0 引言

　　隨著核技術(shù)在科研與生產(chǎn)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，核實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)越來越多，由于輻射射線會(huì)對人體造成傷害，所以核物質(zhì)研究應(yīng)用中的安全監(jiān)控問題不可忽略。文獻(xiàn)[1]介紹了一種基于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但實(shí)時(shí)監(jiān)控性差，而且需要大量人力物力。文獻(xiàn)[2-4]提出用GPRS或ZigBee無線技術(shù)對核電站等大面積區(qū)域進(jìn)行輻射監(jiān)測，由于功能單一，無法小型化應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境下的科研部門。文獻(xiàn)[5-6]設(shè)計(jì)出無線個(gè)人輻射儀，實(shí)現(xiàn)對佩戴人員周邊環(huán)境進(jìn)行探測，當(dāng)個(gè)人輻射儀發(fā)出警報(bào)時(shí)，說明人員已經(jīng)處于輻射環(huán)境中，由于無法做出提前預(yù)警，所以不能確保個(gè)人人身安全。

　　本文以無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳感器設(shè)計(jì)研究成果[7-10]為基礎(chǔ)，借鑒現(xiàn)有輻射監(jiān)控技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[1-6]，提出對核物質(zhì)在研究應(yīng)用過程中的監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用無線局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控；以多組數(shù)據(jù)中信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI的距離標(biāo)定值進(jìn)行警戒范圍判定，對核物質(zhì)是否發(fā)生偷盜或人員誤入警戒區(qū)進(jìn)行監(jiān)控，不依賴參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)定，提升了系統(tǒng)的靈活性。安放在研究室周圍的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和安置在適當(dāng)位置的移動(dòng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，不僅可以對核物質(zhì)發(fā)生盜竊和人員誤入警戒區(qū)做出警報(bào)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)過程中核物質(zhì)發(fā)生輻射泄露時(shí)，及時(shí)向外發(fā)送輻射危險(xiǎn)警報(bào)，確保相關(guān)人員人身安全，系統(tǒng)更加安全化、智能化。

1 系統(tǒng)原理與框架設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)整體由3部分組成：監(jiān)測管理中心、移動(dòng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測管理中心是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器部分，用于建立無線局域網(wǎng)絡(luò)，通過串口總線與PC主機(jī)通信，實(shí)時(shí)記錄網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；當(dāng)判定有危險(xiǎn)存在時(shí)，促發(fā)報(bào)警裝置。移動(dòng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)分為兩類，一類是佩戴于工作人員身邊的個(gè)人警示儀，當(dāng)工作人員誤入警戒區(qū)域或周圍環(huán)境存在輻射危險(xiǎn)時(shí)，通過聲光報(bào)警的方式通知工作人員進(jìn)行相應(yīng)處理；另一類是安裝在核物質(zhì)放置容器上標(biāo)記節(jié)點(diǎn)，當(dāng)檢測到核物質(zhì)被移動(dòng)時(shí)，向監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送移動(dòng)警報(bào)信息。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)用于判斷和監(jiān)測核物質(zhì)在研究應(yīng)用過程中是否被偷盜移出工作警戒區(qū)、工作人員誤入警戒區(qū)和核物質(zhì)發(fā)生輻射泄漏，當(dāng)檢測到危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)，向監(jiān)測管理中心發(fā)送危險(xiǎn)信號(hào)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.2 輻射探測原理與方法

　　核物質(zhì)在經(jīng)歷衰變過程中，伴隨性地產(chǎn)生對人體有害的α、β、γ三種射線，通過探測器監(jiān)測以上射線是否超過正常輻射劑量值來判斷放射性物質(zhì)是否發(fā)生輻射泄漏。

　　本系統(tǒng)只為在發(fā)生輻射危險(xiǎn)時(shí)及時(shí)探測到泄露信號(hào)，不用精確地探測輻射劑量率和射線的種類，綜合成本消費(fèi)和電路復(fù)雜程度，選用具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、體積小的J705型G-M計(jì)數(shù)管作為輻射探測前端。J705型G-M計(jì)數(shù)管是一種薄壁鹵素計(jì)數(shù)管。計(jì)數(shù)管的信號(hào)采集方式分為陽極和陰極兩種，陰極脈沖信號(hào)小于陽極的脈沖信號(hào)，但獲得的信號(hào)更穩(wěn)定、安全，系統(tǒng)選擇從陰極，即G-M計(jì)數(shù)管的外殼部分采集信號(hào)。由于G-M計(jì)數(shù)管產(chǎn)生的脈沖信號(hào)屬于尖峰脈沖信號(hào)，并且伴隨雜波干擾，在進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)前需要對脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波、整形和放大處理。脈沖信號(hào)處理電路如圖2所示。

　　1.3 警戒區(qū)域判定方式

　　無線局域網(wǎng)絡(luò)ZigBee系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域判定大多數(shù)采用無線定位方式，利用數(shù)據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI的數(shù)值，經(jīng)過理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離值，運(yùn)用算法根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)位置。一般方式得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)誤差較大，為得到精確的數(shù)據(jù)，常采用復(fù)雜算法對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，此方法使得芯片負(fù)荷增加，參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)固定不變，系統(tǒng)靈活性隨之下降。本文采用信號(hào)強(qiáng)度指示與距離實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的方式進(jìn)行區(qū)域劃定。首先對接收的信號(hào)強(qiáng)度指示值進(jìn)行補(bǔ)碼計(jì)算得到RSSI的原碼數(shù)值，由于RSSI的波動(dòng)容易造成誤差，所以對同一位置的RSSI值多次采集，運(yùn)用遞推平均濾波法，把計(jì)算后穩(wěn)定的數(shù)據(jù)與距離進(jìn)行標(biāo)定。記錄兩節(jié)點(diǎn)每增加一定距離時(shí)的數(shù)值，以此設(shè)定警戒區(qū)域范圍。區(qū)域的判定不依賴參考節(jié)點(diǎn)的具體坐標(biāo)數(shù)據(jù)，僅與距離相關(guān)，提升了系統(tǒng)的靈活性。

2 硬件體系設(shè)計(jì)

　　2.1 標(biāo)記節(jié)點(diǎn)硬件組成

　　標(biāo)記節(jié)點(diǎn)安裝在核物質(zhì)容器上，用于檢測核物質(zhì)是否被移出工作警戒區(qū)，主要由ZigBee模塊作為控制器外接撥碼開關(guān)和振動(dòng)傳感器等，撥碼開關(guān)可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量選擇合適的位數(shù)，使得所有節(jié)點(diǎn)的編碼值都不相同，對所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼區(qū)分?？紤]到實(shí)際情況，節(jié)點(diǎn)采用電池供電。標(biāo)記節(jié)點(diǎn)硬件組成如圖3所示。

　　2.2 個(gè)人警示儀硬件電路

　　個(gè)人警示儀屬于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，佩戴在工作人員身邊，對其周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)環(huán)境中有輻射或人員進(jìn)入警戒區(qū)域內(nèi)時(shí)，通過燈光與不同頻率驅(qū)動(dòng)的蜂鳴器響聲進(jìn)行報(bào)警。主要由ZigBee模塊、輻射探測模塊、撥碼開關(guān)、無源蜂鳴器、LED燈模塊和電池模塊組成，輻射探測模塊包含G-M計(jì)數(shù)管與相應(yīng)的電源管理模塊。個(gè)人警示儀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　2.3 協(xié)調(diào)器硬件電路

　　協(xié)調(diào)器作為無線網(wǎng)絡(luò)的建立節(jié)點(diǎn)，通過串口總線與PC機(jī)組成監(jiān)測管理中心，主要由電源適配器、聲光報(bào)警裝置和串口總線模塊組成。協(xié)調(diào)器一方面判斷網(wǎng)絡(luò)中是否存在危險(xiǎn)，若存在危險(xiǎn)，促發(fā)聲光報(bào)警裝置。另一方面把接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇C機(jī)進(jìn)行顯示記錄，使相關(guān)人員可以根據(jù)記錄情況分析危險(xiǎn)種類，采取合理的處理措施。協(xié)調(diào)器電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　2.4 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件電路

　　監(jiān)控節(jié)點(diǎn)安放在核物質(zhì)應(yīng)用研究室的四周，主要由電源適配器、ZigBee模塊和輻射探測模塊組成。監(jiān)測放置在核物質(zhì)容器上的標(biāo)記節(jié)點(diǎn)是否離開設(shè)定的警戒區(qū)域和佩戴有個(gè)人警示儀的工作人員是否進(jìn)入工作警戒區(qū)；當(dāng)核物質(zhì)在研究過程中發(fā)生輻射泄漏時(shí)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)迅速向協(xié)調(diào)器發(fā)送輻射危險(xiǎn)信號(hào)。整體電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 標(biāo)記節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

　　節(jié)點(diǎn)上電后，初始化各功能模塊，按照設(shè)定的ID值加入網(wǎng)絡(luò)。入網(wǎng)成功后讀取撥碼開關(guān)值作為識(shí)別序號(hào)，檢測振動(dòng)傳感器是否有移動(dòng)警報(bào)信號(hào)，若有振動(dòng)信號(hào)，向監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送移動(dòng)警報(bào)信息，否則進(jìn)入休眠狀態(tài)，降低系統(tǒng)能耗。軟件流程如圖7所示。

　　3.2 個(gè)人警示儀程序設(shè)計(jì)

　　個(gè)人警示儀上電后檢查是否加入網(wǎng)絡(luò)，若成功入網(wǎng)，說明工作人員活動(dòng)在核物質(zhì)研究實(shí)驗(yàn)室附近。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送撥碼開關(guān)的編碼值等移動(dòng)警報(bào)信息，等待系統(tǒng)回執(zhí)警告信號(hào)，如果收到警告信號(hào)，表明工作人員已經(jīng)進(jìn)入警戒區(qū)域，個(gè)人警示儀通過設(shè)定的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和LED燈組發(fā)出遠(yuǎn)離警示。當(dāng)輻射探測模塊探測到的輻射劑量超過設(shè)定閾值，說明有輻射泄露危險(xiǎn)，個(gè)人警示儀驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和LED燈組發(fā)出輻射警示，提醒工作人員進(jìn)行相應(yīng)處理。程序流程圖如圖8所示。

　　3.3 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

　　協(xié)調(diào)器上電后掃描信道建立合適的局域網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)接收到監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的警報(bào)信息時(shí)，對所有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判定，如果結(jié)果顯示核物質(zhì)被移出工作警戒區(qū)，則判定核物質(zhì)處于盜竊危險(xiǎn)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器通知相關(guān)人員；當(dāng)判定結(jié)果是工作人員誤入安全警戒區(qū)，則向個(gè)人警示儀發(fā)送警告命令。若接收到的信息是輻射泄漏警報(bào)，直接驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器，協(xié)調(diào)器把相關(guān)信息通過串口總線在PC機(jī)上進(jìn)行顯示記錄，便于管理人員采取合理的處理方式。協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)如圖9所示。

　　3.4 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　一個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)只能監(jiān)測該節(jié)點(diǎn)下的扇形區(qū)域，所有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的扇形疊加區(qū)域定義為工作警戒區(qū)。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行后等待接收移動(dòng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)警報(bào)信號(hào)，并啟動(dòng)輻射探測模塊對工作環(huán)境進(jìn)行輻射探測。當(dāng)探測的輻射劑量超過設(shè)定閾值，說明有輻射泄露危險(xiǎn)，向協(xié)調(diào)器發(fā)送輻射危險(xiǎn)信息。當(dāng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)接收到移動(dòng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)警報(bào)信息時(shí)，提取信息中的RSSI值并進(jìn)行轉(zhuǎn)化，把轉(zhuǎn)化值和標(biāo)定值進(jìn)行對比。如果移動(dòng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)超出該監(jiān)控節(jié)點(diǎn)預(yù)先設(shè)定的閾值范圍，如標(biāo)記節(jié)點(diǎn)發(fā)生盜竊被移出或佩戴有個(gè)人警示儀工作人員誤入工作警戒區(qū)域，則向協(xié)調(diào)器發(fā)送移動(dòng)警報(bào)信息，否則發(fā)送安全移動(dòng)信息。軟件流程如圖10所示。

　　4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

　　環(huán)境溫濕度和WiFi網(wǎng)絡(luò)對無線網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI數(shù)值有一定的影響，不同條件下對RSSI與距離的標(biāo)定值有一定差異。在溫度為31℃、濕度為43%，有WiFi覆蓋的實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行RSSI值與距離的標(biāo)定，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)對同一位置的RSSI值進(jìn)行15次提取就可以達(dá)到相對穩(wěn)定結(jié)果。表1所示為距離與RSSI原碼值的關(guān)系，測試單位為0.05 m。結(jié)果表明，誤差距離在0.5 m內(nèi)，達(dá)到預(yù)期結(jié)果。

　　對于不同的輻射環(huán)境，需要對輻射探測模塊設(shè)定一定的劑量閾值，當(dāng)探測到的劑量值大于設(shè)定的閾值時(shí)，說明發(fā)生輻射泄露危險(xiǎn)。試驗(yàn)中采用微輻射源大理石作為放射源，輻射劑量閾值設(shè)置為CMP=40，輻射監(jiān)測結(jié)果如圖11所示。

5 結(jié)論

　　本文主要從硬件設(shè)計(jì)與軟件編譯兩個(gè)方面介紹了一種核物質(zhì)在研究應(yīng)用過程中監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對核物質(zhì)智能實(shí)時(shí)監(jiān)控和工作人員的安全警示。該系統(tǒng)成本低，布置方便靈活，有利于科研部門的管理和調(diào)度水平的提高。

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