基于MSP430和LcoRE6的無線輻射監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種利用高性能MSP430單片機(jī)和LcoRE6系列OEM無線收發(fā)模塊構(gòu)成的無線輻射監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對其中的主從機(jī)架構(gòu)、無線通信方式和系統(tǒng)運(yùn)行流程等進(jìn)行了探討。該系統(tǒng)具有成本低、可靠性好以及便于實(shí)際工程實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)，可快速構(gòu)成由點(diǎn)及面的分布式區(qū)域輻射監(jiān)控系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：MSP430；LcoRE6；IPORT；無線監(jiān)控

    目前，在冶金、石油等企業(yè)的生產(chǎn)過程中普遍使用大量放射源，由于部分放射源活度較大，有可能對作業(yè)人員造成傷害，因此必須對射源周邊的輻射劑量進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠的監(jiān)控。此外，礦廠的作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境一般比較惡劣且廠區(qū)面積較大，所以有線方式監(jiān)控不能滿足現(xiàn)實(shí)要求，而無線輻射監(jiān)控系統(tǒng)則可以很好的進(jìn)行無縫式區(qū)域輻射監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要包括高壓電路、MSP430F149微處理器、IPORT以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊、LcoRE6無線收發(fā)模塊、上位機(jī)監(jiān)控等部分組成。總體框圖如圖1所示。

    GM計(jì)數(shù)管是探測輻射射線的常見元件，其管內(nèi)充以惰性氣體和少量有機(jī)氣體。工作時(shí)，兩極間加上適當(dāng)?shù)闹绷鞲邏?，射線粒子射入管內(nèi)使氣體電離，電子運(yùn)動的過程中，受到強(qiáng)電場的加速，與許多分子碰撞電離產(chǎn)生大量電子，它們聚集后在外電路中形成可以計(jì)數(shù)的電壓脈沖。
    系統(tǒng)的整體工作原理是：探頭部分的高壓電路產(chǎn)生450v左右的直流高壓，使得GM計(jì)數(shù)管在輻射射線的作用下產(chǎn)生脈沖信號。脈沖信號被送入MSP430F149微處理器的計(jì)數(shù)口進(jìn)行計(jì)數(shù)，經(jīng)過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換得出輻射劑量值并通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)。主機(jī)的LcoRE6無線收發(fā)模塊接收到探頭無線模塊發(fā)送過來的輻射劑量值，經(jīng)過處理器處理后在LCD液晶上顯示出來，數(shù)據(jù)同時(shí)由IPORT以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊通過網(wǎng)線發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)控端。上位機(jī)除了查詢顯示劑量值外，還可以設(shè)置相應(yīng)探頭的報(bào)警閾值以及分布式探頭編號的增加和刪除。從而實(shí)現(xiàn)直觀的人機(jī)交互監(jiān)控。

2 無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用夏瑞科技公司的LcoRE6無線收發(fā)模塊。該模塊具有體積小、超低功耗、發(fā)射距離較遠(yuǎn)(300米內(nèi))、工作于免許可證頻段、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)?？奢p松實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)、廣播和Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)等組網(wǎng)方式。
    模塊獨(dú)有的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為重要數(shù)據(jù)的傳輸提供了快速、可靠的無線網(wǎng)絡(luò)，使用戶可以建立完全自適應(yīng)和可升級、可擴(kuò)展的應(yīng)用系統(tǒng)。Ad-Hoc路由協(xié)議是專為多跳的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)百個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)與控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以為網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，接收到損壞的數(shù)據(jù)包時(shí)節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行檢測并丟棄錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包。
2．1 無線模塊配置
    配置LcoRE6模塊的基本流程如圖2所示。

    (1)查看當(dāng)前模塊工作模式：AT命令為AT$B?，返回結(jié)果0為主機(jī)模式，返回結(jié)果1為從機(jī)模式。在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集探頭部分無線模塊設(shè)置為從機(jī)模式，命令為AT$B=1。主機(jī)部分無線模塊設(shè)置為主機(jī)模式，命令為AT$B=0。
    (2)查看當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)ID：AT命令為ATI?，返回結(jié)果即為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)ID號。為了使同一網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備能夠正常通信，免受其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對本網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)干擾，同一網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備無線模塊應(yīng)該設(shè)置為同一ID號碼。修改ID的AT命令為ATI=參數(shù)值。
2．2 無線模塊外圍接法
    由于LcoRE6模塊采用串行UART數(shù)據(jù)接口技術(shù)，使得其外圍電路十分簡單，通信口只需占用單片機(jī)的一個(gè)串口，兩個(gè)引腳，十分便于集成。而且通過其特有的休眠(WAKE)引腳，可方便的設(shè)置工作于低功耗模式，如圖3所示。

3 主機(jī)與上位機(jī)通信模塊設(shè)計(jì)
    由于輻射監(jiān)控系統(tǒng)的特殊性，需要建立一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺以便于能夠?qū)崟r(shí)直觀的監(jiān)控。通過周立功IPort以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊將監(jiān)控主機(jī)連入因特網(wǎng)，我們便可以方便的在任何地方查詢和監(jiān)控。
    IPort串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器是具有RJ45的以太網(wǎng)串口轉(zhuǎn)換模組，內(nèi)部集成TCP／IP協(xié)議棧，提供全面的網(wǎng)絡(luò)解決方案，可工作于TCP Serv er，TCPClient，UDP和Real Com等模式下，目標(biāo)IP和端口均可設(shè)置。利用它可以輕松完成嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能。其外圍電路接口十分簡單，如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)進(jìn)行I／O口和液晶初始化，然后讀取存儲芯片24c64中存儲的探頭編號和數(shù)目，主機(jī)通過無線通信方式依次向這些探頭詢問數(shù)據(jù)，探頭應(yīng)答從而進(jìn)入數(shù)據(jù)采集程序，接著進(jìn)行ERR、閾值、掉線三種報(bào)警狀態(tài)判斷。系統(tǒng)的主要流程圖如圖5所示。

5 上位機(jī)監(jiān)控端
    主機(jī)通過IPORT嵌入式以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊和PC服務(wù)器通信，然后監(jiān)控人員通過因特網(wǎng)登錄服務(wù)器網(wǎng)頁，查詢相應(yīng)探頭采集的數(shù)據(jù)。服務(wù)器實(shí)時(shí)查詢并存儲監(jiān)控劑量值，從而可以獲得年月日多種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。圖6所示為實(shí)際項(xiàng)目中系統(tǒng)的1號監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測曲線圖。其中縱坐標(biāo)代表監(jiān)測值，橫坐標(biāo)代表監(jiān)測時(shí)間點(diǎn)。如果某時(shí)刻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)大于報(bào)警上限，則系統(tǒng)自動對監(jiān)控人員發(fā)出報(bào)警信號。

6 結(jié)束語
    本文介紹了利用MSP430單片機(jī)和LcoRE6無線收發(fā)模塊構(gòu)建的無線輻射監(jiān)控系統(tǒng)方案，給出了關(guān)鍵模塊部分的實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行，運(yùn)行可靠直觀。通過該系統(tǒng)，不僅能實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋監(jiān)控，還可以通過網(wǎng)線在任何有因特網(wǎng)的地方方便的進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此該系統(tǒng)應(yīng)用前景十分廣闊。