王先賀，吳偉軍，劉金堯，沈長楓，王亞欣，黃亮，杜一濱，王宇瑩

（核工業(yè)航測遙感中心，河北石家莊，050011）

0 引言

隨著核工程技術(shù)的不斷發(fā)展，核技術(shù)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療等領(lǐng)域，使用核設(shè)備的實驗場所越來越多，放射性污染所造成的影響危害著人們的身體健康，且輻射量超標會對人體造成嚴重的損害[1]。為了在輻射事故中，能夠迅速地對放射性物質(zhì)進行檢測，γ 輻射監(jiān)測技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域有著獨特的優(yōu)勢[2]。在γ 輻射監(jiān)測過程中，γ 射線對人體的傷害是不可逆的，為了減少γ 射線對人體的照射，本文設(shè)計了一種基于LORA 在線式γ 輻射監(jiān)測系統(tǒng)。

γ射線是一種基于原子核的衰變而被釋放的電磁輻射，是最為關(guān)注的輻射之一[3]。它具有極強的穿透力，照射后會對生物體產(chǎn)生比較嚴重的損傷。在有射線的場合放置γ 輻射監(jiān)測儀進行在線、實時監(jiān)測，既能保障輻射監(jiān)測的科學(xué)性、合理性，又能嚴格控制檢測人員的受照，保障工作人員的生命健康安全[4]。

目前，在傳統(tǒng)γ 輻射監(jiān)測領(lǐng)域，多為有線核輻射監(jiān)測手段，通過工作人員的現(xiàn)場記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)，操作繁瑣，工作效率低下，且無法保障工作人員的健康安全[5]。傳統(tǒng)的有線核輻射監(jiān)測手段移動性差、部署維修困難，在強輻射場所，工作人員無法長時間現(xiàn)場監(jiān)測，設(shè)備部署困難。而無線通信技術(shù)傳輸距離長，使用方便安全，便于維護，可有效解決有線輻射監(jiān)測存在的問題。

針對以上問題，在傳統(tǒng)γ 輻射監(jiān)測儀的基礎(chǔ)上進行了改進，設(shè)計了一種基于LORA 在線式γ 輻射監(jiān)測系統(tǒng)。本文提出了整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理技術(shù)，構(gòu)建了完善的γ 輻射監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動化監(jiān)測，這對于工業(yè)環(huán)境輻射監(jiān)測非常有意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測量原理

γ 輻射監(jiān)測系統(tǒng)由碘化鈉探測器、信號采集電路、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、LORA 無線傳輸模塊、上位機軟件組成，信號采集電路包括信號提取、整形濾波和信號甄別電路等；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用單片機控制器實現(xiàn)系統(tǒng)整體控制；LORA 無線傳輸模塊和上位機軟件實現(xiàn)遠程人機交互。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于碘化鈉探測器的測量原理是：γ 射線進入晶體后與之發(fā)生相互作用，被電離和激發(fā)的晶體的原子、分子退激時發(fā)射出閃爍光子[6]，這些閃爍光子由光導(dǎo)和光學(xué)耦合劑到達光電倍增管的光陰極，通過光電效應(yīng)發(fā)射光電子，光電子在倍增管中倍增，最后在陽極收集形成電子流，從而產(chǎn)生脈沖信號[7]。

電脈沖信號[8]到達后，首先通過前置放大電路、極零相消電路、放大濾波電路以及基線恢復(fù)電路對碘化鈉探測器輸出的電脈沖信號進行放大、成形、濾波[9]等處理，得到準高斯波形，然后利用單片機對脈沖信號進行捕獲，然后立即進行脈沖信號峰值判斷，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對脈沖信號進行連續(xù)不間斷采樣，完成輻射探測。利用LORA 無線通信技術(shù)將探測數(shù)據(jù)傳輸至上位機。硬件電路框圖如圖2 所示。

圖2 硬件電路圖

2 無線通信技術(shù)

遠距離無線電技術(shù)[10]是一種物聯(lián)網(wǎng)接入層網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，具有通信距離遠、組網(wǎng)方便、抗干擾能力強的特點。本文選擇了ATK-LORA-02 模塊與上位機通信，ATK-LORA-02具有體積小、低功耗、靈敏度高的特點，其通信距離可達3000m。該模塊的工作電壓為3.3V/5V，靜態(tài)電流為2.3μA，發(fā)射電流為118mA，接收電流17mA，最大發(fā)射功率為100mW。模塊的尺寸為24mm×17mm，如圖3 所示。

圖3 ATK-LORA-02 模塊外觀圖

LoRa 模塊通過6 個引腳同外部電路連接，分別為MD0、AUX、RXD、TXD、GND 和VCC，ATK-LORA-02 與單片機的電氣連接圖如圖4 所示。配置MD0 即可進入?yún)?shù)設(shè)置；AUX 用于指示模塊的工作狀態(tài)；RXD 為TTL 串口輸入，需要連接到外部的TXD 輸出引腳；TXD 為TTL 串口輸出，需要連接到外部RXD 輸入引腳。LoRa 模塊為TTL 電平，需要與TTL 電平的MCU 相連接。MD0、AUX 引腳懸空，即處于低電平。

圖4 ATK-LORA-02 與單片機的電氣連接圖

ATK-LORA-02 模塊數(shù)據(jù)發(fā)射與接收協(xié)議[11]如下：模塊發(fā)射無線數(shù)據(jù)包長度為58 字節(jié)，當系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)達到58字節(jié)時，模塊將啟動無線發(fā)射，此時用戶可以繼續(xù)輸入需要發(fā)射的數(shù)據(jù)，當系統(tǒng)需要傳輸?shù)淖止?jié)小于58 字節(jié)時，模塊等待1 個字節(jié)時間，若無系統(tǒng)數(shù)據(jù)繼續(xù)輸入，則認為數(shù)據(jù)終止，此時模塊將所有數(shù)據(jù)包經(jīng)無線發(fā)出，當模塊開始發(fā)送第一包用戶數(shù)據(jù)時，AUX 引腳將輸出高電平，2-3ms 延遲后，開始將無線數(shù)據(jù)通過串口TXD 引腳發(fā)出，當模塊把所有數(shù)據(jù)通過RF 芯片并啟動發(fā)射后，AUX 輸出低電平，此時表明最后一包無線數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)射完畢[12]。

LoRa 模塊包括發(fā)送模塊和接收模塊[13]，發(fā)送模塊與單片機串口連接，LoRa 接收模塊通過USB 轉(zhuǎn)TTL 模塊與電腦連接，USB 轉(zhuǎn)TTL 模塊可以將串口TTL 電平轉(zhuǎn)成USB 信號，采用全雙工通信方式與電腦通信，可將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機軟件，LoRa 接收模塊與上位機連接圖如圖5 所示。模塊與電腦的連接保持串口波特率為“115200”、停止位“1”、數(shù)據(jù)位“8”、奇偶檢驗位“無”，若要實現(xiàn)上位機下位機的通訊，需要保證上位機與配置模塊的串口參數(shù)波特率和檢驗位一致。

圖5 LoRa 接收模塊與上位機連接圖

單片機通過LoRa 模塊與上位機通信，通信方式是串口通信[14]，首先要設(shè)置好ATK-LORA-02 的模塊地址、通信信道、發(fā)射功率和通信模式，本文設(shè)置的模塊地址為0，通信信道為21，發(fā)射功率為20dBm，工作模式為一般模式、透明傳輸[15]。ATK-LORA 在參數(shù)配置過程中，根據(jù)實際情況進行參數(shù)配置。在“參數(shù)配置”下，模塊必須工作在“配置功能”（AUX=0 空閑狀態(tài)，MD0=1 進入此功能）。無線收發(fā)數(shù)據(jù)，模塊必須工作在“通信功能”（AUX=0 空閑狀態(tài)，MD0=0 進入此功能）。配置流程如圖6 所示。

圖6 ATK-LORA-02 模塊配置流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括單片機程序設(shè)計和上位機程序設(shè)計。單片機選用的是STM32F103RCT6 處理器，內(nèi)有32 位Cortex的ARM 微控制器，多個可供使用的IO 端口，可進行串行通信。單片機程序設(shè)計主要包括對采集到的信號進行處理、存儲以及數(shù)據(jù)傳輸，單片機對數(shù)字信號進行濾波和降噪等處理后，利用SPI 串行通信將數(shù)據(jù)存儲在FLASH 存儲器中，再將數(shù)據(jù)裝幀成數(shù)據(jù)包，通過LORA 無線通信模塊傳輸至上位機軟件。

為了實時控制γ 輻射監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)并對探測器采集的數(shù)據(jù)進行直觀的顯示，本文基于C++面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計制作了上位機分析軟件。上位機整體設(shè)計結(jié)構(gòu)包括：串口通信、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)界面顯示、訪問數(shù)據(jù)庫?？蓪⒉杉降臄?shù)據(jù)以表格、曲線、圖形等直觀的形式顯示出來，同時完成后臺的同步存儲。上位機界面如圖7 所示。

圖7 上位機軟件界面圖

下位機通電之后，單片機初始化完畢后就進入待機狀態(tài)，連續(xù)檢測上位機是否有指令傳輸。如果沒有，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，直到單片機的數(shù)據(jù)包傳送過來，便立即對單片機傳來的數(shù)據(jù)包進行解析。首先要判斷數(shù)據(jù)包格式是否為按照自定義的協(xié)議。如果不符合自定義協(xié)議，那就說明這是一個錯誤的數(shù)據(jù)，將其去除。如果符合協(xié)議，則開始解析這個數(shù)據(jù)，并再進行打包，反饋給上位機。上位機接收到信息后更新界面數(shù)據(jù)，可以在上位機上可以讀取計數(shù)率數(shù)據(jù)和相應(yīng)曲線，還可以顯示時間和以往數(shù)據(jù)等信息。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

4 實驗結(jié)果及分析

γ 輻射監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)過程中，為了對系統(tǒng)性能進行測試，在本底環(huán)境下和標準源之一銫源（137Cs）環(huán)境下，測試了監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性指標，并與AF-T 輻射測量儀進行了試驗對比。

開啟儀器后，打開上位機，點擊通訊界面-“搜索串口”按鈕，搜索可用串口，按鈕下方的下拉列表框出現(xiàn)可用的端口號，選擇好對應(yīng)的端口號后，點擊“打開串口”按鈕，連接串口，建立通訊連接。先讓儀器預(yù)熱半小時，待穩(wěn)定后，分別在本底環(huán)境下和標準源之一銫源（137Cs）進行測試，每分鐘測量1 組數(shù)，共測量10 組，記錄結(jié)果，再利用下面公式計算儀器的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性結(jié)果如表1 所示。

表1 試驗對比測試

儀器的穩(wěn)定性δ計算公式：

式中：δ為儀器的穩(wěn)定性；Nj為第j組測量結(jié)果，單位為計數(shù)每秒（s-1）； 為第n組測量結(jié)果的算術(shù)平均值，單位為計數(shù)每秒（s-1）。

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，γ 輻射監(jiān)測系統(tǒng)的測試結(jié)果穩(wěn)定性在2%以內(nèi)，說明測量數(shù)據(jù)波動不大，測量系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

將γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)與AF-T輻射測量儀進行了試驗對比，在本底環(huán)境下和標準源之一銫源（137Cs）環(huán)境下分別測量了10 組數(shù)據(jù)，求取平均值，并以檢定合格的AF-T 輻射測量儀為測量基準，進行了誤差分析，如表2 所示。

表2 誤差分析結(jié)果

從誤差分析結(jié)果可知，在兩種測量環(huán)境下最大相對測量誤差為2.9%，試驗結(jié)果表明：在相同環(huán)境下γ 輻射監(jiān)測系統(tǒng)與AF-T 輻射測量儀的測量結(jié)果相近，具有一定的實際應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

為了實現(xiàn)γ 輻射監(jiān)測領(lǐng)域的遠程測量，減少監(jiān)測過程中γ 射線對人體的照射，本文介紹了一種基于LORA 在線式γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)，基于碘化鈉探測器對γ 射線進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)LORA 無線通信技術(shù)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至上位機，實現(xiàn)了遠程監(jiān)測。并做了對比試驗，經(jīng)過實驗表明：該系統(tǒng)實現(xiàn)了γ射線監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸和可視化實時監(jiān)測，相對固有誤差小于3%，且運行穩(wěn)定、實時性高，具有一定的使用價值。