(jié)點(diǎn)沒有工作任務(wù)進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí),拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不會受到影響,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

        2 部件設(shè)計(jì)

        2.1 SiPM-閃爍體探測器

        SiPM[7]的基本結(jié)構(gòu)單位(像素)是由工作在蓋革模式的雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode,APD)串聯(lián)淬滅電阻構(gòu)成。多個(gè)像素點(diǎn)同時(shí)檢測到光子,輸出幅值是多個(gè)脈沖的疊加,若光強(qiáng)度使所有像素點(diǎn)同時(shí)發(fā)生雪崩,器件達(dá)到飽和狀態(tài),輸出幅值不再隨光照強(qiáng)度的增大而增大。多個(gè)像素并聯(lián)連接,構(gòu)成二維的陣列式結(jié)構(gòu),并共用一個(gè)電源端和一個(gè)輸出端。當(dāng)APD 外加偏置電壓高于雪崩擊穿電壓閾值時(shí),由入射光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對在電場作用下往PN結(jié)漂移,在漂移過程中經(jīng)耗盡層雪崩區(qū)間(此區(qū)間電場強(qiáng)度與材料摻雜濃度有關(guān))的碰撞電離效應(yīng)激發(fā)更多電子空穴對產(chǎn)生一個(gè)信號電流,使得APD具有內(nèi)部增益。隨著電流的增大,淬滅電阻兩端的電壓增大,PN 結(jié)耗盡層分壓減少,APD 輸出一個(gè)瞬時(shí)脈沖后停止,每個(gè)像素單元產(chǎn)生的電流累加起來形成SiPM的輸出電流[8]。SiPM內(nèi)部原理示意圖如圖4所示。

        圖4 SiPM內(nèi)部原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the internal principle of SiPM

        γ 輻射探測器組成部分包括NaI(Tl)閃爍晶體、SiPM和放大器等。

        NaI(Tl)晶體有效原子序數(shù)為50,密度 為3.67 g·cm-3,最大發(fā)光波長為415 nm,發(fā)光衰減時(shí)間為230 ns。本課題采 用 ?40 mm × 40 mm 的NaI(Tl)晶體。選用湖北京邦科技TP6050型SiPM,光感面積6 mm×6 mm,探測效率能夠達(dá)到35%,內(nèi)部增益達(dá)到2.1×106,上升時(shí)間為1 s,暗計(jì)數(shù)率典型值為140 kHz·mm-2。實(shí)物圖如圖5 所示。光子波長與探測效率的關(guān)系如圖6所示。

        圖5 JSP-TP6050-SMT 實(shí)物圖Fig.5 Physical drawing of JSP-TP6050-SMT

        圖6 光子波長與探測效率的關(guān)系Fig.6 Relationship between photon wavelength and detection efficiency

        SiPM 為半導(dǎo)體器件,溫度特性無法忽視。SiPM增益隨溫度變化可以等效表示為:

        式中:G(ΔV)為SiPM 在過偏壓為ΔV時(shí)的等效增益;C為等效節(jié)電容;Vbias為反向偏置電壓;Vbo為參考溫度為T0時(shí)的擊穿電壓;k為擊穿電壓溫度系數(shù);ΔT表示對于T0的溫度變化量。由式(1)可知,SiPM的增益與溫度變化量呈線性關(guān)系。

        針對SiPM 增益漂移的修正方法主要有調(diào)節(jié)前置放大器放大倍數(shù)、低溫制冷和電壓補(bǔ)償。16通道PET探測模塊通過調(diào)節(jié)前置放大器放大倍數(shù)來解決增益漂移的問題,這種方法提高了電路的復(fù)雜性。低溫制冷方法能使SiPM工作溫度穩(wěn)定在一特定值,并且具有降低暗計(jì)數(shù)的效果,但是低溫制冷裝置體積大且成本高。因此,采用LPTC 型熱敏電阻KTY83/110 作為反饋電阻,設(shè)計(jì)了具有溫度補(bǔ)償功能的SiPM探測器電源電路。

        LPTC 型熱敏電阻KTY83/110 是鎳銅合金的熱敏電阻,R在25 ℃標(biāo)準(zhǔn)值為1 kΩ,工作溫度為-55 ℃~+175 ℃,最大工作電流為8 mA。各溫度下電阻阻值如圖7 所示,KTY83/110 熱敏電阻的阻值與溫度呈正相關(guān)。溫度補(bǔ)償電源設(shè)計(jì)原理圖如圖8所示。

        圖7 KTY83/110阻值隨溫度變化圖Fig.7 KTY83/110 resistance change with temperature

        圖8 溫度補(bǔ)償電源電路圖Fig.8 Temperature-compensated power supply circuit diagram

        SiPM-閃爍體探測器耦合過程如下:首先,使用無水乙醇清洗NaI(Tl)閃爍晶體與SiPM 的交界面;其次,在交界面填充全透明光學(xué)硅脂,排凈空氣,降低熒光光子在交界面產(chǎn)生全反射的概率;最后,用鋁箔包裹避免環(huán)境干擾。

        當(dāng)γ射線射入到NaI(Tl)閃爍晶體中,會使其電離而發(fā)射熒光。熒光進(jìn)入SiPM后,在其陽極形成電流脈沖,經(jīng)電阻取樣得到一個(gè)電壓脈沖信號。經(jīng)過NaI(Tl)閃爍晶體和SiPM 輸出的信號往往較弱,需要增加前置放大器,主要作用是提高系統(tǒng)的信噪比,減小信號傳輸時(shí)外界環(huán)境的干擾,實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換和匹配。脈沖信號經(jīng)放大、整形至適配A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍。ADC 選用可以提供高分辨率和低噪聲的12位、8通道、采樣率1 MSPS(Mega-Samples per Second)的AD7991芯片,它的ENOB為11位,功耗為7 mW,價(jià)格較為經(jīng)濟(jì),輸入電壓范圍為0~3.3 V。然后,將脈沖信號送到脈沖峰值采樣電路進(jìn)行峰值采樣,當(dāng)脈沖下降沿到來時(shí),峰值采樣電路輸出采樣完畢信號,觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器,將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號,通過I2C(Inter-Integrated Circuit)接口將數(shù)據(jù)傳輸給核心處理器[9]。

        能量分辨率是SiPM-閃爍體探測器的一個(gè)重要指標(biāo),表征探測器識別能量相近的γ 射線特征峰的能力。SiPM-閃爍體探測器的能量分辨率與光電倍增器中的單光子響應(yīng)、閃爍體的光輸出等因素密切相關(guān)。當(dāng)光子倍增器的增益越高,單光子響應(yīng)越好時(shí),探測器的能量分辨率會更好。計(jì)算公式如下:

        式中:FWHM為半寬高,即γ射線全能峰高度的一半處所對應(yīng)的峰的能量寬度,MeV;Eγ為全能峰峰位所對應(yīng)的能量,即放射性核素的特征峰能量,MeV。使用放射性核素137Cs 的662 keV 的特征峰對γ 射線探測器的能量分辨率進(jìn)行測試,能量分辨率為7.7%,小于9%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。NaI 能量分辨率測試譜線如圖9所示。

        圖9 NaI能量分辨率測試譜線Fig.9 Spectral curve of NaI energy resolution test

        探測效率是評估SiPM-閃爍體探測器的又一重要指標(biāo),受到閃爍體的面積、厚度、密度等因素的影響。一般來說,探測器的探測效率越高,其信噪比和能量分辨率也會相應(yīng)提高。最常使用的是全能峰效率,全能峰是指γ 光子進(jìn)入閃爍體后與閃爍晶體發(fā)生相互作用時(shí)損失全部能量,產(chǎn)生類似高斯分布的全能脈沖。全能峰效率εp(Eγ)是指對于能量為Eγ且各向同性的單能γ 射線,全能峰內(nèi)的光子數(shù)與放射源全部的γ光子數(shù)的百分比,如式(3)所示:

        式中:εp(Eγ)為全能峰效率;Ω為立體角;ε1(Eγ)為本征效率;R(Eγ)為峰總比;ε1p(Eγ)為本征全能峰效率。探測效率曲線如圖10所示。

        圖10 NaI探測器的探測效率曲線Fig.10 Detection efficiency curve of NaI detextor

        2.2 數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)

        STM32F103處理器具有較強(qiáng)的運(yùn)算性能,支持三種不同的模式,每種模式都滿足低功耗設(shè)計(jì)要求。數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STM32F103VET6作為核心處理器,內(nèi)有32位Cortex的ARM微控制器,多個(gè)可供使用的IO(Input/Output)端口,3個(gè)16位定時(shí)器,2 個(gè) I2C 接 口,5 個(gè) USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)接口,2 個(gè)SPI(Serial Perripheral Interface)同步串行接口,一個(gè)USB通信接口。通過設(shè)定不同的處理器工作模式,可以優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

        數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)的主要功能是對采集到的信號進(jìn)行處理、存儲及數(shù)據(jù)傳輸,核心處理器對數(shù)字信號進(jìn)行濾波、降噪等處理后,將采集的γ數(shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)封裝成幀,存儲在由SPI 控制的2 M×8 bit FLASH存儲器中,最終將數(shù)據(jù)及節(jié)點(diǎn)序號打包成數(shù)據(jù)包,核心處理器將打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送給LoRa無線通信模塊,經(jīng)LoRa無線信號進(jìn)行傳輸。接收端的LoRa無線通信模塊將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、去除校驗(yàn)碼等處理后,將數(shù)據(jù)傳輸給接收端核心處理器[10]。核心處理器可以通過IO 端口控制蜂鳴器、LED燈來實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警[11]。

        2.3 動態(tài)最優(yōu)路徑通訊算法

        為解決終端節(jié)點(diǎn)因復(fù)雜電磁環(huán)境、傳輸距離等因素導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)斷線及終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸頻繁時(shí)造成的信道擁堵問題,充分考慮協(xié)作通信的可用性[12],綜合最短路徑長度及最大節(jié)點(diǎn)度,設(shè)計(jì)了動態(tài)最優(yōu)路徑通訊算法,通過篩選最優(yōu)鏈路實(shí)現(xiàn)斷線重連,以及優(yōu)化隊(duì)列調(diào)度緩解信道擁堵,減少進(jìn)程的響應(yīng)時(shí)間和周轉(zhuǎn)時(shí)間。

        終端節(jié)點(diǎn)上電后若與網(wǎng)關(guān)通信失敗且達(dá)到自動重連上限,根據(jù)通信協(xié)議將自動搜尋鄰居節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)[13],從中繼節(jié)點(diǎn)的多條通信鏈路中篩選最優(yōu)路徑替換無法通信的鏈路,繼而將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)。如圖11所示,終端節(jié)點(diǎn)B自動搜尋與之鄰近且可用的終端節(jié)點(diǎn)A,此時(shí)終端節(jié)點(diǎn)A充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)。篩選最優(yōu)路徑流程如下:首先將未標(biāo)記的終端節(jié)點(diǎn)以無序的形式存放于未確定最短路徑節(jié)點(diǎn)集中,數(shù)據(jù)量過大會限制計(jì)算速度,影響時(shí)效性,因此將未掃描的節(jié)點(diǎn)按其鏈路質(zhì)量進(jìn)行排序;隨后設(shè)置List 數(shù)組儲存各點(diǎn)到達(dá)的權(quán)值,Boolean數(shù)組判斷節(jié)點(diǎn)是否被確認(rèn)過最短長度,int 數(shù)組記錄距離;然后斷線的終端節(jié)點(diǎn)從未標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)中依次篩選最優(yōu)節(jié)點(diǎn)直到選出最優(yōu)路徑。

        圖11 中繼節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.11 Schematic diagram of relay node

        發(fā)生信道擁堵時(shí),對節(jié)點(diǎn)內(nèi)部信道進(jìn)行隊(duì)列檢測:若最高優(yōu)先級隊(duì)列空閑,則將所有進(jìn)程調(diào)度至最高優(yōu)先級隊(duì)列;若最高優(yōu)先級隊(duì)列有進(jìn)程未完成,則被調(diào)度至次高優(yōu)先級隊(duì)列,更新進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間,隊(duì)列優(yōu)先級依次降低。當(dāng)進(jìn)程被放至最低優(yōu)先級隊(duì)列后,將剩余進(jìn)程根據(jù)所需的執(zhí)行時(shí)間調(diào)度到對應(yīng)隊(duì)列,剩余執(zhí)行時(shí)間越少的進(jìn)程匹配到隊(duì)列的優(yōu)先級越高。

        3 系統(tǒng)性能測試

        3.1 信號強(qiáng)度測試

        在遠(yuǎn)距離通信中,周圍環(huán)境(如建筑、天氣、電磁等)都會影響到通信效果,為滿足實(shí)際需求,在中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所進(jìn)行測試,該研究所坐落于上海市科技衛(wèi)星城(嘉定區(qū)),占地面積2.53×105m2,其中綠地面積1.36×105m2,綠地率達(dá)53.7%,植被長勢好,且大樹多,存在大量建筑物[14]。采用相同傳輸速率和帶寬,對僅由LoRa節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的系統(tǒng)與加入LoRa中繼節(jié)點(diǎn)、結(jié)合動態(tài)最優(yōu)路徑通訊算法構(gòu)建的系統(tǒng)分別進(jìn)行入網(wǎng)測試,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)唯一地址,在系統(tǒng)上電后,以1 s為周期發(fā)送入網(wǎng)請求幀,直到網(wǎng)關(guān)判斷數(shù)據(jù)有效后,返回?cái)y帶地址信息的應(yīng)答幀到終端節(jié)點(diǎn),完成入網(wǎng)。

        節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請求幀數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)置為定向傳輸,以16進(jìn)制數(shù)據(jù)顯示。將入網(wǎng)請求幀分別發(fā)送給僅由LoRa 節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的系統(tǒng)和加入LoRa 中繼節(jié)點(diǎn)、結(jié)合動態(tài)最優(yōu)路徑通訊算法構(gòu)建的系統(tǒng),在獲得監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)答幀時(shí),同時(shí)接收到監(jiān)測信號強(qiáng)度(Received Signal Strength Indication,RSSI)。設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn)由不同距離返回監(jiān)測強(qiáng)度,經(jīng)多次測試,節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)信號強(qiáng)度對比如圖12 所示,加入LoRa 中繼節(jié)點(diǎn)、結(jié)合動態(tài)最優(yōu)路徑通訊算法構(gòu)建的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)信號強(qiáng)度更穩(wěn)定。

        圖12 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)信號強(qiáng)度對比Fig.12 Signal strength comparison of node network access

        3.2 穩(wěn)定性測試

        中繼節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中與發(fā)送端和接收端均能實(shí)現(xiàn)雙向通信,網(wǎng)關(guān)會對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn),判斷是否有錯(cuò)誤發(fā)生,當(dāng)網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)接收到的數(shù)據(jù)存在誤碼現(xiàn)象時(shí),將含有該誤碼的包丟掉,接收終端就會出現(xiàn)整個(gè)包丟失的情況。

        為測試系統(tǒng)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,以30 s 為采樣周期進(jìn)行,LoRa 終端沿最短路徑持續(xù)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。通過多次實(shí)驗(yàn),計(jì)算得出接收數(shù)據(jù)的丟包率和誤碼率,丟包率是指數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)包丟失的比率,以一段時(shí)間內(nèi)丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量與發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量的比值作為衡量標(biāo)準(zhǔn),公式如下:

        式中:PLR(Packet Loss Rate)為丟包率;PL表示丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量;PS表示發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量。誤碼率是衡量數(shù)據(jù)傳輸精準(zhǔn)性的指標(biāo),是數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)信道上出現(xiàn)的錯(cuò)誤,數(shù)據(jù)包的大小、誤碼的分布都會影響誤碼率,以一段時(shí)間內(nèi)傳輸過程中的誤碼與所傳輸?shù)目偞a數(shù)的比值作為衡量標(biāo)準(zhǔn),公式如下:

        式中:BER(Bit Error Rate)為誤碼率;BL表示傳輸過程中的誤碼;BS表示傳輸?shù)目偞a數(shù),計(jì)算結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)在1 000 m處取5組數(shù)據(jù)列出,計(jì)算其丟包率,結(jié)果如表2所示,在1 000 m外,隨著距離的增加,無線通信的丟包率和誤碼率逐漸增大;在1 000 m 范圍內(nèi)單次丟包率不高于0.43%。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性不低于99.57%,與文獻(xiàn)[15]中節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信距離為1 000 m時(shí)數(shù)據(jù)接收率為93.00%相比有所提升。

        表1 LoRa通信性能測試結(jié)果Table 1 LoRa communication performance test results

        表2 通信距離為1 000 m實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Communication distance was 1 000 m for the experimental data

        3.3 γ輻射監(jiān)測劑量測試

        在探測器工作中,計(jì)數(shù)率和能譜是兩個(gè)重要的參數(shù),需要將其轉(zhuǎn)換為劑量單位進(jìn)行分析和比較。探測效率是指探測器在不同能量下探測器對放射性核素的檢測效率,它受到探測器結(jié)構(gòu)、輻射類型、探測器與輻射源之間的距離等多個(gè)因素的影響。因此,需要通過模擬方法獲得計(jì)數(shù)模式標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行修正,探測器的計(jì)數(shù)率乘以探測效率曲線對應(yīng)的比例系數(shù),即可得到相應(yīng)的劑量率。計(jì)數(shù)率是指探測器單位時(shí)間內(nèi)接收到的輻射粒子數(shù),通常以每秒計(jì)數(shù)(s-1)為單位。劑量率是指單位時(shí)間內(nèi)輻射劑量的量,通常以每小時(shí)吸收劑量(Gy·h-1)為單位。計(jì)數(shù)率與劑量率關(guān)系如圖13 所示,標(biāo)定10 個(gè)參考點(diǎn),直線擬合程度超過98%。

        圖13 計(jì)數(shù)率與劑量率關(guān)系Fig.13 Relationship between counting rate and dose rate

        按照《環(huán)境地表γ 輻射劑量測定規(guī)范》(GB/T14583-93)[16]的有關(guān)要求,將本監(jiān)測系統(tǒng)置于中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所及周邊地區(qū)測試環(huán)境γ輻射空氣吸收劑量率,選取10 個(gè)測試點(diǎn)多次測試,結(jié)果如表3 所示,中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所園區(qū)及周邊環(huán)境γ輻射空氣吸收劑量率處于上海市室外天然輻射本底水平正常范圍內(nèi)。

        表3 環(huán)境γ輻射空氣吸收劑量率測量結(jié)果Table 3 Results of air absorption dose rate measurement of ambient gamma radiation

        3.4 中斷機(jī)制測試

        以1 min為周期進(jìn)行輻射數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn),網(wǎng)關(guān)收集到終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),并通過串口傳輸給上位機(jī),上位機(jī)集中監(jiān)測平臺實(shí)時(shí)顯示。利用Fine Report編寫上位機(jī)顯示界面,如圖14 所示,斷開1 號、2 號終端節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)自動開啟動態(tài)重連算法,重連成功頁面自動更新。

        圖14 上位機(jī)集中監(jiān)控平臺顯示界面Fig.14 Display interface of the upper-computer centralized monitoring platform

        4 結(jié)語

        基于環(huán)境輻射監(jiān)測的特點(diǎn),開展了γ 輻射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析。通過對比、總結(jié)相關(guān)核輻射監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn),結(jié)合實(shí)際情況,針對有線核輻射監(jiān)測系統(tǒng)布線復(fù)雜、施工周期長、成本較高、且移動性差、故障排查較困難等問題,結(jié)合SiPM-閃爍體探測器,構(gòu)建了基于LoRa無線通信技術(shù)的γ輻射監(jiān)測系統(tǒng),具備監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸、報(bào)警、自動重連等功能。對其主要性能進(jìn)行測試,證明節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)信號強(qiáng)度較強(qiáng),可穩(wěn)定連續(xù)工作,實(shí)現(xiàn)了對γ 輻射劑量的準(zhǔn)確測量??梢詰?yīng)用在范圍廣、遠(yuǎn)距離的區(qū)域環(huán)境輻射監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性達(dá)到99.57%以上,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高和系統(tǒng)監(jiān)測范圍的有效延伸。

        作者貢獻(xiàn)聲明張迪、程懋松負(fù)責(zé)研究的提出及設(shè)計(jì);張迪負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集及整理;程懋松、戴志敏負(fù)責(zé)項(xiàng)目的監(jiān)督和管理;張迪、程懋松、施成龍負(fù)責(zé)文章的起草及最終版本的修訂。

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