基于ZigBee的放射源监控系统研究

我国是放射性同位素生产和使用大国，随着市场经济的发展和各个领域的进一步开放，放射源已经广泛应用于工业、农业、医学、资源、环境、军事、科学研究等领域。放射源在给我们带来巨大技术进步与经济效益的同时，其辐射安全与放射性污染等问题也越来越突出。

近年来，放射源丢失、被盗等事故时有发生；一些用源单位不按国家规定，违规超标使用或私自转移放射源，造成较大的安全隐患。放射源的安全使用和科学监管已成为当前环保工作的难点和重点。

近几年发达国家对环境辐射连续监测的投入有明显加强，如美国EML实验室的SASP监测网现在已发展成全监测网（GNS），在世界各地都建有自动监测站，包括南极洲；法国的“Teleray”现在也已实现欧洲联网。

丹麦、爱沙尼亚、芬兰、德国、冰岛、拉托维亚、立陶宛、挪威、波兰、俄罗斯联邦，瑞典也设置自动X-γ控制监测站，自动X-γ监测站数量分别为11、11、298、2150、1、16、14、22、20、152、37个。

目前，就辐射环境自动监测的发展的趋势，国际上主要体现了如下趋势：(1)辐射环境监测是基础；(2)射性污染监测是监测网的核心内容；(3)监测站的设立将采用商请与申请相结合，更动态、更灵活、更有效；(4)X-γ辐射剂量率自动测量、数据实时传输和电子发布将被广泛采用；(5)大流量空气样品采样+在线X-γ能谱分析+实时X-γ能谱分析+无线或有线传输将被广泛采用；(6)分散采样、集中分析的分工原则将被普遍采用（各监测站平时只负责样品采集、寄送、实时剂量率测量和传输以及与反恐监测有关的监测，其余分析由分析中心负责）；(7)在常规分析计划中将会引入筛选测量程序和启动核素分析的具体启动水平，并制定统一的启动湮没无闻；(8)就地能谱测量技术（Insitu）将更受重视；(9)数据发布将突出公开性和时效性，电子数据、网上发布的方式将被普遍采用；(10)全程QA/QC计划将被普遍实施，特别是过去注意不够的监测的前、后环节（即采样和数据处理、评价环节）的质量保证。

在放射源场所及其它核环境部署快速有效、可靠、先进的环境监测技术和手段,可以起到辐射防护的目的，为发现核事故并及时采取防护措施提供保障能力。目前我国对放射源环境的监测,多是基于有线网络的监测系统或者预先架设的无线网络系统,运营成本往往较高,用于通讯的建设费用占总成本50%以上,而且运行费用较大。对放射源环境连续监测应用研究，加强放射源管理，使其更加科学化、规范化，对预防和减少辐射污染事故危害，有效控制辐射污染事件的发生，起到切实保障放射源的安全使用。

本文提出采用ZigBee无线网络技术实现连续监测数据采集，利用ZigBee无线网络技术低成本、省电、安全、可靠等特点，不必架设网络线，将监控系统的终端设备密封在一个密闭容器内，安装好天线，置于放射源工作场所合适的地点，一个终端监测网点便可建成，通过以太网等网络实现与管理部门监控中心的连接，实现对放射源工作场所及周围环境的连续性监测。

1 ZigBee数传技术概述

ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词，它是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10 -75m 的范围内,但可以继续增加。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。在整个网络范围内，每个ZigBee无线模块网络节点本身可以作为监控对象，对其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，同时每个ZigBee无线模块网络节点之间可以相互通信，自动中转别的网络节点传过来的数据资料。

作为一种无线通信技术，ZigBee数传模块具有如下特点：

(1)功率消耗低：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6-24个月，甚至更长，这是ZigBee无线模块的突出优势。

(2)建设成本低：通过大幅简化协议是成本很低（不足蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee的协议专利免费。

(3)通讯速率低：ZigBee工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求。

(4)响应时延短：ZigBee数传的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能，相比较，蓝牙需要3-10s、WiFi需要3s。

(5)容量高：ZigBee数传模块可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。

6)安全度高：ZigBee数传提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。

(7)近距离传输：传输范围一般介于10～ 100m 之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1 -3km 。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

(8)免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz(全球)频段。

一般而言，随着通信距离增大，设备复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有各种无线通信技术，ZigBee数传技术是最低功耗和最低成本的技术。

2 放射源监控系统的网络架构

在放射源工作场所的周围环境设置若干监测点，依据ZigBee模块的传输距离，各监控点间距在70m内。为验证放射源工作场所周围环境排放是否满足排放限值的要求，连续监测系统的布点应以实际的监测经验而定，达到兼顾事故的应急监测需要，为采取应急防护行动提供技术支持。放射源监测主要考虑放射源工作人员的工作场所，有效保护工作人员的生命安全和核事故的发生，提高监测数据的可靠性和监测点的覆盖面。

星型结构、网状结构和簇状结构是基于ZigBee数传技术的三种主要自组织无线网络类型。通常在监控区域较小时，使用星型网络可组成一个包含中心站点和计算机监控中心的ZigBee无线模块网络。本文放射源连续监测系统的监控区域的工作场所分布在不同的方位，为了提高数据传输的可靠性，放射源监控系统采用网状网络。在一个半径约70m的范围内设置一个传输中继站点进行数据上传下送，ZigBee数据采集点之间可以互相通信，将所有的传输中继站点组成一个蜂窝网状网络，再与设置于管理中心的ZigBee中心站点连接，构成一个完整的ZigBee数据采集无线网络（见图1）。

图1 放射源无线监测网络系统示意图

在整个无线网络中各部分的功能为：

1)监控场所：具有数据采集、存储，接收指令和发送数据的功能。对监测到的数据进行计量、存储，或者接收上级节点发送的指令，按照指令要求完成相应的操作。

2)传输中继站：具有数据上传下送、存储转发的功能。

将监控中心的ZigBee中心站点发出的命令转发给各监控场所，同时接收各监控场在指令下所监测到的返回数据，并转发给中心站点。除此每个传输中继站点还可以连接一个终端探测器。

3)中心站点：具有建立、协调、配置整个网络的功能。

可定期向传输中继站发送数据采集请求、接收数据、并将数据上传至计算机监控中心，通过Internet等网络与管理部门监控中心的互联，满足对放射源工作场所周围环境的连续性监测的需要。

3 放射源场所监测点设计

各终端监测点采用灵敏度高、稳定可靠的无线射频辐射探测器。鉴于方便应用的需要，目前市场上的ZigBee模块多集成微控制器，本系统终端监测点采用ARM926EJ-S处理器，集成探测器、ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。

探测器采用盖革-弥勒计数管（GM管）来测定辐射强度，高压产生电路为GM管提供高压，使得GM管可以工作。当射线通过该GM管并引起电离时便使该GM管产生电流脉冲，脉冲经整形电路、分频电路后变成边缘陡峭的方波，送到单片机的定时器做计数，并换算成剂量率。当环境X-γ辐射在线探测器接到主机发来的查询命令后，便把剂量率数值通过Zigbee无线模块返回给主机，探头电源通过直流电源得到。工作示意图参见图2。

图2 放射源场所终端监控示意图

4 传输中继站及中心站点的设计

本文放射源连续监测系统的ZigBee传输中继站，数据量较大，系统功能较为复杂，我们采用ARM946E-S处理器。传输中继站将位于监控中心的中心站点发出的指令转发给各终端监测站点，再将各终端监测站点的监测数据上传至中心站点。各中继站点又组成网状网络，使得整个ZigBee数传网络更有延伸性，增大了网络的覆盖范围。各中继站点也带有无线射频辐射探测器，使其自身也作为监测网络中的一员。工作示意图见图3。

图3 ZigBee 传输中继站示意图

ZigBee中心站点负责启动、配置、协调整个ZigBee无线监测网络以及网络间的数据传输。中心站点把数据上传到计算机监控中心，然后通过Internet等网络实现与管理部门监控中心的互联。作为整个监控网络的心脏部件，本系统设计中采用片上资源丰富的ARM968E-S理器，利用其丰富的片上资源和强大的数据处理能力，组建成一个稳定可靠的基于本中心站点的ZigBee网络。

工作示意图见图4。

图4 ZigBee 中心站点示意图

5 无线射频辐射终端监控系统设计

在整个监控系统的控制中，通过数据处理系统实现对ZigBee所数据采集的剂量数据的综合分析处理。该数据处理系统实质上是一个数据库的采集和处理系统。整个数据处理系统可分为监测数据库模块、数据处理模块和显示模块。

1)监测数据库模块，主要通过探测器将监测到的剂量数据传输到驱动接口中，再由程序调用驱动接口将数字化信号监测数据转换为可识别的字符串数据，最后保存在监测数据库中。

2)数据处理模块，主要将数字化信号转换为可识别的字符串数据，并且根据阈值对数据进行逻辑处理和数据修正，最后对字符串的监测数据根据Modbus通讯协议进行封装，通过ZigBee无线网络在各传输点进行数据传输[7]。

3)显示模块，主要将实时监测到的剂量数据的情况显示出来。当每一监测点的辐射程度达到或超过该阈值时，以不同的色彩进行显示，系统会自动以声、色等形式进行报警，能根据监测结果确定监测区域的C辐射分布情况，也能够以不同颜色对不同辐射程度地域进行区别显示。

6 总结

综上所述，本系统具备放射源连续监测系统设计的相关原则，即实用性、可靠性、可维护性、先进性、经济型、扩充性等。无线射频辐射探测器和放射源监控终端中集成的Zigbee无线模块，解决了复杂场所放射源区域剂量监控布线的难题，实现了ZigBee数据采集，为数据传输提供了保障；放射源监控终端三级网状网络结构的设计，有利于分布在各地的多个放射源做到集中监管；放射源监控终端中集成的辐射剂量探测模块，有利于单个放射源的场所单独使用。使得本系统应用更方便，成本更低廉，网络可靠性更高，具备很好的实用性与经济性，将成为放射源工作场所周围环境连续监测系统的优选方案。