文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.021
中文引用格式: 王長(zhǎng)清,曹淵. 核物質(zhì)研究應(yīng)用過(guò)程中的監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2015,41(11):74-77.
英文引用格式: Wang Changqing,Cao Yuan. Design of supervision system at the nuclear material research and application[J].Application of Electronic Technique,2015,41(11):74-77.
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(lái)越多,由于輻射射線會(huì)對(duì)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(wèn)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(wú)線技術(shù)對(duì)核電站等大面積區(qū)域進(jìn)行輻射監(jiān)測(cè),由于功能單一,無(wú)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(wú)線個(gè)人輻射儀,實(shí)現(xiàn)對(duì)佩戴人員周邊環(huán)境進(jìn)行探測(cè),當(dāng)個(gè)人輻射儀發(fā)出警報(bào)時(shí),說(shuō)明人員已經(jīng)處于輻射環(huán)境中,由于無(wú)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(wú)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(duì)核物質(zhì)在研究應(yīng)用過(guò)程中的監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì),利用無(wú)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(duì)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(cè)節(jié)點(diǎn),不僅可以對(duì)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(guò)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(cè)管理中心、移動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)管理中心是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器部分,用于建立無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò),通過(guò)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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)核物質(zhì)在研究應(yīng)用過(guò)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(cè)到危險(xiǎn)信號(hào)時(shí),向監(jiān)測(cè)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(cè)原理與方法
核物質(zhì)在經(jīng)歷衰變過(guò)程中,伴隨性地產(chǎn)生對(duì)人體有害的α、β、γ三種射線,通過(guò)探測(cè)器監(jiān)測(cè)以上射線是否超過(guò)正常輻射劑量值來(lái)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(cè)到泄露信號(hào),不用精確地探測(cè)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(cè)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(yáng)極和陰極兩種,陰極脈沖信號(hào)小于陽(yáng)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(duì)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(wú)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(wú)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(guò)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(cè)模塊、撥碼開關(guān)、無(wú)源蜂鳴器、LED燈模塊和電池模塊組成,輻射探測(cè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立節(jié)點(diǎn),通過(guò)串口總線與PC機(jī)組成監(jiān)測(cè)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(cè)模塊組成。監(jiān)測(cè)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(guò)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(cè)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(shuō)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(guò)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(cè)模塊探測(cè)到的輻射劑量超過(guò)設(shè)定閾值,說(shuō)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(duì)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(guò)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(cè)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(cè)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)警報(bào)信號(hào),并啟動(dòng)輻射探測(cè)模塊對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行輻射探測(cè)。當(dāng)探測(cè)的輻射劑量超過(guò)設(shè)定閾值,說(shuō)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(cè)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(duì)比。如果移動(dòng)監(jiān)測(cè)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(duì)無(wú)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(duì)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(duì)同一位置的RSSI值進(jìn)行15次提取就可以達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定結(jié)果。表1所示為距離與RSSI原碼值的關(guān)系,測(cè)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(duì)于不同的輻射環(huán)境,需要對(duì)輻射探測(cè)模塊設(shè)定一定的劑量閾值,當(dāng)探測(cè)到的劑量值大于設(shè)定的閾值時(shí),說(shuō)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(cè)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(guò)程中監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)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。
參考文獻(xiàn)
[1] 熊建平,李光緒,程金星,等.放射性廢物庫(kù)監(jiān)控與管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2012,32(6):728-731.
[2] 熊欣,盧朝東.基于GPRS的核輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012,20(7):1773-1777.
[3] 蔣盼盼,李燁,王亞剛.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核輻射監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù),2014(2):113-116.
[4] 陳琛,劉沖,李志陽(yáng),等.ZigBee技術(shù)在核輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù),2014(2):12-14.
[5] 楊旭,董麗華,邵英秋.基于GPRS個(gè)人劑量?jī)x控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2012,30(6):642-649.
[6] 謝宇希,劉沖,譚偉,等.基于ZigBee的X-γ劑量率數(shù)字化檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2012,32(9):1105-1107.
[7] Shahin Farahani.ZigBee wireless networks and transceivers[M].Burlington:Elsever Ltd,2008.
[8] 李晨.移動(dòng)式放射源的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:成都理工大學(xué),2014.
[9] 李銀,汪洋,陳冬明.基于RSSI的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2015,23(3):1061-1064.
[10] 壽向晨,徐宏毅.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中RSSI定位算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2015,48(2):284-288.