基于无线传感器网络的放射源库安全监测预警系统的设计.pdf

石油仪器
2013年第27卷第2期
PETROLEUM INSTRUMEN
计算机与通讯技术
基于无线传感器网络的放射源库
安全嗌测预警系统的设计
白盛明白婧
大庆测井公可黑龙江大庆)
摘要:鉴于放射源存放安全的重要性,提出了一种基于无线传感器网络和 Labview的放射源安全监测预警系统设计
方業。该系统采用无线传感器网络( wireless sensor network,WSN)对源库环境进行监测,遵循 Zigbee协议将传感器米集
的数据以无线方式传输给网关节点;网关节点通过串口将数据传给监控中心;监控中心采用 Labview完成数据的实时显
示、分析、存储,以及对异常情况的报警,系统实现了对源库的智能监控。
关键词:放射源;监控;无线传感器网络; LABVIEW; Zigbe
中图法分类号:P631.8817
文献标识码:B
文章编号:1004-9134(2013)02-0075-03
的,无需布线,节点密度大,数据采集精度高
0引言
Labview是一种图形化的程序开发环境,丰富
在地质勘探、油井工程和油田开发过程中,常常的库函数专门为信号处理、通信等功能而设计国
利用放射性测井仪器来探测各岩层的核物理信息,进
为了更有效,安全地管理放射源库,避免人为监
而分析岩层的含油饱和度、孔隙度等流体特征.众所管时和误人源库时对人体的伤害,本文提出了一种基
周知,放射性测井仪器所使用的放射性源对人身健康
于无线传感器?络和 Labview的放射源安全监测预
及环境保护均有着极大的负面影响,为此国家对放射
警系统设计方案,一旦出现外人误入,放射性源脱出
性物质和放射性装置的储存、运输和使用等环节都制
容器,放射性源丢失等特殊工况,将自动予以声、光
定了一系列的管理法规以保障从事放射工作的人员和报警,提醒工作人员及时处理
公众的健康与安全?根据石油测井行业的工作特点和1系统的总体构成
实际情况,在放射性源都储存在源罐中,然后统一放
在源库中管理。然,人为的管理,长时间积累也会
基于无线传感器网络的源库监测预警系统由部署
对人体造成伤害,并且人并不能近距离监测源罐的情在监测区域内大量的廉价微型传感器节点、无线网关
况,如果出现放射性源脱落容器,甚至放射性源丢失以及监测中心组成。无线传感器网络拓扑结构包括星
的现象。一旦出现这种情况而不能及时被发现,其后型、簇型、网状型。为了减小能量损失和数据包丢
果将不堪设想
失,采用星型网络拓扑结构。系统结构如图1所示
无线传感器网络WSN是由大量无处不在的、具
有通信与计算能力的微小传感器节点,密集布设在无
监控中心计算机
人值守的监控区域,构成能够根据环境自主完成指定
串行通信
任务的“智能”自治监控网络系统。网络中随机分
无线网关
布的集成有传感器、数据处理单元与通信模块的微小
Zigbee无线通讯
节点通过自组织的方式构成网络,借助于节点中内置
的形式多样的传感器探测包括放射性、温度、湿度、
检测
检测
检测
检测
噪声、光强度、压力和移动物体的大小、速度、方向
节点
节点2
节点
等众多我们感兴趣的物理现象,并通过无线通信传送
图1系统结构原理图
信息。该网络系统以数据为中心,以获取信息为目
第一作者简介:白盛明,男,1962年生,1998年毕业于大庆石油学院石油工程专业,大专学历、现在测井公司研究一所从事仪器制造管理工
作。邮编:163412
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检测节点完成定位,放射性强度,红外线等数据如图3(b)所示。为了克服计数管尾堆积现象对辐
感知和采集,并且通过路由协议定时将采集数据发送射粒子计数的影响,电路中采用了可调整触发时间的
给无线网关;无线网关主要负责?络的建立,将采集单稳态触发器,处理后的信号波形如图3(c)所示。
到的数据通过串行通信传送到监控中心;监控中心利之后再由徴处理器的内部计数器对其计数,从而得到
用 Labview图形化的编程环境完成了收集、处理、放射性源的辐射粒子计数率
监控和显示无线传感器节点数据,并支持信息查询终
端的远程访问。本文以放射性强度采集为例,介绍了
整个系统的设计过程。
2系统硬件设计
t/s
1)检测节点设计
检测节点由传感器单元、处理器、无线通信单元
100us-400
和电源单元组成。节点硬件结构如图2所示
传感器模块
处理器模块无线通讯模块
传感器[ADDA
处理器
存储器
协议栈收发器
监控中心计算机
图2检测节点结构图
传感器单元负责监测区域内信息的采集和数据转
换;处理器单元负责控制整个传感器节点的操作、存
t/s
储和处理本节点采集的数据以及其它节点发来的数
据;无线通信单元负责与其他传感器节点进行无线通
图3盖革计数管的输出信号波形及处理
信,交换控{信息和收发采集数据;电源单元为传感
2)网关节点设计
器节点运行提供能量。
网关主要完成将采集到的数据通过串口传递给监
处理器和无线通信模块采用 Chipcon公司最新推控中心,故不需要传感器模块,需增加RS-232接口
出的符合2.4 GIEEES802.15.4标准的射频收发器电路
CC2430。CC2430芯片集成了 Zig Bec射频前端、内存
和微控制器,它包含一个8位的80 )51MCU,拥有3系统的软件设计
32/64/128k可编程 Flash,8kB的RAM,ADC,几个
1)网络节点程序设计
定时器和AES-128安全协处处理器、看门狗定时器、
(1)通倍协议
上电复位电路、掉电检测电路、32KHz晶振休眠眠模
采用TI公同依据 Zig Beespeeification2006专为
式定时器和21个可编程IO引脚。PO和P口是完全C2430芯片设计的协议機,主要由5部分组成:硬
的8位口,P2口只有5个可使用的位,通过软件设定
组SFR寄存器的位和字节可使这些引脚作为通用件拙象层、操作系统抽象层、 Zigbee Stack-+
IE802.15.4MAC、用户应用程序和监视测试程序
的O口或作为连接ADC、计时器或 USART部件的
外围I/O口使用。
在本系统中,网络节点(包括网关节点、检测节点)
程序就是建立在Z- Stack协议栈的基础上开发完成的。
传感器的作用是将入射粒子的能量转换成电信号
输出。从传感器的构成机理上看。它可分为气体电离
协议栈结构在IAR中如图4所示
型、半导体型和闪烁型探测器。依据应用目的不同放
(2)开发环境
射性探测可分为粒子探测、时间探测、强度探测和能
系统节点以及节点间的通信程序设计选用IAR
谱探测等。根摒功能要求本仪器选用了属于强度探测
司的 Embedded Workbench,它是一款优异的 Zigbee
的气体电离型探测器一盖革计数管。每当有辐射粒
软件集成开发平台,集成了嵌人式CC+优化编译
子射人荒革计数管的管壁时,其输出信号渡形