Zigbee技術(shù)在核輻射環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

摘要：針對某些區(qū)域特殊環(huán)境核輻射的監(jiān)測需要，提出了一種基于ZigBee無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。以TI公司的CC2530芯片為核心，CC2591芯片及PC上位機構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺。該系統(tǒng)不僅能夠監(jiān)測γ輻射劑量，而且還可以監(jiān)測溫濕度、雨量等大氣參數(shù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(fā)性，對國家政治、經(jīng)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(fā)生概率很低，但必須做好充分的核事故應(yīng)急準(zhǔn)備。我國現(xiàn)在大部分的核輻射監(jiān)測系統(tǒng)都是有線傳感網(wǎng)絡(luò)，本研究提出的ZigBee技術(shù)在核輻射監(jiān)測方面的應(yīng)用，很好地解決了有線傳輸?shù)男盘栠t滯、信號失真、信號精確度低的缺點。同時能夠監(jiān)測的區(qū)域溫濕度、雨量等大氣參數(shù)，可作為對γ輻射劑量進(jìn)行綜合分析與判斷的參考參數(shù)。

1 系統(tǒng)的原理和框架

1.1 基本原理

ZigBee技術(shù)是一種新型的、基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)。其優(yōu)點是組網(wǎng)靈活、結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、成本低?；赯igBee技術(shù)構(gòu)建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種，分別是星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、樹狀形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中全功能設(shè)備代表協(xié)調(diào)器或傳感器節(jié)點，它可以和任何其他的設(shè)備通訊;而半功能設(shè)備只能是傳感器節(jié)點。圖中所示星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由一個協(xié)調(diào)器和數(shù)個終端節(jié)點構(gòu)成，適用于一定范圍的環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用;樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由一個協(xié)調(diào)器和若干個星型網(wǎng)絡(luò)組成，適用于數(shù)據(jù)量小但規(guī)模較大的監(jiān)測場合;網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中各個設(shè)備之間是對等通信，每個節(jié)點都可以與在通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點進(jìn)行互相通信。由于本監(jiān)測系統(tǒng)的節(jié)點較多，規(guī)模較大，考慮到網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中各節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸可以選擇有多個路徑，可靠性高。當(dāng)某一路徑出現(xiàn)問題時，可通過其他路徑繼續(xù)傳輸測量數(shù)據(jù)，對避免數(shù)據(jù)的丟失或遺漏有很好的保障，因此，本設(shè)計的傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

核輻射監(jiān)測系統(tǒng)由上位機、協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點網(wǎng)絡(luò)以及傳感器終端節(jié)點組成，其中路由器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)由多個路由器相互通信而成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)終端節(jié)點的各種傳感器分別采集γ輻射劑量及各種大氣數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳送給路由器，經(jīng)過路由器節(jié)點之間的互相通訊以及數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器傳至上位機，上位機對測得的各個數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析處理，得出的數(shù)據(jù)如超過設(shè)定的γ輻射劑量則會發(fā)出報警信號。同時上位機能夠管理和顯示數(shù)據(jù)，方便用戶進(jìn)行實施監(jiān)控與查詢。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的芯片選擇及總體硬件設(shè)計

目前針對ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)穩(wěn)定性的考慮，本系統(tǒng)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(tǒng)解決方案，工作頻段在2.4GHz。其包含了RF收發(fā)器、增強型的8051CPU、擁有8k數(shù)據(jù)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(jié)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(nèi)部集成功率放大器(PA)的增益為22dB，最大發(fā)射功率為+22dBin(輸入+5dBm)，4.8dB的噪聲系數(shù)，接收靈敏度改善6dB，接收部分內(nèi)部集成的LNA分接收增益在1～11dBm之間。

系統(tǒng)下位機硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。主要由多個帶有CC2591的傳感器節(jié)點連接路由器，再由路由器連接主協(xié)調(diào)器而構(gòu)成。

2.2 系統(tǒng)的終端節(jié)點硬件設(shè)計及傳感器的選取

系統(tǒng)的終端節(jié)點硬件設(shè)計以核心芯片2530結(jié)合外圍模塊)如A/D基準(zhǔn)電壓、存儲器、調(diào)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(gòu)成。系統(tǒng)的終端節(jié)點硬件設(shè)計圖如圖4所示。

系統(tǒng)選用GM計數(shù)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(yīng)環(huán)境的溫濕度范圍寬和使用耐久性強等特點，符合監(jiān)測需求;大氣傳感器包括：溫、濕度的測量元件選用數(shù)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(yīng)快，可根據(jù)單片機的不同指令，來選擇測量溫度和濕度;風(fēng)速、風(fēng)向測量元件選用ZP—WVD型風(fēng)速風(fēng)向傳感器，同時測量風(fēng)速與風(fēng)向，該傳感器功耗低、抗干擾能力強、穩(wěn)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(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點主要是采集γ輻射劑量與各大氣數(shù)據(jù)，通過路由器將采集的數(shù)據(jù)打包以無線的方式送達(dá)協(xié)調(diào)器，并完成協(xié)調(diào)器發(fā)來的指令。啟動后先進(jìn)行硬件和協(xié)議棧的初始化，然后開始信道掃描并通過協(xié)調(diào)器組建的無線網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后各節(jié)點進(jìn)行綁定且開始采集各數(shù)據(jù)，當(dāng)傳感器采集到γ輻射劑量與大氣數(shù)據(jù)后將其發(fā)送給協(xié)調(diào)器。傳感器節(jié)點的流程圖如圖5所示。

3.2 上位機軟件設(shè)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(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實時監(jiān)測，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳至中央監(jiān)測平臺，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)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(xiàn)了將無線傳感網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)儲存至數(shù)據(jù)庫，并能實時顯示各監(jiān)測數(shù)據(jù)及其波動曲線，可以查詢歷史數(shù)據(jù)及顯示歷史數(shù)據(jù)曲線等功能。核輻射監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控中心的主界面如圖7所示。

4 結(jié)束語

本文闡述了一種基于Zigbee技術(shù)的核輻射監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。該設(shè)計無需布線，傳感節(jié)點可以移動位置以滿足監(jiān)測需要，新加入節(jié)點可輕松入網(wǎng)。相比之有線核輻射監(jiān)測系統(tǒng)有成本低、數(shù)據(jù)采集頻率高、在惡劣環(huán)境下的安全性高等優(yōu)點。經(jīng)過試驗表明，本系統(tǒng)的性能可靠，能夠很好地完成區(qū)域內(nèi)核輻射的監(jiān)測。