Zigbee技術在核輻射環境監測中的應用

摘要：針對某些區域特殊環境核輻射的監測需要，提出了一種基于ZigBee無線傳感監測系統的設計方案。以TI公司的CC2530芯片為核心，CC2591芯片及PC上位機構建系統網絡的硬件平臺。該系統不僅能夠監測γ輻射劑量，而且還可以監測溫濕度、雨量等大氣參數，并實現數據的采集、處理、傳輸、顯示以及超限報警。

0 引言

由于核輻射恐怖事件及核輻射事故具有突發性，對國家政治、經濟和社會安全有巨大危害，容易造成社會動蕩，其次核電是清潔安全的能源，雖然重大事故的發生概率很低，但必須做好充分的核事故應急準備。我國現在大部分的核輻射監測系統都是有線傳感網絡，本研究提出的ZigBee技術在核輻射監測方面的應用，很好地解決了有線傳輸的信號遲滯、信號失真、信號精確度低的缺點。同時能夠監測的區域溫濕度、雨量等大氣參數，可作為對γ輻射劑量進行綜合分析與判斷的參考參數。

1 系統的原理和框架

1.1 基本原理

ZigBee技術是一種新型的、基于IEEE 802.15.4標準的短距離無線通信技術。其優點是組網靈活、結構簡單、功耗小、成本低。基于ZigBee技術構建的無線傳感網絡拓撲結構有三種，分別是星型網絡結構、樹狀形網絡結構和網狀網絡結構，如圖1所示。其中全功能設備代表協調器或傳感器節點，它可以和任何其他的設備通訊;而半功能設備只能是傳感器節點。圖中所示星型網絡結構由一個協調器和數個終端節點構成，適用于一定范圍的環境監測應用;樹狀網絡結構是由一個協調器和若干個星型網絡組成，適用于數據量小但規模較大的監測場合;網狀結構中各個設備之間是對等通信，每個節點都可以與在通信范圍內的其它節點進行互相通信。由于本監測系統的節點較多，規模較大，考慮到網狀網絡結構中各節點的數據傳輸可以選擇有多個路徑，可靠性高。當某一路徑出現問題時，可通過其他路徑繼續傳輸測量數據，對避免數據的丟失或遺漏有很好的保障，因此，本設計的傳感網絡結構選擇網狀網絡結構，具體結構如圖1所示。

1.2 系統整體設計結構圖

核輻射監測系統由上位機、協調器、路由節點網絡以及傳感器終端節點組成，其中路由器節點網絡由多個路由器相互通信而成。系統結構框圖如圖2所示。系統終端節點的各種傳感器分別采集γ輻射劑量及各種大氣數據，然后將數據傳送給路由器，經過路由器節點之間的互相通訊以及數據處理，將數據通過協調器傳至上位機，上位機對測得的各個數據進行綜合的分析處理，得出的數據如超過設定的γ輻射劑量則會發出報警信號。同時上位機能夠管理和顯示數據，方便用戶進行實施監控與查詢。

2 系統硬件設計

2.1 系統的芯片選擇及總體硬件設計

目前針對ZigBee技術標準的芯片種類較多，比較常用的有TI公司的CC2430、CC2530、CC1110和飛思卡爾公司的MCI3192/3芯片等。基于傳輸頻率、功耗以及系統穩定性的考慮，本系統采用TI公司推出的CC2530作為核心，CC2591為前端傳輸。

CC2530芯片是集IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE于一體的系統解決方案，工作頻段在2.4GHz。其包含了RF收發器、增強型的8051CPU、擁有8k數據存儲器和1256kFlash的大容量程序存儲器等，所需電壓的范圍在2.0～3.6V之間，只需兩節五號電池就可以滿足供電要求。

CC2591也是TI公司推出的工作頻段在2.4GHz，面向低電壓與低功耗、集成度很高的前端芯片。CC2591的內部集成功率放大器(PA)的增益為22dB，最大發射功率為+22dBin(輸入+5dBm)，4.8dB的噪聲系數，接收靈敏度改善6dB，接收部分內部集成的LNA分接收增益在1～11dBm之間。

系統下位機硬件結構圖如圖3所示。主要由多個帶有CC2591的傳感器節點連接路由器，再由路由器連接主協調器而構成。

2.2 系統的終端節點硬件設計及傳感器的選取

系統的終端節點硬件設計以核心芯片2530結合外圍模塊)如A/D基準電壓、存儲器、調試接口及傳感器等，加上必需的射頻前端芯片CC2591以及電源模塊構成。系統的終端節點硬件設計圖如圖4所示。

系統選用GM計數管作為γ輻射探測器的探頭。GM管的輸出信號大、功耗低、能夠適應環境的溫濕度范圍寬和使用耐久性強等特點，符合監測需求;大氣傳感器包括：溫、濕度的測量元件選用數字型插針式的DHT11溫濕度傳感器，該傳感器具有抗干擾性強、精度高、反應快，可根據單片機的不同指令，來選擇測量溫度和濕度;風速、風向測量元件選用ZP—WVD型風速風向傳感器，同時測量風速與風向，該傳感器功耗低、抗干擾能力強、穩定性好。雨量的測量采用FY-Y2型雨量傳感器，可同時測量降水量、降水強度等。

3 系統軟件設計

3.1 傳感器節點的軟件設計

傳感器節點主要是采集γ輻射劑量與各大氣數據，通過路由器將采集的數據打包以無線的方式送達協調器，并完成協調器發來的指令。啟動后先進行硬件和協議棧的初始化，然后開始信道掃描并通過協調器組建的無線網絡，入網成功后各節點進行綁定且開始采集各數據，當傳感器采集到γ輻射劑量與大氣數據后將其發送給協調器。傳感器節點的流程圖如圖5所示。

3.2 上位機軟件設計

上位機為中央處理平臺，采用VB編寫，其軟件流程圖如圖6所示。中央處理平臺實現對網絡節點實時監測，同時將監測數據傳至中央監測平臺，以實現對數據的儲存、大氣因素對γ輻射劑量影響的分析及報警。上位機實現了將無線傳感網絡中各節點發送來的數據儲存至數據庫，并能實時顯示各監測數據及其波動曲線，可以查詢歷史數據及顯示歷史數據曲線等功能。核輻射監測系統的監控中心的主界面如圖7所示。

4 結束語

本文闡述了一種基于Zigbee技術的核輻射監測系統的設計。該設計無需布線，傳感節點可以移動位置以滿足監測需要，新加入節點可輕松入網。相比之有線核輻射監測系統有成本低、數據采集頻率高、在惡劣環境下的安全性高等優點。經過試驗表明，本系統的性能可靠，能夠很好地完成區域內核輻射的監測。