基于GSM的核辐射测量系统

李 鑫, 李妍敏, 刘 超, 李思宁, 马站宁, 舒双宝

(合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院,安徽 合肥 230009)

开发核能是解决能源短缺问题的重要途径,我国正在大力发展核能事业方面的研究,核能也有越来越多的应用。然而在发展的同时,核污染问题却成为人们的重要担忧[1-2]。为了提前发现并预防核污染,建立实时可靠的核辐射检测系统,对于保障全社会的核安全具有重要意义。

目前,大多数核辐射仪为手持式探测器,这种核辐射仪需要人工采集目标区域的辐射数据,在不使用时可关闭电源,较为节能。然而测量区域较多、核污染较重时,这种手持式测量仪便无法胜任;此外，而且手持式测量仪的用户界面较为简陋,不易存储大量测量数据。为了克服手持式测量仪的缺点,一些研究人员致力于开发智能辐射监测系统,根据系统的通信方式可分为有线测量和无线测量。有线测量主要采用RS-485、SPI等现场总线技术搭建监测系统[3-4]。有线测量的方式可以实现自动测量,然而该方式布线较为繁琐,且较为耗电。随着无线传感器网络的发展,利用无线技术搭建智能监测系统成为了主流。一些相关研究采用ZigBee、蓝牙、WiFi等无线技术开发核辐射监测系统[5-6],该方式省去了繁琐的布线,也较为节能;但上述无线通信技术无法实现远程监测,并且当测量节点数量较多时,其数据传输的稳定性较难控制。

为了实现远程实时的核辐射监测,本文采用全球移动通信系统(Global System for Mobile communications,GSM)技术作为通信的基础,实现了核辐射的远程实时监测。每个测量节点利用太阳能供电,较为节能;各个不同测量区域的数据存储在服务器的数据库中,用户可随时查看各个节点的历史数据,便于研究分析;另外,该系统利用Qt设计了人性化界面,便于用户使用操作。本文的设计对于核辐射监控研究具有参考意义。

1 系统设计

1.1 系统总体设计

系统的总体设计如图1所示,主要分为分布于不同区域的测量节点、中心服务器程序和用户客户端程序。根据测量区域的大小安装适当数量的测量节点,理论上节点的数量可以无限扩展。测量节点将采集到的该区域的核辐射数据通过GSM网络传输给中心服务器。

图1 系统总体设计

中心服务器汇聚所有测量节点的数据,并将数据存储在数据库中。客户端程序通过以太网读取服务器中存储的各个区域的核辐射数据,用户安装本系统的客户端程序便可远程读取任意区域的核辐射数据以及该区域核辐射的历史数据。

1.2 单个节点设计

对于整个监控系统来讲,单个测量节点设计的可靠性决定了采集数据的精度。单个测量节点的设计如图2所示。

图2 单个测量节点的设计

从图2可以看出,单个测量节点由太阳能供电模块、数据采集模块、STM32控制器和GSM发送模块组成。数据采集模块又由G-M管传感器和信号调理电路组成。G-M管传感器输出的信号经过信号调理电路转化为标准的电压信号,以将测得的辐射信号传送给中心控制器。中心控制器采用STM32芯片,用于接收数据采集模块传来的信号,并在控制器中通过运算转换该信号为辐射的剂量。STM32控制器通过串口通信和GSM发送模块相连,最后一串代表核辐射剂量的编码通过GSM模块发送给服务器程序,以此实现单个节点数据的采集与发送。

1.3 传感器模块

在G-M管的两极施压适当的工作电压,会在管内形成柱形对称电场。环境中的辐射射线粒子进入管内后,会使惰性气体电离生成的负离子向对称电场的阳极移动并产生雪崩现象[7]。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,G-M管以此来实现辐射测量。

G-M管及其辅助电路如图3所示。

图3 G-M管传感器模块

G-M管的工作电压通常大于350 V,本文将5 V电源电压升压到400 V接到G-M管的阳极以保证G-M管正常工作。G-M管输出的脉冲信号经过放大和整形后,接入STM32控制器,可计算得到检测的辐射值。

1.4 太阳能供电模块

大多无线传感器网络中的节点因其分布位置较分散,不适于采用有线的方式供电,即使采用储电量较大的锂电池,大量的节点没电后更换电池也较为繁琐[8]。为了使系统更易操作、更节能,本系统利用太阳能为测量节点供电。太阳能模块的电路图如图4所示,Vin+和Vin-为太阳能电池板的接入端。

图4 太阳能模块

太阳能电池板的输入经过防雷、防反接电路、前级滤波电路、控制电路、充电电路、防止灌电流电路、后级滤波电路和蓄电池防反接电路,最终将电能存储在蓄电池中。Vout+和Vout-为蓄电池的正负极,分别接入本系统的正负极,用来为测量节点供电。

1.5 无线发送模块

本系统使用GSM技术来实现远程数据传输,GSM模块选用SIM800C芯片,该芯片性能稳定,外观精巧,性价比高[9]。SIM800C工作频率为850、900、1 800、1 900 MHz,内嵌TCP/IP协议,可以低功耗实现语音、SMS(短信)、MMS(彩信)、数据流量、蓝牙信息等的传输。GSM发送模块如图5所示,按键连接SIM800C模块的PWRKEY引脚,长按该键3 s以上可实现模块的开关机,LED灯可指示该模块的开关机状态。小辣椒天线连接SMA天线座可有效提高GSM模块的信号质量,将Micro SIM卡安装在该模块的卡座上便可以使用。另外,该模块采用串口协议和STM32控制器通信,STM32控制器可灵活地控制该模块发送辐射数据。

图5 GSM发送模块

2 系统软件设计

2.1 测量节点的软件设计

节点的软件设计保证了节点成功地采集辐射信号,并将信号发送到远程服务器。单个测量节点的软件设计流程如图6所示。

图6 测量节点软件设计流程

除了通信协议中标识其不同分布区域的ID字段外,各个测量节点采用完全相同的软件设计。首先对该节点进行初始化操作,包括G-M管传感器的初始化、STM32控制器使用资源的初始化、GSM模块的初始化。初始化完毕后,系统每隔一个固定的时间周期读取1次G-M管传感器的数据。如果读取失败,那么间隔1个周期后重新读取传感器的数据。读取传感器的数据成功后,在STM32中将该数据转化为辐射值,并将该辐射值打包为通信协议的数据段,加上标识该节点的ID字段通过GSM模块发送给中心服务器。GSM模块与中心服务器之间采用TCP/IP协议传输协议数据。一次数据发送成功后,STM32控制各个模块进行下一次数据采集,以此为数据的远程实时显示提供底层支持。

2.2 服务器的软件设计

系统服务器软件设计流程如7所示。

图7 系统服务器软件设计流程

服务器程序不仅要和各个测量节点进行数据通信,还需要和众多客户端进行数据交互,因此服务器的软件设计是本系统的重中之重。大量的连接会使服务器的负载过重,导致系统的崩溃,本设计采用多线程的设计防止高并发导致的服务器崩溃。为了保证各个节点和客户端能够将数据传输到服务器,本系统租用云服务器为服务器程序开辟网络中唯一的IP地址,采用Mysql数据库存储各个节点的辐射数据。该服务器程序启动后,首先进行一些初始化操作,包括初始化数据库、初始化socket等。当一个外部连接到来时,服务器首先判断该连接是来自测量节点还是用户客户端。若该连接来自测量节点,则服务器开启一个子线程处理该连接,主线程继续等待其他的连接。子线程首先解析测量节点的数据,并将该数据存储于数据库中,存储成功后,该子线程结束。若该连接来自用户客户端,则为处理该连接开辟一个新的子线程；子线程首先解析客户端请求服务的内容,然后去服务器读取相应的数据发送给该客户端,发送成功后结束该子线程。

2.3 用户界面设计

为了能让用户更方便地读取各个不同区域的核辐射数据,本系统利用Qt设计了个性化的用户界面。系统用户界面设计如图8所示,该界面可显示不同地点的实时辐射数据,若该数据在正常范围内,则用黑色字体显示;若该数据超出范围,则用红色字体显示以提示用户该地的辐射超出了正常范围。除了可以实时显示不同地点的辐射数据,该界面还可以显示不同地点1 d内、1周内、1月内、1 a内的辐射测量曲线。另外,在2个日期输入栏中分别输入2个不同的日期可以显示这2个日期之间的辐射测量曲线,便于观察不同地点一段时间内的环境变化情况。

图8 系统用户界面设计

3 测试结果

3.1 辐射测量结果

为了验证本系统的可行性,将7个测量节点分别安置于7个不同的位置。各个节点采集1 d的数据值进行求平均值,并将处理得到的各地的日平均辐射值绘制成图,如图9所示。

图9 日平均辐射测量结果

正常环境的辐射值一般低于0.1 μSv/h[10],从图9可以看出,E地的辐射值超出正常的范围,存在较大的辐射污染,其他地点的辐射强度均在正常的水平。整个测试过程持续时间为10 d,客户端用户界面可实时反馈不同地点的辐射数据,服务器的数据库中也存储了各地不同时刻的辐射值,且未出现宕机现象。整个系统正常工作,表明本设计可以满足用户的需求且能良好地运行。

3.2 误差分析

表1 2种方法的测量结果 单位:μSv/h

以手持式辐射计的测量结果为标准值,现对本系统的相对误差进行计算,计算结果如图10所示,从图10可以看出，该系统相对误差在可接受范围内,可以较好地反应环境的辐射状态。

图10 本系统的相对误差

4 结 论

为了实现辐射的远程实时监测,本系统基于GSM技术设计了辐射监测系统。本系统由测量节点、系统服务器和用户界面组成。测量节点使用G-M管传感器采集辐射数据,并采用太阳能供电使系统更加节能;通过将测量节点分布于不同的测量区域,用于采集该地的辐射值并将该数值实时传输给服务器程序。服务器用来存储各个节点不同时刻的辐射数据,并作为系统的中枢协调测量节点与用户程序的通信。用户程序为用户提供个性化交互界面,可实时读取不同区域的实时辐射数据,并可以查看各地一段时间内的辐射变化曲线。通过本系统的测量结果与手持式辐射计的测量结果对比,发现本系统可以良好地工作。本系统实现了辐射数据的远程实时显示,可以帮助用户尽快地发现存在异常的环境区域，并且存储的大量历史数据便于科研人员对该地的环境变化进行分析。