基于窄带物联网的辐射监测系统设计

张思祥，刘志博，田广军，肖 鑫，李晨曦，周 围

(1.河北工业大学机械工程学院，天津 300130 2.河北工业大学现代测控技术研究所，天津 300130)

0 引言

辐射监测是环境监测的重要组成部分，超标的放射性射线照射会对人体造成严重损害，目前企业使用的辐射监测仪一方面携带不易，操作繁琐，应用时需亲临现场，增加了操作人员辐射照射风险；另一方面，由于缺少网络通讯导致探测器节点之间彼此相对独立，无法满足多区域辐射环境状况实时显示的监测要求。

为降低成本，实现辐射的远距离监测，刘志强、李明富[1-2]等以盖革-米勒计数管(G-M管)作为探测器，分别利用长电缆和CAN总线远距离传输辐射数据，虽然减少了操作人员吸收剂量，但通信链路维护困难且信号损耗较大。陈川[3]利用WiFi，蒋盼盼[4]、P.S.Reddy[5]利用ZigBee，任俊[6]、H.M. Park[7]利用Bluetooth构建无线监测网络的方案，摒弃了繁琐的物理布线，但传输距离、探测节点接入容量和整体系统稳定性极大地受制于无线网关。熊欣[8]采用2G网络进行数据联网的方案解决了网关的性能限制问题，但设备接入容量少、系统功耗和网络构建成本较高，不利于多探测器节点的应用。

针对上述存在不足，本文提出一种基于窄带物联网的辐射监测系统。该系统采用G-M管作为辐射探测器采集辐射信息，由NB-IoT模块将监测数据传至云端服务器并经客户端软件进行可视化显示，远距离的数据信息传输减少了操作人员辐射风险，而使用数据库技术对监测数据进行存储、备份以及图表分析，既减少了数据处理和报表制作过程中的人为失误，又提高了环境监测工作的准确性和工作效率。

1 辐射监测系统总体设计

辐射监测系统总体架构设计参照物联网分层模型分为感知层、网络层和应用层[9-10]，框架结构如图1所示。感知层作为整个系统的数据基础，通过探测器节点完成辐射数据采集；网络层利用NB-IoT和云平台技术与感知层完成信息交互，传递和解析数据信息；应用层借助手机、电脑等终端设备实现监测数据的可视化显示和辐射数据信号的波形还原。

图1 辐射监测系统框架结构

2 硬件设计

系统硬件总体结构如图2所示，主控制器与无线通讯、信号调理等模块连接，使各模块协调工作，实现系统功能。

图2 系统硬件总体结构

2.1 无线通讯模块

为实现辐射数据信息的远程传输，针对客户端与探测器节点不同的连接特点，设计了如图3所示的个性化无线通讯链路。探测器节点以NB-IoT为数据传输模块，采用优化后的UDP协议与服务器连接，在保留实时性高、系统资源占用少、传输速度快的优势同时，增加应答反馈机制，有效减少数据丢包。模块待机时处于低功耗状态，当需要采集和上传数据时模块被唤醒。相比其他无线组网方式，NB-IoT方案提升了50～100倍的接入容量和至少100倍的覆盖能力，具有网络部署成本低、传输距离不受限制、通讯稳定低耗的优点。客户端与服务器连接采用TCP/IP协议，面向连接，在传输过程中无差错，不丢失，不重复，具有极高的可靠性。

图3 无线通讯链路示意图

2.2 探测器模块

辐射探测器按检测原理可分为气体、闪烁体、半导体等不同类型，综合成本、稳定性和灵敏度，本文选用成本低、工作可靠的J305βγ型G-M管，其结构如图4所示，传感器在高压驱动下管内充满临界电离状态的惰性气体，当高能射线入射时气体吸收能量引起雪崩式放电，形成尖峰电流信号。

图4 G-M管结构示意图

2.3 高压驱动模块

电源驱动是系统的核心，它的好坏直接关系到整个系统的可靠性，表1为G-M管驱动要求。

表1 J305βγ型G-M管驱动要求

由表1可知，为保证系统正常工作，高压驱动模块至少需拥有380～450 V输出电压和超过20 μA输出电流的带载能力。传统驱动电路采用笨重的工频变压器升压方法，体积大，效率低且稳定性差。为满足“尺寸更小、成本更低、效率更高”的设备便携性需求，本文提出了一种Boost前级升压结合电荷泵后级倍压的DC-DC高升压比方案。

Boost前级升压采用峰值电流保护的脉冲频率调制(PFM)控制方案，电路结构如图5所示。系统设最小关断时间(Toff min)和最大导通时间(Ton max)限制，采用电流、电压双反馈控制回路方案，在保留PFM低静态电流与PWM (脉冲宽度调制) 高转换效率优势的同时，极大地改善了单一控制方案的瞬态响应和系统稳定性。

图5 Boost前级升压电路结构图

当Toff min到达且实际输出电压小于预设电压时，功率开关Mos导通，电能转化为磁能贮存在电感中，输出电容Cap给负载提供电能。在理想条件下，电感未饱和前，电感电流线性增加，增加值为

(1)

式中：t0～t1为导通时间，s；L为电感值，H；VIN为输入电压，V；ΔIL(+)为导通时电感电流增加量，A。

当Ton max到达或峰值电流超过设定值时，Mos截止，由于电感电流不可突变，电感两端的电压反相向负载释放电能并给Cap充电，电感电流逐渐减小，减少值为

(2)

式中t1～t2为关断时间，s；VOUT为Boost输出电压，V；ΔIL(-)为关断时电感电流减少量，A。

根据电感电压伏秒平衡定律，在电流连续模式时，电感的电流增加量等于其电流减少量，即：

ΔIL(+)=ΔLL(-)

(3)

式(1)～式(3)经过整理后可得输出电压为

(4)

式中D为开关脉冲信号的占空比。

后级电压放大采用高效率、低噪声、低成本的电荷泵倍压方案[11]，利用Boost开关节点Pulse Out处的电压浮动，配合二极管单向导通性和电容充放电特性来实现电荷累积和高压输出，其电路结构如图6所示。

图6 后级倍压电路结构图

Pulse Out输出为低电平时，肖特基二极管D1导通，D2截止，其电流路径如图6①所示。直流输出Vout经D1向电容器C1充电(至Vout+)，同时Vout与C2串联后以2Vout+给负载供电；Pulse Out输出为高电平时，D1截止、D2导通，其电流路径如图6②所示。此时Vout与C1串联后以2Vout+向C2充电，同时向负载供电。在不考虑电路损耗情况下，电路稳定后输出端电压为2Vout+。为保持输出电压稳定，避免电压波动对探测器灵敏度影响，系统利用二极管稳压电路将电压稳定在400 V左右，相比于传统工频变压器升压方式，该DC-DC高压比驱动方案体积小、功耗低、集成度高、工作可靠，更适合便携设备的应用，其电路原理图如图7所示。

图7 高压驱动电路原理图

2.4 信号调理模块

辐射信号的调理在整体系统中至关重要，稳定的探测器信号输出可以保证系统准确、快速响应。为提高灵敏度，系统设计了如图8所示的信号调理电路。G-M管输出的电流脉冲信号经电阻取样和电容滤波处理后送入开关三极管Q1，将尖峰微弱电流信号转换为TTL电平信号，触发STM32外部中断，进而完成辐射信号的读取。

图8 信号调理电路软件设计

3 软件设计

3.1 下位机

系统参照我国第四代放射防护的基本标准对当前环境进行安全评估，其评估标准如表2所示。

表2 环境安全评估标准

图9为主程序的流程图，系统预设30 s为采样周期，上电后经初始化、通讯入网进入低功耗模式，调用主函数显示辐射信息与环境安全评估等级。当G-M管受辐射后进入外部中断函数，通过定时器对脉冲进行计数，在满足预设的采样周期时进入定时中断函数，清空定时器，将脉冲数转换为辐射当量剂量率并将其发送至云端存储后系统重新进入低功耗模式，开始下一次的测量。

图9 主程序流程图

3.2 客户端

客户端开发基于Visual studio 2013，采用窗体设计，界面如图10所示。主要功能包括：验证登录信息，赋予登录者相应权限；对监测数据进行实时折线图与列表显示；下发探测器节点设置指令与固件升级信息，实现远程控制。

图10 客户端显示界面图

4 系统测试与数据分析

4.1 硬件电路测试

根据上述软硬件设计，开发了基于窄带物联网的辐射监测系统，并搭建样机进行系统性能与稳定性测试。实验以5～12 V为输入电压，其高压驱动电路与信号调理电路输出结果如图11所示。

(a)输出电压电流

(b)信号调理效果图11 硬件电路测试

实验结果表明，高压驱动电路输出电压为405 V，输出电流为42.2 μA，输出信号经调理电路处理后，未受辐射照射时输出为5.00 V高电平，当受到照射时输出脉宽约为200 μs的低电平，符合TTL电平逻辑。整体硬件电路符合预期设计。

4.2 辐射监测测试

以上述探测器设计为基础，配合人机交互模块为可视化终端，进行本底辐射值测试。实验选取连续六日7:00～8:00、11:00～12:00和17:00～18:00 3个时间节点的本底辐射值均值作为独立数据样本，获得图12所示的辐射监测数据折线图。

图12 辐射监测数据折线图

由图12可知本底辐射值范围集中在33～36脉冲/min，换算后大约为0.07～0.10 μSv/h。将一天内3个不同时间节点的数据样本取平均值作为日均剂量率，6 d的平均值约为0.08 μSv/h，与国家核安全局公布的11月份天津市γ辐射当量剂量率(0.070 5～0.105 3 μSv/h)的监测结果基本吻合。

为进一步测试系统性能，以Am-241(α、弱γ源)作为放射源，在辐射源暴露和以5 mm牛皮纸为屏蔽的条件下分别于距离探测节点0、2、4、6 cm处以10 s为采样周期进行辐射监测。实验中每个距离节点测量15组数据，当发现个别数据异常时加读1次，取平均值，实验数据如表3所示。

表3 Am-241辐射实验数据

实验采用的Am-241主要释放能量为小于5.47 MeV的α射线和小于0.06 MeV的γ射线，由表3可看出，在放射源上方4～5 cm时测量值开始增加，其值大致与距离的平方成反比，在贴紧源时数值最高升至1.34 μSv/h，均值为1.21 μSv/h，超过本底值的10倍；增加牛皮纸作为屏蔽后，贴紧源时测量值下降至0.29 μSv/h，绝大部分穿透力弱的α射线被有效阻隔；距源6 cm处时，两种条件下的测量值均值分别为0.13 μSv/h和0.11 μSv/h，均接近本底水平。探测节点周围的剂量分布与仪器的构造及射线能量衰减规律一致，表明系统能从定性出发，定量监测环境中的辐射情况。

4.3 系统传输稳定性测试

为测试系统数据传输稳定性，实验以5 s为采样周期，分别采用传统UDP协议与增加应答反馈机制优化后的UDP协议持续向云端数据库发送720组数据，实验中720组数据每组各异，但触发重发机制时重发数据与本次失败数据相同。实验选取了5组数据列出，结果如表4所示。

表4 UDP传输实验数据

由表4可以看出，增加应答反馈后的UDP传输协议单次丢包率低于0.30%，且总体稳定性达99.89%，相比传统无状态的UDP协议，丢包率明显减少，系统数据传输可靠性得到明显提升。

5 结束语

为了实现辐射信息的远程实时监控，提出了一种基于窄带物联网的辐射监测方案，并针对系统技术难点给出相应解决对策，包含高压驱动电路、信号调理电路的硬件设计，探测器节点的无线通讯网络构建及服务器、上位机的开发。通过实验验证本监测系统能从定性出发，定量监测环境中的辐射情况，传输稳定性达99.70%以上。相比于以往手持辐射探测器，该系统实现了辐射的远程监测和实时显示，降低了操作人员辐射风险，为多区域的辐射监测提供了一种实用的解决方案。