基于Wi—Fi的便携式γ剂量率仪的无线通讯设备的研制

颜华 朱月龙 谷韶中

【摘 要】环境γ剂量率在秦山核电的常规环境监测和应急环境监测是必开展的重要测量项目之一，特别在应急环境监测中，γ剂量率数据为应急决策和验证事故后果评价结果提供重要的参考。通过设计和制作基于Wi-Fi的便携式γ剂量率仪的无线通讯设备，在执行常规环境监测、应急环境监测的陆域环境巡测时，使秦山核电具备定点γ剂量率数据实时自动传输至应急控制中心的能力，提高了数据传输的及时性、准确性。该无线通讯设备自2014年研制完后并投入使用，在近5年的使用状况良好。

【关键词】无线数据传输；秦山核电；辐射环境监测；γ剂量率

中图分类号： TN92 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）33-0010-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.004

【Abstract】Environmental gamma dose rate is one of the important measurement items to be carried out in the routine environmental monitoring and emergency environmental monitoring of Qinshan Nuclear Power Plant. Especially in emergency environmental monitoring， the gamma dose rate data provide important reference for emergency decision-making and verification of accident consequence evaluation results. Through the design and manufacture of wireless communication equipment based on Wi-Fi portable gamma dose rate meter， Qinshan Nuclear Power Station has the ability of real-time automatic transmission of fixed-point gamma dose rate data to emergency control center， which improves the timeliness and accuracy of data transmission during the land environmental patrol of routine environmental monitoring and emergency environmental monitoring. The wireless communication equipment has been put into use since it was developed in 2014， and has been in good use in the past 5 years.

【Key words】Wireless data transmission； Qinshan nuclear power； Radiation environmental monitoring； Gamma dose rate

0 引言

核電厂在事故工况下开展必要的应急辐射环境监测，为核电厂及其周边环境质量评价提供现场监测数据，判断事故发展趋势，评价辐射影响后果，判定受影响区域范围，为应急决策提供技术支持。

环境γ剂量率作为应急环境监测中重要项目之一，对于环境辐射评价和事故边界的确定有重要技术参考。目前秦山核电采用德国Automess的6150AD-b用于开展常规环境监测和应急环境监测的环境γ剂量率测量工作。该便携式γ剂量率仪接口为半月形6芯接口，可通过串口和蓝牙与电脑连接，串口通讯距离受数据线长度限制且不方便，蓝牙通讯的有效传输物理范围有限，且易受车辆和地形的影响。为大大提高数据传输距离和数据传输的稳定性，通过基于802.11b/g/n协议的无线传输系统，实现长距离数据无线传输，确保γ剂量率仪的测量数据实时自动不间断传送车载电脑，最终为应急防护行动决策提供数据支持，同时也为减少核事故工况下应急环境监测队员在应急监测车外的暴露时间，以减少环境监测队员在车外开展环境监测时受到的照射剂量。由于市场上目前没有适用于便携式γ剂量率仪的Wi-Fi设备，本文将研制基于Wi-Fi的便携式γ剂量率仪的无线通讯设备。

1 Wi-Fi传输技术的优越性

Wi-Fi是一种无线通信协议，即IEEE802.11协议，主要为提供WLAN接入，工作频率为2.4GHz，在传输速率方面，802.11b、802.11g的传输最高速率分别为11Mbps、54Mbps，802.11n可以将WLAN的传输速率提高到300Mbps甚至600Mbps[1]。工作频率同样为2.4GHz的蓝牙，作为一种电缆替代技术，主要用于通信和信息设备的无线连接，传输速率为1Mb/s[2]。

在传输距离方面，Wi-Fi的覆盖范围广，有效物理范围至少为100米，蓝牙传输的有效物理范围大约为10米。

2 设备方案设计

由于γ剂量率仪配置的蓝牙设备传输有效物理范围为10米，Wi-Fi在传输距离和传输速率方面较蓝牙有较大优势，为大大提高数据传输距离和数据传输的稳定性，故考虑将γ剂量率仪数据信号转换成Wi-Fi信号，建立一个无线局域网，车载电脑通过该无线局域网连接到γ剂量率仪，获取、保存、实时上传剂量率仪数据。

基于Wi-Fi的便携式γ剂量率仪的无线通讯设备由四部分组成，分别为Wi-Fi芯片、电源供电、电压匹配、γ剂量率数据信号协议处理。

2.1 Wi-Fi芯片

Wi-Fi芯片是便携式γ剂量率仪无线设备的核心。Wi-Fi芯片有板载芯片天线和外接天线两种形式。经过查阅资料，选购了WIFI232A和WIFI232B两种芯片，启动时间为6s，输入电压为3.3V，输入电流为170mA～300mA，信号输入为TTL电平，其中A型号为内置板载天线版，传输距离为150米，B型号为外置天线版，传输距离为400米。经过实际测试，二种版本天线的Wi-Fi芯片的传输有效物理范围均能满足100米的要求，为缩小研制的设备体积，此次研制的无线通讯设备采用内置板载天线的Wi-Fi芯片。

2.2 电源供电

因Wi-Fi设备的耗电较蓝牙设备偏大，电源供电是该便携式γ剂量率仪无线设备续航的关键。此次电源供电采用外置电源和剂量率仪的干电池两种不同方式的供电，且可自由切换，外置供电为主要供电方式，剂量率仪的干电池供电只是作为一种备用供电方式。

考虑便携性，外置电源可采用充电宝，在正常情况下，优先采用外置电源给γ剂量率无线设备供电，以实现在不影响便携式γ剂量率仪续航的同时而提高γ剂量率仪数据传输距离和数据传输的稳定性。在无外置电源或外置电源耗尽情况下，采用γ剂量率仪的干电池给γ剂量率仪无线通信设备供电，以保证剂量率仪数据的有效传输。

2.3 電压匹配

采用充电宝的外置电源，输出电源电压为5V；γ剂量率仪采用9V干电池供电，经6150AD主机设备后，γ剂量率仪接口输出电源电压为4.75V，Wi-Fi芯片的电源输入电压为3.3V，因三者电源电压的不匹配，故需对供电电源电压进行电压匹配处理。为使电压匹配具有良好的安全性和稳定性，且使用方便，采用芯片进行直流电源降压，以使三者电源电压相匹配。

经过大量查阅资料与调研，决定采用AMS1117-3.3芯片进行直流降压。AMS1117-3.3是一种输出电压为3.3V的正向低压降稳压器，当输入电压为4.75V～12V、输入电流为0～1A时，输出电压为3.267～3.333V。

2.4 γ剂量率数据信号协议处理

γ剂量率仪信号为RS232的通信协议，而Wi-Fi芯片信号输入要求为TTL电平，故需对γ剂量率仪数据信号协议进行转换。RS232的信号转换为TTL电平信号，虽然可采用三极管、电阻等电路可以实现，但为保证信号转换稳定性以及后续批量制作的便利性，决定采用芯片来实现。经过大量查阅资料与调研，选择MAX3232CSE芯片进行γ剂量率数据信号协议处理。

根据以上四部分的方案，无线通讯设备结构如图1。

3 无线设备样本的制作及测试

3.1 无线设备样本的制作

根据无线通讯设备结构方案与结构图，电源的供电方式选择由开关控制，外接电源接口为MicroUSB接口，手工制作出γ剂量率仪无线通讯设备的样本，如图2。

3.2 无线设备测试

便携式γ剂量率仪的无线通讯设备测试主要开展功耗测试、距离测试、数据接收稳定性测试等。

（1）功耗测试。在无线通讯设备采用外置电源供电时，外部电源输出为5V，通过万用表测量电流为220mA，该无线通讯设备功耗为1.1VA。根据估算，当外置电源采用20000mAh的充电宝时，无线通讯设备最多可工作90小时。

（2）距离测试。在室外条件下，将无线通讯设备放置离车载电脑距离分别为50米、75米、100米、125米、150米时，在车载电脑上读取γ剂量率仪的数据，根据测试结果，γ剂量率仪数据在上述5个距离点接收数据均正常。

（3）将连接了无线通讯设备的6150AD-b放置在距离笔记本电脑为100米处的地方，6150AD-b的剂量率数据数据频率为1秒钟，开展了2小时？54分钟的连续稳定性测试，通过测试结果表明：未发生γ剂量率数据数据丢失，此次制作的γ剂量率仪无线通讯设备工作稳定。

4 结论

通过此次设计并制作便携式γ剂量率仪6150AD-b的无线通讯设备，实现了便携式γ剂量率仪6150AD-b的剂量率仪数据实时自动传输至车载电脑，最终实时传输至应急控制中心的数据库，使秦山核电具备定点环境γ剂量率数据实时自动传输至应急控制中心的能力，提高了数据传输的及时性、准确性，为应急防护行动决策提供数据支持；同时减少了应急环境监测队员在执行应急环境监测时车外的暴露时间，达到减少环境监测队员在开展应急环境监测时受到的照射剂量；该无线通讯设备自2014年开使用以来，在近5年的使用时间内，使用状况良好。

该无线通讯设备同样可应用于α、β表面污染仪6150AD-k，使秦山核电环境监测具备定点α、β、γ剂量数据实时自动传输至控制中心的能力；该无线通讯设备还可根据其他品牌或型号的α、β表面污染仪、γ剂量率仪的输出接口增加转换接头，即可推广到该品牌或型号的相应设备。

【参考文献】

[1]唐思敏.WIFI技术及其应用研究[J].福建电脑，2009，25（10）：59+82.

[2]蔡型，张思全.短距离无线通信技术综述[J].现代电子技术，2004（03）：65-67+76.