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基于GSM的核輻射測(cè)量系統(tǒng)

2021-08-02 11:38李妍敏李思寧馬站寧舒雙寶
關(guān)鍵詞:核輻射控制器服務(wù)器

李 鑫, 李妍敏, 劉 超, 李思寧, 馬站寧, 舒雙寶

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

開(kāi)發(fā)核能是解決能源短缺問(wèn)題的重要途徑,我國(guó)正在大力發(fā)展核能事業(yè)方面的研究,核能也有越來(lái)越多的應(yīng)用。然而在發(fā)展的同時(shí),核污染問(wèn)題卻成為人們的重要擔(dān)憂[1-2]。為了提前發(fā)現(xiàn)并預(yù)防核污染,建立實(shí)時(shí)可靠的核輻射檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)于保障全社會(huì)的核安全具有重要意義。

目前,大多數(shù)核輻射儀為手持式探測(cè)器,這種核輻射儀需要人工采集目標(biāo)區(qū)域的輻射數(shù)據(jù),在不使用時(shí)可關(guān)閉電源,較為節(jié)能。然而測(cè)量區(qū)域較多、核污染較重時(shí),這種手持式測(cè)量?jī)x便無(wú)法勝任;此外,而且手持式測(cè)量?jī)x的用戶界面較為簡(jiǎn)陋,不易存儲(chǔ)大量測(cè)量數(shù)據(jù)。為了克服手持式測(cè)量?jī)x的缺點(diǎn),一些研究人員致力于開(kāi)發(fā)智能輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng),根據(jù)系統(tǒng)的通信方式可分為有線測(cè)量和無(wú)線測(cè)量。有線測(cè)量主要采用RS-485、SPI等現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)搭建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3-4]。有線測(cè)量的方式可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量,然而該方式布線較為繁瑣,且較為耗電。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,利用無(wú)線技術(shù)搭建智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為了主流。一些相關(guān)研究采用ZigBee、藍(lán)牙、WiFi等無(wú)線技術(shù)開(kāi)發(fā)核輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5-6],該方式省去了繁瑣的布線,也較為節(jié)能;但上述無(wú)線通信技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),并且當(dāng)測(cè)量節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí),其數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性較難控制。

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)的核輻射監(jiān)測(cè),本文采用全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile communications,GSM)技術(shù)作為通信的基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了核輻射的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)利用太陽(yáng)能供電,較為節(jié)能;各個(gè)不同測(cè)量區(qū)域的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中,用戶可隨時(shí)查看各個(gè)節(jié)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù),便于研究分析;另外,該系統(tǒng)利用Qt設(shè)計(jì)了人性化界面,便于用戶使用操作。本文的設(shè)計(jì)對(duì)于核輻射監(jiān)控研究具有參考意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示,主要分為分布于不同區(qū)域的測(cè)量節(jié)點(diǎn)、中心服務(wù)器程序和用戶客戶端程序。根據(jù)測(cè)量區(qū)域的大小安裝適當(dāng)數(shù)量的測(cè)量節(jié)點(diǎn),理論上節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可以無(wú)限擴(kuò)展。測(cè)量節(jié)點(diǎn)將采集到的該區(qū)域的核輻射數(shù)據(jù)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸給中心服務(wù)器。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

中心服務(wù)器匯聚所有測(cè)量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中??蛻舳顺绦蛲ㄟ^(guò)以太網(wǎng)讀取服務(wù)器中存儲(chǔ)的各個(gè)區(qū)域的核輻射數(shù)據(jù),用戶安裝本系統(tǒng)的客戶端程序便可遠(yuǎn)程讀取任意區(qū)域的核輻射數(shù)據(jù)以及該區(qū)域核輻射的歷史數(shù)據(jù)。

1.2 單個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

對(duì)于整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)講,單個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的可靠性決定了采集數(shù)據(jù)的精度。單個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 單個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

從圖2可以看出,單個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)由太陽(yáng)能供電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、STM32控制器和GSM發(fā)送模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊又由G-M管傳感器和信號(hào)調(diào)理電路組成。G-M管傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào),以將測(cè)得的輻射信號(hào)傳送給中心控制器。中心控制器采用STM32芯片,用于接收數(shù)據(jù)采集模塊傳來(lái)的信號(hào),并在控制器中通過(guò)運(yùn)算轉(zhuǎn)換該信號(hào)為輻射的劑量。STM32控制器通過(guò)串口通信和GSM發(fā)送模塊相連,最后一串代表核輻射劑量的編碼通過(guò)GSM模塊發(fā)送給服務(wù)器程序,以此實(shí)現(xiàn)單個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。

1.3 傳感器模塊

在G-M管的兩極施壓適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷?會(huì)在管內(nèi)形成柱形對(duì)稱電場(chǎng)。環(huán)境中的輻射射線粒子進(jìn)入管內(nèi)后,會(huì)使惰性氣體電離生成的負(fù)離子向?qū)ΨQ電場(chǎng)的陽(yáng)極移動(dòng)并產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象[7]。入射輻射射線的粒子束強(qiáng)度越強(qiáng),單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)就越多,G-M管以此來(lái)實(shí)現(xiàn)輻射測(cè)量。

G-M管及其輔助電路如圖3所示。

圖3 G-M管傳感器模塊

G-M管的工作電壓通常大于350 V,本文將5 V電源電壓升壓到400 V接到G-M管的陽(yáng)極以保證G-M管正常工作。G-M管輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和整形后,接入STM32控制器,可計(jì)算得到檢測(cè)的輻射值。

1.4 太陽(yáng)能供電模塊

大多無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)因其分布位置較分散,不適于采用有線的方式供電,即使采用儲(chǔ)電量較大的鋰電池,大量的節(jié)點(diǎn)沒(méi)電后更換電池也較為繁瑣[8]。為了使系統(tǒng)更易操作、更節(jié)能,本系統(tǒng)利用太陽(yáng)能為測(cè)量節(jié)點(diǎn)供電。太陽(yáng)能模塊的電路圖如圖4所示,Vin+和Vin-為太陽(yáng)能電池板的接入端。

圖4 太陽(yáng)能模塊

太陽(yáng)能電池板的輸入經(jīng)過(guò)防雷、防反接電路、前級(jí)濾波電路、控制電路、充電電路、防止灌電流電路、后級(jí)濾波電路和蓄電池防反接電路,最終將電能存儲(chǔ)在蓄電池中。Vout+和Vout-為蓄電池的正負(fù)極,分別接入本系統(tǒng)的正負(fù)極,用來(lái)為測(cè)量節(jié)點(diǎn)供電。

1.5 無(wú)線發(fā)送模塊

本系統(tǒng)使用GSM技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸,GSM模塊選用SIM800C芯片,該芯片性能穩(wěn)定,外觀精巧,性價(jià)比高[9]。SIM800C工作頻率為850、900、1 800、1 900 MHz,內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議,可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS(短信)、MMS(彩信)、數(shù)據(jù)流量、藍(lán)牙信息等的傳輸。GSM發(fā)送模塊如圖5所示,按鍵連接SIM800C模塊的PWRKEY引腳,長(zhǎng)按該鍵3 s以上可實(shí)現(xiàn)模塊的開(kāi)關(guān)機(jī),LED燈可指示該模塊的開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)。小辣椒天線連接SMA天線座可有效提高GSM模塊的信號(hào)質(zhì)量,將Micro SIM卡安裝在該模塊的卡座上便可以使用。另外,該模塊采用串口協(xié)議和STM32控制器通信,STM32控制器可靈活地控制該模塊發(fā)送輻射數(shù)據(jù)。

圖5 GSM發(fā)送模塊

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)保證了節(jié)點(diǎn)成功地采集輻射信號(hào),并將信號(hào)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。單個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 測(cè)量節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程

除了通信協(xié)議中標(biāo)識(shí)其不同分布區(qū)域的ID字段外,各個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)采用完全相同的軟件設(shè)計(jì)。首先對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化操作,包括G-M管傳感器的初始化、STM32控制器使用資源的初始化、GSM模塊的初始化。初始化完畢后,系統(tǒng)每隔一個(gè)固定的時(shí)間周期讀取1次G-M管傳感器的數(shù)據(jù)。如果讀取失敗,那么間隔1個(gè)周期后重新讀取傳感器的數(shù)據(jù)。讀取傳感器的數(shù)據(jù)成功后,在STM32中將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為輻射值,并將該輻射值打包為通信協(xié)議的數(shù)據(jù)段,加上標(biāo)識(shí)該節(jié)點(diǎn)的ID字段通過(guò)GSM模塊發(fā)送給中心服務(wù)器。GSM模塊與中心服務(wù)器之間采用TCP/IP協(xié)議傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)。一次數(shù)據(jù)發(fā)送成功后,STM32控制各個(gè)模塊進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)采集,以此為數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示提供底層支持。

2.2 服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)流程如7所示。

圖7 系統(tǒng)服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)流程

服務(wù)器程序不僅要和各個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,還需要和眾多客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,因此服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的重中之重。大量的連接會(huì)使服務(wù)器的負(fù)載過(guò)重,導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰,本設(shè)計(jì)采用多線程的設(shè)計(jì)防止高并發(fā)導(dǎo)致的服務(wù)器崩潰。為了保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)和客戶端能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器,本系統(tǒng)租用云服務(wù)器為服務(wù)器程序開(kāi)辟網(wǎng)絡(luò)中唯一的IP地址,采用Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的輻射數(shù)據(jù)。該服務(wù)器程序啟動(dòng)后,首先進(jìn)行一些初始化操作,包括初始化數(shù)據(jù)庫(kù)、初始化socket等。當(dāng)一個(gè)外部連接到來(lái)時(shí),服務(wù)器首先判斷該連接是來(lái)自測(cè)量節(jié)點(diǎn)還是用戶客戶端。若該連接來(lái)自測(cè)量節(jié)點(diǎn),則服務(wù)器開(kāi)啟一個(gè)子線程處理該連接,主線程繼續(xù)等待其他的連接。子線程首先解析測(cè)量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),并將該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中,存儲(chǔ)成功后,該子線程結(jié)束。若該連接來(lái)自用戶客戶端,則為處理該連接開(kāi)辟一個(gè)新的子線程;子線程首先解析客戶端請(qǐng)求服務(wù)的內(nèi)容,然后去服務(wù)器讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送給該客戶端,發(fā)送成功后結(jié)束該子線程。

2.3 用戶界面設(shè)計(jì)

為了能讓用戶更方便地讀取各個(gè)不同區(qū)域的核輻射數(shù)據(jù),本系統(tǒng)利用Qt設(shè)計(jì)了個(gè)性化的用戶界面。系統(tǒng)用戶界面設(shè)計(jì)如圖8所示,該界面可顯示不同地點(diǎn)的實(shí)時(shí)輻射數(shù)據(jù),若該數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi),則用黑色字體顯示;若該數(shù)據(jù)超出范圍,則用紅色字體顯示以提示用戶該地的輻射超出了正常范圍。除了可以實(shí)時(shí)顯示不同地點(diǎn)的輻射數(shù)據(jù),該界面還可以顯示不同地點(diǎn)1 d內(nèi)、1周內(nèi)、1月內(nèi)、1 a內(nèi)的輻射測(cè)量曲線。另外,在2個(gè)日期輸入欄中分別輸入2個(gè)不同的日期可以顯示這2個(gè)日期之間的輻射測(cè)量曲線,便于觀察不同地點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)的環(huán)境變化情況。

圖8 系統(tǒng)用戶界面設(shè)計(jì)

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 輻射測(cè)量結(jié)果

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性,將7個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)分別安置于7個(gè)不同的位置。各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集1 d的數(shù)據(jù)值進(jìn)行求平均值,并將處理得到的各地的日平均輻射值繪制成圖,如圖9所示。

圖9 日平均輻射測(cè)量結(jié)果

正常環(huán)境的輻射值一般低于0.1 μSv/h[10],從圖9可以看出,E地的輻射值超出正常的范圍,存在較大的輻射污染,其他地點(diǎn)的輻射強(qiáng)度均在正常的水平。整個(gè)測(cè)試過(guò)程持續(xù)時(shí)間為10 d,客戶端用戶界面可實(shí)時(shí)反饋不同地點(diǎn)的輻射數(shù)據(jù),服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中也存儲(chǔ)了各地不同時(shí)刻的輻射值,且未出現(xiàn)宕機(jī)現(xiàn)象。整個(gè)系統(tǒng)正常工作,表明本設(shè)計(jì)可以滿足用戶的需求且能良好地運(yùn)行。

3.2 誤差分析

表1 2種方法的測(cè)量結(jié)果 單位:μSv/h

以手持式輻射計(jì)的測(cè)量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值,現(xiàn)對(duì)本系統(tǒng)的相對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖10所示,從圖10可以看出,該系統(tǒng)相對(duì)誤差在可接受范圍內(nèi),可以較好地反應(yīng)環(huán)境的輻射狀態(tài)。

圖10 本系統(tǒng)的相對(duì)誤差

4 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)輻射的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),本系統(tǒng)基于GSM技術(shù)設(shè)計(jì)了輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)由測(cè)量節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)服務(wù)器和用戶界面組成。測(cè)量節(jié)點(diǎn)使用G-M管傳感器采集輻射數(shù)據(jù),并采用太陽(yáng)能供電使系統(tǒng)更加節(jié)能;通過(guò)將測(cè)量節(jié)點(diǎn)分布于不同的測(cè)量區(qū)域,用于采集該地的輻射值并將該數(shù)值實(shí)時(shí)傳輸給服務(wù)器程序。服務(wù)器用來(lái)存儲(chǔ)各個(gè)節(jié)點(diǎn)不同時(shí)刻的輻射數(shù)據(jù),并作為系統(tǒng)的中樞協(xié)調(diào)測(cè)量節(jié)點(diǎn)與用戶程序的通信。用戶程序?yàn)橛脩籼峁﹤€(gè)性化交互界面,可實(shí)時(shí)讀取不同區(qū)域的實(shí)時(shí)輻射數(shù)據(jù),并可以查看各地一段時(shí)間內(nèi)的輻射變化曲線。通過(guò)本系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與手持式輻射計(jì)的測(cè)量結(jié)果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)可以良好地工作。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輻射數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示,可以幫助用戶盡快地發(fā)現(xiàn)存在異常的環(huán)境區(qū)域,并且存儲(chǔ)的大量歷史數(shù)據(jù)便于科研人員對(duì)該地的環(huán)境變化進(jìn)行分析。

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