基于ZigBee及ARM的放射源监控方案

杨鑫焱 郑浩然

摘要：随着我国经济与科技的高速发展，核安全日益受到国内外各界的广泛关注。加强对放射源的监控也逐渐成为大家的共识。根据对放射源的监控需求，提出了一种基于ZigBee和ARM的放射源监控方案。该方案旨在对现场的放射源进行实时自动监测，并通过ZigBee传感网、以太网、GSM网络等多种通信方式，将数据上传到本地或远程的放射源监控系统，以实现对放射源的有效监管。

关键词：ZigBee；放射源监控；ARM

DOIDOI：10.11907/rjdk.161564

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2016）005-0155-02

1 放射源监控方案硬件选择

1.1 处理器选择

1.1.1 CC2530

CC2530是一种用于WSN（无线传感网）的SoC（片上系统）解决方案，其被广泛应用于基于ZigBee、RF4CE及IEEE802.15.4通讯协议的通讯方式中。

CC2530支持的组网方式主要包含静态组网和动态组网，动态组网中又包含自组网等方式。其中，Z-Stack是一种较为成熟的动态自组网解决方案。在组网方面，本文中的ZigBee和ARM的混合型放射源监控方案采用静态组网方式。该方案采用一个协调器、多个终端节点的方式进行数据传输，能够有效减少网络带宽及数据包产生发送冲突的概率。

为了适应更为复杂的网络环境及拓扑变化，针对不同应用，可以采用不同的ZigBee组网方式，如通过使用Z-Stack协议栈进行自组网。

由于核辐射现场通常环境较为复杂，而ZigBee能够适用于较为复杂的场地，因此CC2530能够满足本文方案中的数据传输要求。同时，CC2530具有两个串口，能够满足本文中的图像采集与辐射量的采集要求，故选用CC2530作为本硬件系统中的一部分。

1.1.2 STM32F107VCT6

STM32是一款基于ARM Cortex-M的32位微控制器。该系列微控制器为MCU的开发者提供了多种新的开发方式。该系列微控制器具有高性能、实时性、DSP、低功耗、低电压及易于开发等特点。

本文硬件设计中所使用的STM32F107VCT6微控制器，具有5个串口、2个I2C接口、2个12位AD转换器、2个12位DA转换器及以太网通讯模块等，能够满足本方案硬件设计需求。

STM32F107VCT6微控制器在本系统中的作用主要是对放射源数据进行采集及转换。同时，由于本方案中使用以太网及GPRS模块等，使得STM32F107VCT6微控制器能够将数据传输至远程服务器。

1.2 核辐射检测模块

盖革计数器全称为盖革-米勒计数器，是一种探测电离辐射强度的专用设备。盖革计数器是根据放射源对金属管内稀有气体的电离性质这一特性而设计，当有高速粒子进入盖革计数器时，会由于上述电离性质而产生一个脉冲信号[1]，辐射量越高，脉冲的频率也会越高。通过对一段时间内所产生的脉冲进行计数并分析，能够计算出该段时间内当地的辐射量情况。

本硬件系统中所使用到的盖革计数器模块部分将与STM32F107VCT6微控制器的输入捕捉引脚相连接，并通过中断的方式，由STM32F107VCT6微控制器负责对盖革计数器传来的脉冲进行计数与分析[2]。经分析得到的辐射量转换结果，将通过STM32F107VCT6的串口，传输给与该串口相连的ZigBee终端节点[3]，再由ZigBee终端节点负责将数据传回至ZigBee协调器，最终传给本地服务器。当网络情况理想时，也能通过以太网等方式进行数据回传。

1.3 实时图像监控模块

串口摄像头又称为JPEG摄像头，具有图像采集、自动编码并将图片保存在缓存中的功能，在图像采集系统中有着广泛应用。串口摄像头通过串口线与其它设备进行连接，具有操作简便、易于扩展等特点。同时，串口摄像头与其它类型的摄像头相比，能够适应更多的复杂场景。当前，随着物联网技术的高速发展，串口摄像头在环境监控、工业控制等方面起着越来越重要的作用。

硬件系统中的232串口摄像头通过串口与ZigBee的CC2530微处理器的串口相连接，由上位机主动将拍照命令发送给ZigBee协调器，并由ZigBee协调器将拍照命令传给ZigBee终端节点。ZigBee终端节点在收到命令后，将该命令转换成232串口摄像头的相应操作指令，以控制232串口摄像头，并将串口摄像头的数据传回到ZigBee协调器节点，最终通过ZigBee协调器的串口将JPEG数据回传给本地的上位机。

由于上位机采用主动发送拍照命令的策略，且本方案中采用ZigBee静态组网方式，因此能够有效减少因传输图像数据所造成的网络拥塞等情况。

2 放射源监控方案硬件系统组成

2.1 终端采集设备

（1）带有盖革计数器的STM32F107VCT6微控制器。该类型设备能够适应网络情形较好的场所，其通过以太网、GPRS通讯等方式，将采集到的放射源数据实时传回到远程服务器中。

（2）CC2530微控制器与STM32F107的混合型设备。该类型能够适应网络环境较为复杂的场所，当放射源监控地点无法使用以太网，且GPRS信号不理想时，数据回传将会是一个问题。本文提出的ZigBee、以太网、GPRS混合型解决方案，能够在现场没有以太网和GPRS信号时，通过ZigBee网络将数据传输给本地服务器，从而有效解决短距离内放射源监控数据无法回传的问题。当放射源监控地点的网络情形较好时，使用该方案不仅能够通过ZigBee传感网将辐射量的数据传输至本地服务器，同时也能通过以太网或GPRS网络将辐射量的数据传输至远程服务器，实现本地与远程同时监控的效果，极大提高本系统的可用性。

2.2 协调器

本文的ZigBee协调器主要针对上述第2种设备，即CC2530与STM32F107VCT6的混合型设备，如图1所示。

ZigBee协调器负责与ZigBee终端节点进行通讯，以获得ZigBee终端节点所采集的辐射量信息及现场实时图像，并将这些信息传回给本地服务器，由本地服务器作进一步分析与操作。

除了根据本地服务器的拍照命令上传图像外，ZigBee协调器也支持命令透传的功能，用于将本地服务器的命令直接转发给目标ZigBee终端节点，由ZigBee终端节点对所接收到的数据进行解释，再将反馈结果通过ZigBee协调器返回给本地服务器，如图2所示。

3 数据传输方式比较

本方案所使用的3种数据传输方式比较如表1所示。

（1）基于以太网的传输方式。该种传输方式对现场环境有较高要求。在一些复杂的场景下，可能遇到难以布线或路由难以配置的情况。

（2）基于GSM网络的传输方式。GSM网络的网络容量大，信号稳定不易受到干扰。但在部分信号未覆盖的地区会导致通信失败。并且，GSM网络需要收费，当通讯设备众多时，就不得不考虑使用GSM网络所带来的额外开销。

（3）基于ZigBee传感网的通讯方式。该种通讯方式下的ZigBee节点能够自组网且设备间的通信完全免费，能够适应缺少以太网及没有GSM信号的多数场合。但该种方式的通讯距离比较近，仅适合短距离传输。

本文提出的放射源监控方案将以太网、GSM网络、ZigBee传感网混合使用，整合了各自优点，能够使该系统适应多种复杂的环境，极大提高了传输的可达性与可靠性。

4 结语

本文提出的方案能够对放射源进行有效的数据采集与处理，并实现多种方式的数据传输，同时能够传回现场实时图像，有良好的应用价值。与现有的放射源监控系统相比，本文方案具有一定优势。先前的数据传输方案大都仅仅基于某一种网络进行传输，没有考虑到不同的网络状况[4-6]，而本文设计方案简单、易于理解，且便于在原有方案的基础上进行设备升级。

本文提出的基于ZigBee和ARM的放射源监控方案，满足了现场对于核辐射监控的需求，能够应用于与监控相关的多数行业，易于移植与修改，应用前景较好。

参考文献：

[1]赵翔.多用途辐射剂量无线报警仪的研究及应用[D].成都：成都理工大学，2011.

[2]赵孝文，徐晓秋，秦国辉，等.基于ARM的核辐射测控系统[J].自动化技术与应用，2011（4）：111-113.

[3]高杰，喻魁兰.基于串口通信核辐射检测仪前端系统设计[J].江西通信科技，2012（4）：25-28.

[4]陈永红，张大发，江玮，等.无线传感器网络在核电站人员辐射剂量监测中的应用研究[J].核科学与工程，2007（4）：355-358.

[5]陈琛，刘冲，李志阳，等.Zigbee技术在核辐射环境监测中的应用[J].电子技术，2014（2）：12-14，11.

[6]吴龙雄.基于GSM及以太网的区域γ监测系统的研制[D].衡阳：南华大学，2010.

（责任编辑：孙 娟）