基于ZigBee无线网络的核辐射监测系统设计

宋逢泉, 岳 建, 张占亮, 张 旭, 何晓雄

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230009)



基于ZigBee无线网络的核辐射监测系统设计

宋逢泉, 岳 建, 张占亮, 张 旭, 何晓雄

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230009)

文章提出了一套基于ZigBee无线传感器网络的核辐射监测系统的设计方案。以CC2530芯片为核心,通过核辐射探测器终端节点与ZigBee协调器的无线通信,实时采集并无线传输多个节点位置的核辐射剂量率信息,实现了对一定区域核辐射剂量水平的自动远程监测。该系统具有性能稳定、组网灵活、布置方便以及低成本、低功耗等优点,在测试试验中达到了设计要求。

ZigBee无线传感器;核辐射监测;协调器;剂量率

0 引 言

近年来,随着人类核电事业的发展和核技术在各行业的广泛应用,核安全问题越来越受到社会的关注。在此背景下,建立一个准确可靠、可快速部署的核辐射无线监测网络,自动实时监测生活区域内的辐射剂量水平,对于保障全社会的核安全具有重要意义[1]。

ZigBee技术是一种基于IEEE 802.15.4标准的新型短距离无线通信技术,其优点是组网灵活、结构简单、功耗小、成本低[2]。本文将ZigBee技术应用于构建核辐射无线监测网络,设计并搭建了一套基于ZigBee无线传感器网络的生活区域核辐射监测系统,并开展了初步的测试试验。测试结果与生活环境本底剂量率的已知数据[3]0.1 μSv/h基本一致,表明该系统运行效果良好,达到了设计要求。

1 系统总体结构

基于ZigBee无线传感网络的核辐射监测系统的总体结构如图1所示。

系统由上位机监控平台、协调器以及多个传感器终端节点构成。每个传感器终端节点均使用1个盖革计数管作为辐射剂量数据的采集元件,可同时监测生活区域内多个不同位置的辐射剂量率数据,并通过ZigBee无线网络模块与协调器进行通信,协调器通过RS232串口通讯连接到上位机监控平台。上位机监控平台可将各传感器终端节点传送的数据进行存储、整合与分析,实时显示各监测位置处的辐射剂量率数值,以便实施辐射剂量水平的监控和查询。

图1 系统总体结构

2 系统硬件设计

2.1 传感器模块

本文系统所监测的辐射剂量信息是通过每个终端节点的传感器模块获取的,终端节点硬件结构如图2所示,传感器模块由G-M管(盖革计数管)[4]及辅助电路组成。

G-M管是一种气体探测器,具有灵敏度高、输出电荷量大、脉冲幅度大、稳定性高、价格便宜以及使用方便等特点。因此,在本文系统设计中采用G-M管作为核辐射信息的探测器。

在G-M管的阴极和阳极之间加上适当的工作电压后,管内形成柱形对称电场。当环境中的辐射射线粒子进入G-M管后,管内的惰性气体被电离,负离子由阳极吸引并移向阳极,与其他气体分子碰撞后产生多个次级电子,快到阳极时次级电子急剧倍增产生雪崩现象,发生放电并输出脉冲信号。入射辐射射线的粒子束强度越强,单位时间内输出的脉冲个数就越多。

图2 终端节点硬件结构

G-M管及辅助电路的原理如图3所示,G-M管输出的脉冲信号经过放大和整形后,接入R23和R24的公共端,可获得理想的方波脉冲,并输出至终端节点中的CC2530处理器模块进行计数,然后发送至协调器,由协调器传输到上位机进行计算,从而得到辐射剂量率。

图3 G-M管电路原理图

2.2 主控模块

CC2530是专门针对IEEE 802.15.4和ZigBee应用的单芯片系统,它结合了RF(radio frequency)收发器和增强型8051微控制器的优良性能,并利用ZigBee协议栈,提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案[5]。

CC2530的芯片引脚[6]如图4所示。将G-M管电路原理图中的INT引脚与图4中CC2530的p0-1引脚连接,通过对节点进行编程,即可实现CC2530对于G-M管电路输出方波脉冲的计数。另外,CC2530具有一个IEEE802.15.4兼容无线收发器,RF内核控制模拟无线模块,用于实现与协调器的ZigBee无线组网[5]。

图4 CC2530芯片引脚

3 系统软件设计

3.1 终端节点的软件设计

传感器终端节点中的探测器模块主要负责采集辐射剂量数据,所采集的数据由CC2530模块以字符串的形式实时送达协调器,并完成协调器发来的指令[7]。

系统启动后先进行硬件和协议栈的初始化,然后开始信道扫描并加入协调器组建的无线网络,入网成功后各节点进行绑定且开始采集辐射剂量信息,将数据发送给协调器,终端节点的流程图如图5所示。

图5 终端节点流程图

3.2 上位机软件设计

上位机监控平台的主要功能有数据存储、数据显示、曲线图显示和历史数据查询等,以Windows 8.1操作系统为开发平台,采用C#语言在Visual Studio 2012环境下编程实现,分别使用 Serial Port 类和Thread 类进行串口通信和多线程编程,使用Listview控件和TeeChart控件编写辐射剂量率数据显示界面和曲线显示界面;数据存储使用Access数据库,利用DataGridView控件引入命名空间,并构建链接信息及结构化查询语言(structured query language,SQL)语句,将数据传给显示窗体对象实现数据显示。上位机通过串口接收节点采集的数据后,进行辐射剂量率数据的处理转换,并将实时的辐射剂量率数值动态显示在监控平台的窗口表格中。上位机软件显示界面如图6所示。

图6 上位机软件显示界面

3.3 数据收发和串口通讯子程序

终端节点发送数据可直接调用AF_DataRequest()函数实现,方法如下:

AF_DataRequest(&GenericApp_DstAddr,&GenericApp_epDesc,GENERICAPP_CLUSTERID,(byte)osal_strlen(theMessageData)+1,(byte*)&theMessageData, &GenericApp_TransID, AF_DISCV_ROUTE, AF_DEFAULT_RADIUS)。

协调器接收到终端节点发送的数据后,首先操作系统抽象层(operating system abstraction layer,OSAL)将其封装成消息,每个消息都有其ID,加入消息队列,然后使用osal_msg receive()函数,从消息队列接收消息,再调用GenericApp_MessageMSGCB()函数,完成对接收数据的处理。另外,调用osal_memcpy()函数,拷贝数据到buffer数组,将数据通过串口使用HalUARTWrite()函数发送到上位机[8]。

4 测试实验与分析

4.1 生活环境本底辐射测试

为了验证系统设计方案的可行性,在合肥工业大学学生宿舍楼内设置了3个终端节点进行ZigBee无线组网测试试验,3个节点的辐射剂量率测量数据分别为0.085、0.081、0.082μSv/h,与已知的环境本底辐射剂量率数据0.1 μSv/h基本一致[3],表明本文系统运行效果良好,达到了设计要求。

4.2 通讯距离测试

为验证本系统方案可实现的最大监测范围,分别选择宿舍楼道、校园内的树林和足球场等不同生活环境场所,进行了ZigBee无线网络通讯距离的测试试验,并通过修改ZigBee终端节点的发射功率函数macRadioUpdateTxPower(),实现不同的发射功率值,测试结果见表1所列。

表1 不同发射功率下的传输距离 m

通过分析表1中的数据可知,相同发射功率下,空旷足球场的通讯距离最远,其次为树林里,传输距离最近的是楼道内。主要原因为:足球场比较空旷,也没有信号干扰,故通讯距离最远;树林中的树木对电磁波信号有一定的吸收和反射作用,而其他电磁干扰较小,故通讯距离次之;宿舍楼道里有各种电子设备,WiFi信号和各类电磁信号对ZigBee信号造成干扰,故通讯距离最近。另外,从表1中也可以发现,随着发射功率的降低,通讯距离也随之降低。

因此,在实际部署基于ZigBee无线传感器网络的核辐射监测系统时,需要综合考虑节点能耗、通讯距离和组网密度,根据不同环境下的具体要求,采用最合理的发射功率,既保证降低能耗,延长节点寿命,又最大限度地降低网络密度以节约成本。

5 结 论

本文研究了基于ZigBee无线网络的核辐射监测系统的设计与实现,初步完成了系统的方案设计和组装调试,并实现了ZigBee无线组网的测试试验。测试结果表明,系统整体运行稳定、数据采集准确,达到了设计要求,可实现对生活环境中各个探测节点核辐射剂量信息的实时监测。

[1] 王志伟.基于WSN的辐射环境智能移动监测系统[D].南京:南京信息工程大学,2014.

[2] 张睿,刘志刚,赵艳华.基于TETRA与ZigBee的无线传感器网络研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2010,33(3):372-375.

[3] 仝华梓.无线自组网辐射剂量监测系统研究[D].青岛:青岛科技大学,2014.

[4] 吕志信.基于MSP430单片机的辐射剂量仪研究[D].太原:太原理工大学,2011:22-25.

[5] 王凯强,陈光,刘洋,等.基于ZigBee无线组网的SF6在线监测系统设计[J].传感器与微系统,2016,35(3):64-66.

[6] 杜军朝,刘慧,刘传益,等.ZigBee技术原理与实战[M].北京:机械工业出版社,2014:152-153.

[7] 陈探,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,2014,43(2):11-14.

[8] 王小强,欧阳骏,黄宁淋.ZigBee无线传感网络设计与实现[M].北京:化学工业出版社,2012:102-103.

(责任编辑 胡亚敏)

Design of nuclear radiation monitoring system based on ZigBee wireless sensor network

SONG Fengquan, YUE Jian, ZHANG Zhanliang, ZHANG Xu, HE Xiaoxiong

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Based on ZigBee wireless sensor network technology, a design scheme of nuclear radiation monitoring system is proposed. A CC2530 chip is used as the core， and through the communication between the terminal nodes of nuclear radiation detector and the ZigBee coordinator, the value of radiation dose rate in each node position is measured and transferred in real time. Then the level of nuclear radiation dose in a certain area can be monitored automatically and remotely. The system has advantages of performance stability, networking flexibility, convenient arrangement, low cost and power consumption. The results of test experiments show that the system meets the design requirements.

ZigBee; wireless sensor； nuclear radiation monitoring; coordinator; radiation dose rate

2015-06-30；

2015-08-15

合肥工业大学博士学位专项资助基金资助项目(J2014HGBZ0122);安徽省大学生创新创业训练计划资助项目(2015CXCYS045)

宋逢泉(1975-),男,安徽合肥人,博士,合肥工业大学讲师; 何晓雄(1956-),男,安徽宿松人,合肥工业大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.014

TN92

A

1003-5060(2016)11-1505-04