張軼名，覃章健，蘆 嘉

(1.原子高科股份有限公司，北京 100089；2.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，成都 610059；3.中國寶原投資有限公司，北京 100000)

前 言

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的不斷進(jìn)步，放射源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于輻照加工，石油勘探，醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國截至2020年12月31日，全國在用放射源149425枚[2]。自2015至2020年，我國一共發(fā)生放射源事故29起，丟失、被盜的放射源數(shù)量為20枚。為了減少因放射源引起的輻射安全問題，加強(qiáng)放射源監(jiān)管刻不容緩。文獻(xiàn)[3]采用NB-IoT通信模塊、GPS定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了γ探傷機(jī)放射源脫落預(yù)警與實(shí)時(shí)監(jiān)控；文獻(xiàn)[4]采用RFID與百度地圖結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了放射源遠(yuǎn)程追蹤；文獻(xiàn)[5]采用輻射探測、GPS定位、GSM與WiFi等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了放射源兩級實(shí)時(shí)監(jiān)控；文獻(xiàn)[6]研制了基于STM32的放射源遠(yuǎn)程監(jiān)控與跟蹤終端裝置，結(jié)合 GPRS、GPS、劑量監(jiān)測和遠(yuǎn)程通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對放射源的在線監(jiān)控；文獻(xiàn)[7]改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)了基于Android，Django框架和Vue框架改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)放射源移動檢測系統(tǒng)，；文獻(xiàn)[8]研究了基于藍(lán)牙的放射源防丟失與微定位系統(tǒng)；文獻(xiàn)[9]采用物聯(lián)網(wǎng)、GIS、GPS等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對放射源的在線監(jiān)測和安全防護(hù)；文獻(xiàn)[10]采用藍(lán)牙、Lora和RFID等技術(shù)，并結(jié)合核探測技術(shù)設(shè)計(jì)了移動放射源監(jiān)管系統(tǒng)；文獻(xiàn)[11]采用GSM、GPRS技術(shù)、劑量檢測技術(shù)和SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)等設(shè)計(jì)了基于GPS的室外放射源信息監(jiān)控系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)是通過使用射頻識別，傳感器，全球定位系統(tǒng)等信息采集設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別，定位，跟蹤，監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，具有整體感知、可靠傳輸和智能處理的特點(diǎn)。放射源在移動過程中通常需要罐體屏蔽輻射場。針對放射源管理不到位導(dǎo)致劑量泄露和丟失的問題，本文采用GD32F303RET6單片機(jī)作為主控MCU，結(jié)合衛(wèi)星定位，光電探測、4G通信等技術(shù)研究了一款能夠安裝在罐體表面的基于物聯(lián)網(wǎng)的放射源輻射監(jiān)測與跟蹤系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的放射源輻射監(jiān)測與跟蹤系統(tǒng)研制工作，主要分為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)測試等步驟。圖1為放射源輻射監(jiān)測與跟蹤系統(tǒng)的總體架構(gòu)。定位監(jiān)測終端設(shè)備內(nèi)含衛(wèi)星定位接收模塊、放射源劑量監(jiān)測模塊、4G通信模塊、供電模塊組成，共同完成對放射源容器的定位跟蹤、放射源容器外泄漏輻射劑量監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。其中放射源劑量監(jiān)測系統(tǒng)采用集小體積小體積的碘化銫(CsI)晶體與SiPMs硅光電倍增管于一體的探測器，具有小體積、高集成度的特點(diǎn)。4G通信模塊采用是專門服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備并實(shí)現(xiàn)低功耗和低成本的LTEUE-Category1聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。電源模塊采用的是可充電鋰離子電池。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 system structure drawing

圖2 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)Fig.2 System hardware circuit structure

1.1 衛(wèi)星定位模塊

放射源的定位信息采集采用一體式GNSS 定位模塊 N10B，該模塊具有小封裝、高性能、低功耗的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)接口使用 UART 串口通信，數(shù)據(jù)發(fā)送端(TXD)引腳與數(shù)據(jù)接收端(RXD)引腳與單片機(jī)連接，以實(shí)現(xiàn)模塊與單片機(jī)的實(shí)時(shí)通信。模塊內(nèi)部定位數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn) NMEA 0183 協(xié)議，通過串口與外部上位機(jī)通信，解析來自N10B模塊的定位數(shù)據(jù)，從而獲得當(dāng)前設(shè)備所在地理位置的經(jīng)度、緯度、海拔高度等關(guān)鍵信息。

1.2 4G通信模塊

物聯(lián)網(wǎng)通信采用的是一體式 LTE Cat1 模塊 L505。該模塊具有體積小，性能穩(wěn)定可靠，功耗低的特點(diǎn)，外部通信接口可使用UART串口通信，單片機(jī)可非常方便的通過命令控制該模塊。使用該模塊外圍僅需少量驅(qū)動電路，插入 SIM 卡后即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。

1.3 放射源劑量監(jiān)測模塊

劑量率監(jiān)測方面，本系統(tǒng)采用碘化銫(CsI)閃爍晶體與SiPMs硅光電倍增管于一體的探測器。在工作時(shí)，射線粒子打擊到閃爍晶體上時(shí)，可激發(fā)晶體的熒光效應(yīng)，產(chǎn)生一定數(shù)量的光電子，光電子經(jīng)過加著反向高壓的硅光電倍增管放大，輸出不同幅度的核脈沖，將最小脈沖幅度作為電壓比較器的比較閾值，從而捕獲絕大多數(shù)的核脈沖，通過比較器輸出為數(shù)字方波。后級使用單片機(jī)等器件對數(shù)字方波進(jìn)行計(jì)數(shù)、計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)捕獲的的方波個(gè)數(shù)，使用計(jì)數(shù)率來度量核輻射劑量率。

1.4 供電模塊

電源供電選擇的是可充電鋰離子電池，單節(jié)可充電鋰離子電池的電壓范圍一般在3.0V～4.2V。由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單片機(jī)芯片、衛(wèi)星定位模塊等大部分外設(shè)一般工作在3.3V電壓下，4G Cat1移動通信模塊的典型工作電壓在3.8V。因此采用充電管理芯片ETA6085，將電池電壓3.0V到4.2V統(tǒng)一升壓到5V輸出。然后采用兩個(gè)降壓芯片ETA3499將5V分別降壓輸出為3.3V和3.8V。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。硬件電路主要包括主控MCU、劑量采集、衛(wèi)星定位模塊、4G 通信模塊，以及 MCU 外圍電路、電源等。

2.1 衛(wèi)星定位電路設(shè)計(jì)

放射源的衛(wèi)星定位模塊電路如圖3所示，M2為衛(wèi)星定位模塊N10B模塊。14引腳即為外部有源天線供電引腳。第6引腳是備用電源輸入端，模塊第8引腳的VCC主電源停止供電，那么模塊會使用備用電源保持內(nèi)部當(dāng)前星圖，當(dāng)下一次給模塊通電運(yùn)行時(shí)，模塊會調(diào)用保持的星圖，從而可以減少首次定位的用時(shí)。圖中B3是一顆可充電鋰電池的紐扣電池，其目的是保證VCC _BACKUP備用電源不斷電。

圖3 衛(wèi)星定位模塊電路Fig.3 Satellite positioning module circuit

2.2 4G通信電路設(shè)計(jì)

放射源的4G通信模塊L505的驅(qū)動電路電路如圖4所示，由于L505的串口電平中高電平僅1.8V，而單片機(jī)的工作電壓為3.3V，可能無法直接被單片機(jī)識別，所以在圖中第1，2引腳增加一個(gè)串口電平轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)單片機(jī)的TXD端發(fā)送一個(gè)3.3V高電平到DTU_RXD_P網(wǎng)絡(luò)時(shí)，經(jīng)過R48與R49的分壓網(wǎng)絡(luò)，RXD引腳的電平被限制到1.8V，即實(shí)現(xiàn)了3.3V高電平到1.8V高電平的轉(zhuǎn)換；當(dāng)L505端需要向單片機(jī)端發(fā)出一個(gè)高電平時(shí)，L505第2引腳輸出1.8V高電平，此時(shí)Q10的基極與發(fā)射極呈現(xiàn)等電勢，Q10截止，Q10集電極連接3.3V上拉電阻所以此時(shí)Q10集電極呈現(xiàn)3.3V高電平，即實(shí)現(xiàn)了1.8V高電平到3.3V高電平的轉(zhuǎn)換。圖中J90為IPEX3帶射頻天線接口，可插接外部天線。

圖4 4G通信模塊L505驅(qū)動電路Fig.4 4G communication module L505 driver circuit

2.3 放射源檢測電路設(shè)計(jì)

放射源檢測電路需要用到一個(gè)能將3.3V電壓升壓到30V的DC-DC升壓芯片，輸出的30V用于硅光電倍增管的高壓輸入，需要一款低傳輸延遲的電壓比較器以及需要一款穩(wěn)定輸出的基準(zhǔn)電源芯片用于比較器的基準(zhǔn)電壓。如圖5所示，即為比較器基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，使用ETA5070V280NF1E芯片，將輸入電壓VCC IN的3.3 V穩(wěn)定到2.8V輸出，將此2.8V電壓作為比較器的基準(zhǔn)電壓以及核脈沖輸出的限位電壓。

圖5 比較器基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路Fig.5 Comparator reference voltage generation circuit

圖6為硅光電倍增管SiPMs高壓電路。采用LT8410芯片作為升壓芯片，通過R1、R2的阻值變化將輸入的VCC IN的3.3V電壓升壓到30V。

圖6 硅光電倍增管SiPMs高壓電路Fig.6 Silicon photomultiplier SiPMs high voltage circuit

圖7為核脈沖比較器輸出電路，D1是碘化銫(CsI)硅光電倍增管一體式探測器。將30V電壓通過一個(gè)限流電阻R4反向加壓到D1兩端，D1中的碘化銫(CsI)晶體在受到一定量的射線粒子打擊時(shí)，D1的反向端即會產(chǎn)生基于30V上的負(fù)向脈沖，由于比較器TLV7021的最大輸入電壓僅為6.5V，最大30V幅值的波形顯然無法直接輸入到比較器，此處使用C7電容將高壓核脈沖耦合到低壓區(qū)。為了省電功耗考慮，將比較器的空閑輸出設(shè)置為開漏狀態(tài)，所以前級核脈沖需要增加一個(gè)2.8V的偏置電壓，此偏置電壓同樣來源于ETA5070芯片的2.8V基準(zhǔn)電壓源。根據(jù)比較器的同相輸入端與反向輸入端電壓大小，輸出不同電平。以此完成放射源輻射劑量監(jiān)測。

圖7 核脈沖比較器輸出電路Fig.7 Nuclear pulse comparator output circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 突變感知算法設(shè)計(jì)

為了保證放射源劑量率監(jiān)測的準(zhǔn)確性，本文采用定時(shí)中斷，使用單片機(jī)內(nèi)部RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘的秒中斷觸發(fā)，固定每一秒進(jìn)入一次，進(jìn)入秒中斷后立即獲取一次外部中斷函數(shù)中的脈沖計(jì)數(shù)變量。為了計(jì)算出準(zhǔn)確的平均計(jì)數(shù)率數(shù)據(jù)，需要采集一定的數(shù)據(jù)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。如果在采集過程當(dāng)中遇到劑量率的突變，那么這些突變的數(shù)據(jù)將會被同樣記錄到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中，這些突變的“臟數(shù)據(jù)”將會嚴(yán)重影響到平均計(jì)數(shù)率的最終計(jì)算結(jié)果，所以必須提高統(tǒng)計(jì)算法對“突變”的靈敏度感知，當(dāng)“突變”發(fā)生時(shí)立即拋棄舊數(shù)據(jù)，重新采集數(shù)據(jù)基礎(chǔ)集，如此計(jì)算出的平均計(jì)數(shù)率才是可以最大程度反應(yīng)當(dāng)前實(shí)時(shí)劑量率的。如圖8，本系統(tǒng)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)正態(tài)分布中的3σ準(zhǔn)則。3σ準(zhǔn)則即是先假設(shè)計(jì)數(shù)率數(shù)據(jù)集只含有隨機(jī)誤差，對其進(jìn)行計(jì)算處理得到標(biāo)準(zhǔn)偏差 ，按一定概率確定一個(gè)區(qū)間，認(rèn)為凡超過這個(gè)區(qū)間的誤差，就不屬于隨機(jī)誤差而是粗大誤差，含有該誤差的數(shù)據(jù)應(yīng)予以剔除，在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)連續(xù)產(chǎn)生這種粗大誤差的數(shù)據(jù)時(shí)，可以認(rèn)為產(chǎn)生了劑量率“突變”，立即拋棄原數(shù)據(jù)集，采集新的數(shù)據(jù)集用于計(jì)算平均計(jì)數(shù)率，由此可以對突變做出非常靈敏的反應(yīng)。

圖8 正態(tài)分布3σ區(qū)間示意圖Fig.8 Normal distribution 3σ interval diagram

3.2 Web前端開發(fā)

圖9展示了Web前端開發(fā)出的監(jiān)控平臺的監(jiān)控面板。面板設(shè)計(jì)包含了在線設(shè)備總數(shù)顯示、注冊設(shè)備總數(shù)顯示、當(dāng)日數(shù)組總量顯示、異常報(bào)警設(shè)備顯示、地圖標(biāo)點(diǎn)顯示等。其中地圖上紫色定位圖標(biāo)即為部分設(shè)備定位點(diǎn)，當(dāng)同一地點(diǎn)設(shè)備數(shù)過多時(shí)，會合并為一個(gè)點(diǎn)顯示。

圖9 監(jiān)控平臺監(jiān)控面板Fig.9 Monitoring Platform Monitoring panel

4 系統(tǒng)測試

4.1 放射源輻射監(jiān)測模塊測試

圖10為在本底條件下，在環(huán)境劑量率無突變情況下采集127組計(jì)數(shù)率的數(shù)據(jù)變化，其中每一組代表1秒的計(jì)數(shù)率，可以看出從第0秒開始，設(shè)備可以在5秒內(nèi)大致穩(wěn)定平均計(jì)數(shù)率的輸出，且測試時(shí)間越長，輸出的平均計(jì)數(shù)率越穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表1 設(shè)備衛(wèi)星定位偏差計(jì)算表Tab.1 Calculation table of equipment satellite positioning deviation

圖10 本底計(jì)數(shù)率記錄圖表Fig.10 Background count rate recording chart

圖11是在使用銫137進(jìn)行穩(wěn)定測試時(shí)的計(jì)數(shù)率數(shù)據(jù)記錄圖表，可以看出，在計(jì)數(shù)率較高時(shí)，設(shè)備可以迅速輸出較穩(wěn)定的平均計(jì)數(shù)率數(shù)據(jù)，同樣，若該放射源的劑量率數(shù)據(jù)不發(fā)生突變，設(shè)備也是測試時(shí)間越長輸出數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，符合本文所述設(shè)計(jì)要求。

圖11 銫137放射源計(jì)數(shù)率測試Fig.11 Cesium 137 source count rate test

圖12 為加入本文所述“突變檢測算法”后的反應(yīng)效果。測試方法是：采集本底120秒，然后突然加入銫137放射源再持續(xù)采集約60秒，最后撤離放射源。可見加入該算法后，設(shè)備能夠非常靈敏的感知到環(huán)境劑量率的變化，對加入銫137放射源以及撤離放射源后，都及時(shí)感知到變化，并及時(shí)拋棄舊采集的數(shù)據(jù)集，立即采用突變后的新數(shù)據(jù)集，“突變”做出了完美反應(yīng)。效果符合預(yù)期，設(shè)計(jì)基本成功。

圖12 加入“突變檢測算法”時(shí)環(huán)境劑量率突變感知效果Fig.12 Effect of environmental dose rate mutation perception when adding "mutation detection algorithm"

4.2 定位跟蹤測試

將定位測試設(shè)備水平放置于測試車輛前擋風(fēng)玻璃下，GNSS天線處于正上方，且衛(wèi)星視野良好無遮擋并和測試后臺確認(rèn)設(shè)備數(shù)據(jù)接入正常，衛(wèi)星定位信號正常。將軌跡采集所使用的安卓手機(jī)放置在定位測試設(shè)備旁，打開GPS軌跡采集應(yīng)用，確認(rèn)衛(wèi)星信號正常。測試路線從成都市航天科工通信技術(shù)研究院出發(fā)、成都繞城高速最后返程。測試完成后，從安卓手機(jī)中導(dǎo)出記錄的GPX軌跡文件，從測試后臺導(dǎo)出測試設(shè)備測試期間定位數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對比，并進(jìn)行偏差計(jì)算。表1為設(shè)備衛(wèi)星定位偏差計(jì)算表。計(jì)算獲得定位點(diǎn)誤差小于50m的點(diǎn)個(gè)數(shù)為100%，表示設(shè)備定位誤差達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3 低功耗續(xù)航測試

試驗(yàn)室環(huán)境下，我們將設(shè)備鋰電池供電線正極線中串聯(lián)一個(gè)電流表，觀察設(shè)備在運(yùn)行中對電池的電流需求，圖13左邊為設(shè)備全功耗運(yùn)行時(shí)的耗流量，圖13右邊為設(shè)備進(jìn)入低功耗模式的耗流量。

圖13 設(shè)備全功耗運(yùn)行耗流(左)與設(shè)備低功耗運(yùn)行耗流(右)Fig.13 Full-power operation current consumption (left)and low-power operation current consumption (right)

由測試照片可見，設(shè)備全功耗運(yùn)行時(shí)電流可達(dá)100mA以上。低功耗模式下，設(shè)備整機(jī)對電池的能耗需求僅僅0.3mA，模擬實(shí)際運(yùn)輸使用場景下，使用測試車輛，搭載兩臺定位監(jiān)測終端設(shè)備，進(jìn)行長途運(yùn)輸、儲存測試，出發(fā)前將兩臺設(shè)備電量充電到100%，且檢查設(shè)備運(yùn)行良好情況，之后存放接近兩周后上路進(jìn)行測試。表2統(tǒng)計(jì)了運(yùn)輸時(shí)長、最終電量等信息。

表2 模擬實(shí)際運(yùn)輸相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Simulated actual transportation related data statistics

從測試數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)設(shè)備充電完成后，進(jìn)行了約15天的存儲存放，之后開始運(yùn)輸，運(yùn)輸約10天后，剩余電量約55%左右。由此可以推斷，本設(shè)備的電量充足情況下，完全可以支持兩次的運(yùn)輸周轉(zhuǎn)，若單純倉儲存放，則可推斷續(xù)航時(shí)間可達(dá)2個(gè)月以上。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的放射源輻射監(jiān)測與跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在放射源作業(yè)的各個(gè)階段能夠?qū)Ψ派湓吹沫h(huán)境劑量以及位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采用專門服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備4G Cat1實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；采用衛(wèi)星定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)放射源的定位與軌跡跟蹤，采用光電探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)放射源的輻射監(jiān)測，采用突變感知算法實(shí)現(xiàn)了對放射源容器外劑量率變化靈敏感知。放射源輻射監(jiān)測與跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有利于提高放射源監(jiān)控水平、降低放射源丟失、被盜等事故發(fā)生幾率，具有顯著的社會效益和應(yīng)用價(jià)值。但是也存在著一定的不足主要在沒有移動信號的地方以及在完全沒有罐體屏蔽的強(qiáng)輻射場條件下不能使用該系統(tǒng)，可以從這兩個(gè)方面作為后續(xù)系統(tǒng)完善重點(diǎn)方向。