0 引言

　　隨著核技術在科研與生產(chǎn)領域中的廣泛應用,，核實驗室和研究機構(gòu)越來越多，由于輻射射線會對人體造成傷害,，所以核物質(zhì)研究應用中的安全監(jiān)控問題不可忽略,。文獻[1]介紹了一種基于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但實時監(jiān)控性差,，而且需要大量人力物力,。文獻[2-4]提出用GPRS或ZigBee無線技術對核電站等大面積區(qū)域進行輻射監(jiān)測，由于功能單一,，無法小型化應用在復雜環(huán)境下的科研部門,。文獻[5-6]設計出無線個人輻射儀，實現(xiàn)對佩戴人員周邊環(huán)境進行探測,，當個人輻射儀發(fā)出警報時,，說明人員已經(jīng)處于輻射環(huán)境中，由于無法做出提前預警,，所以不能確保個人人身安全,。

　　本文以無線網(wǎng)絡技術與傳感器設計研究成果[7-10]為基礎，借鑒現(xiàn)有輻射監(jiān)控技術的優(yōu)點[1-6],，提出對核物質(zhì)在研究應用過程中的監(jiān)管系統(tǒng)設計,，利用無線局域網(wǎng)絡，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時在線監(jiān)控,；以多組數(shù)據(jù)中信號強度指示RSSI的距離標定值進行警戒范圍判定,，對核物質(zhì)是否發(fā)生偷盜或人員誤入警戒區(qū)進行監(jiān)控，不依賴參考節(jié)點坐標設定,，提升了系統(tǒng)的靈活性,。安放在研究室周圍的監(jiān)控節(jié)點和安置在適當位置的移動監(jiān)測節(jié)點，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,，當實驗過程中核物質(zhì)發(fā)生輻射泄露時,，及時向外發(fā)送輻射危險警報，確保相關人員人身安全,，系統(tǒng)更加安全化,、智能化。

1 系統(tǒng)原理與框架設計

　　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,、移動監(jiān)測節(jié)點和監(jiān)控節(jié)點,。監(jiān)測管理中心是ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器部分,，用于建立無線局域網(wǎng)絡，通過串口總線與PC主機通信,，實時記錄網(wǎng)絡數(shù)據(jù)；當判定有危險存在時,，促發(fā)報警裝置,。移動監(jiān)測節(jié)點分為兩類，一類是佩戴于工作人員身邊的個人警示儀,，當工作人員誤入警戒區(qū)域或周圍環(huán)境存在輻射危險時,，通過聲光報警的方式通知工作人員進行相應處理；另一類是安裝在核物質(zhì)放置容器上標記節(jié)點,，當檢測到核物質(zhì)被移動時,，向監(jiān)控節(jié)點發(fā)送移動警報信息。監(jiān)控節(jié)點用于判斷和監(jiān)測核物質(zhì)在研究應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,，當檢測到危險信號時，向監(jiān)測管理中心發(fā)送危險信號,。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)生輻射危險時及時探測到泄露信號,，不用精確地探測輻射劑量率和射線的種類，綜合成本消費和電路復雜程度,，選用具有靈敏度高,、穩(wěn)定性好、體積小的J705型G-M計數(shù)管作為輻射探測前端,。J705型G-M計數(shù)管是一種薄壁鹵素計數(shù)管,。計數(shù)管的信號采集方式分為陽極和陰極兩種，陰極脈沖信號小于陽極的脈沖信號,，但獲得的信號更穩(wěn)定,、安全，系統(tǒng)選擇從陰極,，即G-M計數(shù)管的外殼部分采集信號,。由于G-M計數(shù)管產(chǎn)生的脈沖信號屬于尖峰脈沖信號，并且伴隨雜波干擾,，在進行脈沖計數(shù)前需要對脈沖信號進行濾波,、整形和放大處理,。脈沖信號處理電路如圖2所示。

　　1.3 警戒區(qū)域判定方式

　　無線局域網(wǎng)絡ZigBee系統(tǒng)進行區(qū)域判定大多數(shù)采用無線定位方式,，利用數(shù)據(jù)接收信號強度指示RSSI的數(shù)值,，經(jīng)過理論和經(jīng)驗模型將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離值，運用算法根據(jù)參考節(jié)點位置坐標計算出節(jié)點位置,。一般方式得到的坐標數(shù)據(jù)誤差較大,，為得到精確的數(shù)據(jù)，常采用復雜算法對定位數(shù)據(jù)進行處理,，此方法使得芯片負荷增加,，參考節(jié)點坐標固定不變，系統(tǒng)靈活性隨之下降,。本文采用信號強度指示與距離實驗標定的方式進行區(qū)域劃定,。首先對接收的信號強度指示值進行補碼計算得到RSSI的原碼數(shù)值，由于RSSI的波動容易造成誤差,，所以對同一位置的RSSI值多次采集,，運用遞推平均濾波法，把計算后穩(wěn)定的數(shù)據(jù)與距離進行標定,。記錄兩節(jié)點每增加一定距離時的數(shù)值,，以此設定警戒區(qū)域范圍。區(qū)域的判定不依賴參考節(jié)點的具體坐標數(shù)據(jù),，僅與距離相關,，提升了系統(tǒng)的靈活性。

2 硬件體系設計

　　2.1 標記節(jié)點硬件組成

　　標記節(jié)點安裝在核物質(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和振動傳感器等，撥碼開關可以根據(jù)節(jié)點數(shù)量選擇合適的位數(shù),，使得所有節(jié)點的編碼值都不相同,，對所有節(jié)點進行編碼區(qū)分?？紤]到實際情況,，節(jié)點采用電池供電。標記節(jié)點硬件組成如圖3所示,。

　　2.2 個人警示儀硬件電路

　　個人警示儀屬于移動節(jié)點,，佩戴在工作人員身邊，對其周邊環(huán)境進行監(jiān)控,，當環(huán)境中有輻射或人員進入警戒區(qū)域內(nèi)時,，通過燈光與不同頻率驅(qū)動的蜂鳴器響聲進行報警。主要由ZigBee模塊,、輻射探測模塊,、撥碼開關,、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計數(shù)管與相應的電源管理模塊,。個人警示儀結(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)絡的建立節(jié)點,，通過串口總線與PC機組成監(jiān)測管理中心,，主要由電源適配器、聲光報警裝置和串口總線模塊組成,。協(xié)調(diào)器一方面判斷網(wǎng)絡中是否存在危險，若存在危險,，促發(fā)聲光報警裝置,。另一方面把接收到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)絇C機進行顯示記錄，使相關人員可以根據(jù)記錄情況分析危險種類,，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)點硬件電路

　　監(jiān)控節(jié)點安放在核物質(zhì)應用研究室的四周,，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)容器上的標記節(jié)點是否離開設定的警戒區(qū)域和佩戴有個人警示儀的工作人員是否進入工作警戒區(qū),；當核物質(zhì)在研究過程中發(fā)生輻射泄漏時,，監(jiān)控節(jié)點迅速向協(xié)調(diào)器發(fā)送輻射危險信號。整體電路設計結(jié)構(gòu)如圖6所示,。

3 系統(tǒng)軟件設計

　　3.1 標記節(jié)點程序設計

　　節(jié)點上電后,，初始化各功能模塊，按照設定的ID值加入網(wǎng)絡,。入網(wǎng)成功后讀取撥碼開關值作為識別序號,，檢測振動傳感器是否有移動警報信號，若有振動信號,，向監(jiān)控節(jié)點發(fā)送移動警報信息,，否則進入休眠狀態(tài)，降低系統(tǒng)能耗,。軟件流程如圖7所示,。

　　3.2 個人警示儀程序設計

　　個人警示儀上電后檢查是否加入網(wǎng)絡，若成功入網(wǎng),，說明工作人員活動在核物質(zhì)研究實驗室附近,。監(jiān)控節(jié)點發(fā)送撥碼開關的編碼值等移動警報信息，等待系統(tǒng)回執(zhí)警告信號,，如果收到警告信號,，表明工作人員已經(jīng)進入警戒區(qū)域,，個人警示儀通過設定的脈沖信號驅(qū)動蜂鳴器和LED燈組發(fā)出遠離警示。當輻射探測模塊探測到的輻射劑量超過設定閾值,，說明有輻射泄露危險,，個人警示儀驅(qū)動蜂鳴器和LED燈組發(fā)出輻射警示，提醒工作人員進行相應處理,。程序流程圖如圖8所示,。

　　3.3 協(xié)調(diào)器程序設計

　　協(xié)調(diào)器上電后掃描信道建立合適的局域網(wǎng)絡，當接收到監(jiān)控節(jié)點的警報信息時,，對所有監(jiān)控節(jié)點的數(shù)據(jù)進行綜合判定,，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)處于盜竊危險狀態(tài),，驅(qū)動聲光報警器通知相關人員,；當判定結(jié)果是工作人員誤入安全警戒區(qū)，則向個人警示儀發(fā)送警告命令,。若接收到的信息是輻射泄漏警報,，直接驅(qū)動聲光報警器，協(xié)調(diào)器把相關信息通過串口總線在PC機上進行顯示記錄,，便于管理人員采取合理的處理方式,。協(xié)調(diào)器程序設計如圖9所示。

　　3.4 監(jiān)控節(jié)點軟件設計

　　一個監(jiān)控節(jié)點只能監(jiān)測該節(jié)點下的扇形區(qū)域,，所有監(jiān)控節(jié)點的扇形疊加區(qū)域定義為工作警戒區(qū),。監(jiān)控節(jié)點正常運行后等待接收移動監(jiān)測節(jié)點的移動警報信號，并啟動輻射探測模塊對工作環(huán)境進行輻射探測,。當探測的輻射劑量超過設定閾值,，說明有輻射泄露危險，向協(xié)調(diào)器發(fā)送輻射危險信息,。當監(jiān)控節(jié)點接收到移動監(jiān)測節(jié)點的移動警報信息時,，提取信息中的RSSI值并進行轉(zhuǎn)化，把轉(zhuǎn)化值和標定值進行對比,。如果移動監(jiān)測節(jié)點超出該監(jiān)控節(jié)點預先設定的閾值范圍,，如標記節(jié)點發(fā)生盜竊被移出或佩戴有個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)送移動警報信息,，否則發(fā)送安全移動信息,。軟件流程如圖10所示。

　　4 實驗數(shù)據(jù)與分析

　　環(huán)境溫濕度和WiFi網(wǎng)絡對無線網(wǎng)絡的信號強度指示RSSI數(shù)值有一定的影響,，不同條件下對RSSI與距離的標定值有一定差異,。在溫度為31℃、濕度為43%,，有WiFi覆蓋的實驗室條件下進行RSSI值與距離的標定,，經(jīng)實驗證明,，當對同一位置的RSSI值進行15次提取就可以達到相對穩(wěn)定結(jié)果。表1所示為距離與RSSI原碼值的關系,，測試單位為0.05 m,。結(jié)果表明，誤差距離在0.5 m內(nèi),，達到預期結(jié)果,。

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

5 結(jié)論

　　本文主要從硬件設計與軟件編譯兩個方面介紹了一種核物質(zhì)在研究應用過程中監(jiān)管系統(tǒng)設計方案,，系統(tǒng)實現(xiàn)了對核物質(zhì)智能實時監(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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