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口应用技术
嵌入式核辐射远程监测系统设计
陈嘉源吴黎明邓耀华
(广东工业大学信息工程学院)
摘要:立足智能化理念,设计具有远程监测功能的核辐射监测系统。通过基于盖革-米勒计数器的核辐射检
测节点,捕获环境中的高能射线强度并以电信号形式重现。同时,由搭建的无线传感网向嵌入式设备汇报环境中
核辐射信息,并在人机交互终端以曲线波动的形式重绘核辐射强度的变化趋勢。本系统可方便地远程监测环境辐
射,一定程度上减少了核辐射对检测人员的伤害,扩大核辐射监测的应用范围。
关键词:盖革-米勒计数器;核辐射监测:无线传感网
0引言
信息,并由无线网络实时向上位机汇报。上位机由无
核辐射监测仪是基于辐射射线通过物质时产生线接入网关和人机交互平台组成,通过加載在嵌入式
电离作用而进行开发的。目前,在便携式辐射测量领设备上的核辐射监测软件,检测人员可以随时查看各
域,国外的代表产品有:法国的DMC2000N伽马中个检测节点的核辐射分布曲线状况,并根据设定的辐
子个人核辐射剂量报警仪、美国的 RAE PRM-1200
射强度阈值,判断当前的环境状况是否对人体有害
核辐射检测仪等。近年来,我国的核辐射监测技术也作出进一步的安全评估
取得一定的成果,典型的产品有:核工业部的盖革计
数器JB4020个人辐射剂量监测仪、上海仁机仪器仪
无线接入网关
人机交互平台
表公司生产的DP802i型Xγ辐射个人剂量当量(率)
报警仪等。但现有的核辐射检测仪多是手持式,检测
人员必须亲临现场。虽然正常情况下人们所处的环境
无线传感网
辐射量都比较低,但辐射在人体有累计效果,长时间
接触增加了检测人员受辐射的风险,并且这些设备价
格昂贵。
检測节点1
检测节点2
检测节点n
基于上述原因,本设计立足智能化理念,自主创
新,设计基于盖革米勒计数器的核辐射远程监测系
图1检测系统框架图
统,捕获核辐射信号并将其可视化,在嵌入式设备上2盖革米勒计数器采集系统
搭建人机交互平台并实现数据的智能化分析和波形
2.1盖革-米勒计数器
还原。
盖革-米勒计数器是一种专门用于探测高能辐射
1远程监测系统工作原理
粒子强度的记录仪器,可将高能辐射粒子以电信号的
嵌入式核辐射远程监测系统框架如图1所示,包形式表达。最早的盖革米勒计数器,是1908年由德
括核辐射检测节点、无线传感网络、无线接入网关以国物理学家汉斯·盖革和英国物理学家卢瑟福在研究
及人机交互平台。检测人员在检测点,如煤矿区、堆粒子的散射实验中,为探测α粒子散射现象而设计
土区、建筑工地等地方放置多个核辐射检测节点,组的,后来被广泛应用于电离辐射领域2到。
成无线传感网络。检测节点采集环境中的核辐射强度
盖革米勒计数器的核心部件是盖革米勒计数
管,沿管轴线装有金属丝。在高电压驱动下,管内的计数器和可编程串行 USART。为组建远程通讯的无
稀有气体处于临界电离状态。当有高能射线入射时,线传感网,需要在每个检测节点添加无线模块,本文
辐射粒子轰击管内气体,管内气体吸收射线的能量发选用 BENQ N23的GPRS无线模块。该模块内嵌
生电离现象,释放出多个自由电子,自由电子在电场TCP/IP协议,通过串行 USART与控制器相连,操作
作用下加速并射向金属丝。同时,电离的电子也轰击检测,而且使用AT指令对GPRS模块配置,适应能
周围的气体,周围气体同样发生电离并释放自由电力强?
子,进而引起雪崩式放电,由雪崩产生的大量电子被2.3可视化人机交互终端硬件设计
金属丝快速收集,在金属丝处能检测到一个高频电脉
人机交互终端主控处理器釆用ARM11的
冲信号。通过这样的方式,可将不可见的高能射线以S3C6410处理器,拥有520MIHz的主频,加入了 Intel
模拟电信号的形式被观察,证实核粒子的存在
的 Speed Step动态电源管理技术,在保证CPU性能
但是,通过盖革一米勒计数器捕获的信号是高频的情况下,最大限度地降低移动设备功耗。采用的网
电脉冲信号,幅值不确定,且杂波较多,不利于采集络接口实现了数据信息的网络化管理。处理器内部集
器采集。研究表明,单位时间核辐射的强度与该时间成了 Iwmmx指令,加大处理器对多媒体数据的处理
段内盖革-米勒计数器产生的高频脉冲数量成正比关速度,可流畅地运行 Android.6操作系统。
系。因此,只要获得单位时间内电脉冲的数目,即可
人机交互终端主要从监测人员的需求出发,实时
得到对应的核辐射强度。
显示当前环境监測数据,设定及更改相应参数的阈
2.2采集节点硬件设计
值,主动选择监测方案等。因此,本系统采用640X
采集系统原理图如图2所示叫。在电源电路的供480的TFT屏,该显示屏支持触摸输入以及LCD显
能下,高压驱动电路将5V直流电压提高到380V高示。
电压,并将高压电加在盖革-米勒计数器两端,激发
上位机软件设计
管内气体电离°。盖革-米勒计数器的输出端接入调
理电路,将高频电脉冲信号整形为一个有固定脉宽、
3.1通讯报文格式
幅值受限的方波信号,由微处理器计数,并通过无线
为避免多节点同时通讯导致数据丢失或混乱,采
模块发向服务器,由服务器统一处理
用通讯轮询方式。接收方分别主动向各个采集节点发
送通讯请求,完成与一个节点的通讯再切换到下一个
盖革米勒计数器
调理电路
节点。并且,每个通信过程都有与之相对应的通讯报
微处理器/无线模块
文格式,如表1所示。
高压驱动电路
表1通讯报文格式
1字节2字节2字节1字节2字节2字节
电源电路
报头组编号子编号命令字数据域备用域
图2采集系统原理图
报头为特定序列0X55;组编号标识设置节点的
本设计选用J308by型号的盖革-米勒计数器,灵地区,规定OX000为接入网关编号,OXFF为节
敏度为每1微伦200个脉冲。考虑到传感节点需要低点组编号的广播;子编号标识设置节点地区的成员节
功耗的微处理器,选用低功耗8位AVR微处理器点,规定 OXFFFF为子编号的广播;命令字包括空指
Atmegal6。该微处理器是以高密度非易失性存储器技令0XDO,请求连接OXD1,断开连接OXD2,数据上
术生产的,支持片内调试与编程,拥有灵活的定时器传0XD3,接收应答0XD4:数据域为单位时间核辐
2014年第35卷第4期自动化与信息工程35