文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.021
中文引用格式： 王長清，曹淵. 核物質研究應用過程中的監管系統設計[J].電子技術應用，2015，41(11)：74-77.
英文引用格式： Wang Changqing，Cao Yuan. Design of supervision system at the nuclear material research and application[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：74-77.
0 引言
隨著核技術在科研與生產領域中的廣泛應用，核實驗室和研究機構越來越多，由于輻射射線會對人體造成傷害，所以核物質研究應用中的安全監控問題不可忽略。文獻[1]介紹了一種基于視頻監控系統，但實時監控性差，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域進行輻射監測，由于功能單一，無法小型化應用在復雜環境下的科研部門。文獻[5-6]設計出無線個人輻射儀，實現對佩戴人員周邊環境進行探測，當個人輻射儀發出警報時，說明人員已經處于輻射環境中，由于無法做出提前預警，所以不能確保個人人身安全。
本文以無線網絡技術與傳感器設計研究成果[7-10]為基礎，借鑒現有輻射監控技術的優點[1-6]，提出對核物質在研究應用過程中的監管系統設計，利用無線局域網絡，實現了系統的實時在線監控；以多組數據中信號強度指示RSSI的距離標定值進行警戒范圍判定，對核物質是否發生偷盜或人員誤入警戒區進行監控，不依賴參考節點坐標設定，提升了系統的靈活性。安放在研究室周圍的監控節點和安置在適當位置的移動監測節點，不僅可以對核物質發生盜竊和人員誤入警戒區做出警報，當實驗過程中核物質發生輻射泄露時，及時向外發送輻射危險警報，確保相關人員人身安全，系統更加安全化、智能化。
1 系統原理與框架設計
1.1 系統總體結構
系統整體由3部分組成：監測管理中心、移動監測節點和監控節點。監測管理中心是ZigBee網絡的協調器部分，用于建立無線局域網絡，通過串口總線與PC主機通信，實時記錄網絡數據；當判定有危險存在時，促發報警裝置。移動監測節點分為兩類，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域或周圍環境存在輻射危險時，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放置容器上標記節點，當檢測到核物質被移動時，向監控節點發送移動警報信息。監控節點用于判斷和監測核物質在研究應用過程中是否被偷盜移出工作警戒區、工作人員誤入警戒區和核物質發生輻射泄漏，當檢測到危險信號時，向監測管理中心發送危險信號。系統總體結構如圖1所示。
1.2 輻射探測原理與方法
核物質在經歷衰變過程中，伴隨性地產生對人體有害的α、β、γ三種射線，通過探測器監測以上射線是否超過正常輻射劑量值來判斷放射性物質是否發生輻射泄漏。
本系統只為在發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、穩定性好、體積小的J705型G-M計數管作為輻射探測前端。J705型G-M計數管是一種薄壁鹵素計數管。計數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，但獲得的信號更穩定、安全，系統選擇從陰極，即G-M計數管的外殼部分采集信號。由于G-M計數管產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 警戒區域判定方式
無線局域網絡ZigBee系統進行區域判定大多數采用無線定位方式，利用數據接收信號強度指示RSSI的數值，經過理論和經驗模型將傳輸損耗轉化為距離值，運用算法根據參考節點位置坐標計算出節點位置。一般方式得到的坐標數據誤差較大，為得到精確的數據，常采用復雜算法對定位數據進行處理，此方法使得芯片負荷增加，參考節點坐標固定不變，系統靈活性隨之下降。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，把計算后穩定的數據與距離進行標定。記錄兩節點每增加一定距離時的數值，以此設定警戒區域范圍。區域的判定不依賴參考節點的具體坐標數據，僅與距離相關，提升了系統的靈活性。
2 硬件體系設計
2.1 標記節點硬件組成
標記節點安裝在核物質容器上，用于檢測核物質是否被移出工作警戒區，主要由ZigBee模塊作為控制器外接撥碼開關和振動傳感器等，撥碼開關可以根據節點數量選擇合適的位數，使得所有節點的編碼值都不相同，對所有節點進行編碼區分。考慮到實際情況，節點采用電池供電。標記節點硬件組成如圖3所示。
2.2 個人警示儀硬件電路
個人警示儀屬于移動節點，佩戴在工作人員身邊，對其周邊環境進行監控，當環境中有輻射或人員進入警戒區域內時，通過燈光與不同頻率驅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計數管與相應的電源管理模塊。個人警示儀結構如圖4所示。
2.3 協調器硬件電路
協調器作為無線網絡的建立節點，通過串口總線與PC機組成監測管理中心，主要由電源適配器、聲光報警裝置和串口總線模塊組成。協調器一方面判斷網絡中是否存在危險，若存在危險，促發聲光報警裝置。另一方面把接收到的數據實時傳輸到PC機進行顯示記錄，使相關人員可以根據記錄情況分析危險種類，采取合理的處理措施。協調器電路結構如圖5所示。
2.4 監控節點硬件電路
監控節點安放在核物質應用研究室的四周，主要由電源適配器、ZigBee模塊和輻射探測模塊組成。監測放置在核物質容器上的標記節點是否離開設定的警戒區域和佩戴有個人警示儀的工作人員是否進入工作警戒區；當核物質在研究過程中發生輻射泄漏時，監控節點迅速向協調器發送輻射危險信號。整體電路設計結構如圖6所示。
3 系統軟件設計
3.1 標記節點程序設計
節點上電后，初始化各功能模塊，按照設定的ID值加入網絡。入網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，向監控節點發送移動警報信息，否則進入休眠狀態，降低系統能耗。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絡，若成功入網，說明工作人員活動在核物質研究實驗室附近。監控節點發送撥碼開關的編碼值等移動警報信息，等待系統回執警告信號，如果收到警告信號，表明工作人員已經進入警戒區域，個人警示儀通過設定的脈沖信號驅動蜂鳴器和LED燈組發出遠離警示。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，個人警示儀驅動蜂鳴器和LED燈組發出輻射警示，提醒工作人員進行相應處理。程序流程圖如圖8所示。
3.3 協調器程序設計
協調器上電后掃描信道建立合適的局域網絡，當接收到監控節點的警報信息時，對所有監控節點的數據進行綜合判定，如果結果顯示核物質被移出工作警戒區，則判定核物質處于盜竊危險狀態，驅動聲光報警器通知相關人員；當判定結果是工作人員誤入安全警戒區，則向個人警示儀發送警告命令。若接收到的信息是輻射泄漏警報，直接驅動聲光報警器，協調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。協調器程序設計如圖9所示。
3.4 監控節點軟件設計
一個監控節點只能監測該節點下的扇形區域，所有監控節點的扇形疊加區域定義為工作警戒區。監控節點正常運行后等待接收移動監測節點的移動警報信號，并啟動輻射探測模塊對工作環境進行輻射探測。當探測的輻射劑量超過設定閾值，說明有輻射泄露危險，向協調器發送輻射危險信息。當監控節點接收到移動監測節點的移動警報信息時，提取信息中的RSSI值并進行轉化，把轉化值和標定值進行對比。如果移動監測節點超出該監控節點預先設定的閾值范圍，如標記節點發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域，則向協調器發送移動警報信息，否則發送安全移動信息。軟件流程如圖10所示。
4 實驗數據與分析
環境溫濕度和WiFi網絡對無線網絡的信號強度指示RSSI數值有一定的影響，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定結果。表1所示為距離與RSSI原碼值的關系，測試單位為0.05 m。結果表明，誤差距離在0.5 m內，達到預期結果。
對于不同的輻射環境，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，輻射監測結果如圖11所示。
5 結論
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在研究應用過程中監管系統設計方案，系統實現了對核物質智能實時監控和工作人員的安全警示。該系統成本低，布置方便靈活，有利于科研部門的管理和調度水平的提高。
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