Zigbee技术在核辐射环境监测中的应用

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针对某些区域特殊环境核辐射的监测需要，提出了一种基于ZigBee无线传感监测系统的设计方案。以TI公司的CC2530芯片为核心，CC2591芯片及PC上位机构建系统网络的硬件平台。该系统不仅能够监测γ辐射剂量，而且还可以监测温湿度、雨量等大气参数，并实现数据的采集、处理、传输、显示以及超限报警。
       
        0引言
       
        由于核辐射恐怖事件及核辐射事故具有突发性，对国家政治、经济和社会安全有巨大危害，容易造成社会动荡，其次核电是清洁安全的能源，虽然重大事故的发生概率很低，但必须做好充分的核事故应急准备。我国现在大部分的核辐射监测系统都是有线传感网络，本研究提出的ZigBee技术在核辐射监测方面的应用，很好地解决了有线传输的信号迟滞、信号失真、信号精确度低的缺点。同时能够监测的区域温湿度、雨量等大气参数，可作为对γ辐射剂量进行综合分析与判断的参考参数。
       
        1系统的原理和框架
       
        1.1基本原理
       
        ZigBee技术是一种新型的、基于IEEE 802.15.4标准的短距离无线通信技术。其优点是组网灵活、结构简单、功耗小、成本低。基于ZigBee技术构建的无线传感网络拓扑结构有三种，分别是星型网络结构、树状形网络结构和网状网络结构，如图1所示。其中全功能设备代表协调器或传感器节点，它可以和任何其他的设备通讯；而半功能设备只能是传感器节点。图中所示星型网络结构由一个协调器和数个终端节点构成，适用于一定范围的环境监测应用；树状网络结构是由一个协调器和若干个星型网络组成，适用于数据量小但规模较大的监测场合；网状结构中各个设备之间是对等通信，每个节点都可以与在通信范围内的其它节点进行互相通信。由于本监测系统的节点较多，规模较大，考虑到网状网络结构中各节点的数据传输可以选择有多个路径，可靠性高。当某一路径出现问题时，可通过其他路径继续传输测量数据，对避免数据的丢失或遗漏有很好的保障，因此，本设计的传感网络结构选择网状网络结构，具体结构如图1所示。
       
       
        图1 拓扑结构
       
        1.2系统整体设计结构图
       
        核辐射监测系统由上位机、协调器、路由节点网络以及传感器终端节点组成，其中路由器节点网络由多个路由器相互通信而成。系统结构框图如图2所示。系统终端节点的各种传感器分别采集γ辐射剂量及各种大气数据，然后将数据传送给路由器，经过路由器节点之间的互相通讯以及数据处理，将数据通过协调器传至上位机，上位机对测得的各个数据进行综合的分析处理，得出的数据如超过设定的γ辐射剂量则会发出报警信号。同时上位机能够管理和显示数据，方便用户进行实施监控与查询。
       
       
       
        图2 基于Zigbee技术的核辐射检测系统
       
        2系统硬件设计
       
        2.1系统的芯片选择及总体硬件设计
       
        目前针对ZigBee技术标准的芯片种类较多，比较常用的有TI公司的CC2430、CC2530、CC1110和飞思卡尔公司的MCI3192/3芯片等。基于传输频率、功耗以及系统稳定性的考虑，本系统采用TI公司推出的CC2530作为核心，CC2591为前端传输。
       
        CC2530芯片是集IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE于一体的系统解决方案，工作频段在2.4GHz.其包含了RF收发器、增强型的8051CPU、拥有8k数据存储器和1256kFlash的大容量程序存储器等，所需电压的范围在2.0～3.6V之间，只需两节五号电池就可以满足供电要求。
       
        CC2591也是TI公司推出的工作频段在2.4GHz，面向低电压与低功耗、集成度很高的前端芯片。CC2591的内部集成功率放大器（PA）的增益为22dB，最大发射功率为+22dBin（输入+5dBm），4.8dB的噪声系数，接收灵敏度改善6dB，接收部分内部集成的LNA分接收增益在1～11dBm之间。
       
        系统下位机硬件结构图如图3所示。主要由多个带有CC2591的传感器节点连接路由器，再由路由器连接主协调器而构成。
       
       
        图3 系统下位机硬件结构图
       
        2.2系统的终端节点硬件设计及传感器的选取
       
        系统的终端节点硬件设计以核心芯片2530结合外围模块）如A/D基准电压、存储器、调试接口及传感器等，加上必需的射频前端芯片CC2591以及电源模块构成。系统的终端节点硬件设计图如图4所示。
       
       
        图4 终端节点硬件设计图
       
        系统选用GM计数管作为γ辐射探测器的探头。GM管的输出信号大、功耗低、能够适应环境的温湿度范围宽和使用耐久性强等特点，符合监测需求；大气传感器包括：温、湿度的测量元件选用数字型插针式的DHT11温湿度传感器，该传感器具有抗干扰性强、精度高、反应快，可根据单片机的不同指令，来选择测量温度和湿度；风速、风向测量元件选用ZP—WVD型风速风向传感器，同时测量风速与风向，该传感器功耗低、抗干扰能力强、稳定性好。雨量的测量采用FY-Y2型雨量传感器，可同时测量降水量、降水强度等。
       
        3系统软件设计
       
        3.1传感器节点的软件设计
       
        传感器节点主要是采集γ辐射剂量与各大气数据，通过路由器将采集的数据打包以无线的方式送达协调器，并完成协调器发来的指令。启动后先进行硬件和协议栈的初始化，然后开始信道扫描并通过协调器组建的无线网络，入网成功后各节点进行绑定且开始采集各数据，当传感器采集到γ辐射剂量与大气数据后将其发送给协调器。传感器节点的流程图如图5所示。
       
       
        图5 传感器节点的流程图
         
        图6 上位机软件流程图
       
        3.2上位机软件设计
       
        上位机为中央处理平台，采用VB编写，其软件流程图如图6所示。中央处理平台实现对网络节点实时监测，同时将监测数据传至中央监测平台，以实现对数据的储存、大气因素对γ辐射剂量影响的分析及报警。上位机实现了将无线传感网络中各节点发送来的数据储存至数据库，并能实时显示各监测数据及其波动曲线，可以查询历史数据及显示历史数据曲线等功能。核辐射监测系统的监控中心的主界面如图7所示。
       
       
        图7 上位机监控界面
       
        4结束语
       
        本文阐述了一种基于Zigbee技术的核辐射监测系统的设计。该设计无需布线，传感节点可以移动位置以满足监测需要，新加入节点可轻松入网。相比之有线核辐射监测系统有成本低、数据采集频率高、在恶劣环境下的安全性高等优点。经过试验表明，本系统的性能可靠，能够很好地完成区域内核辐射的监测。