基于ZigBee及ARM的放射源監控方案

楊鑫焱 鄭浩然

摘要：隨著我國經濟與科技的高速發展，核安全日益受到國內外各界的廣泛關注。加強對放射源的監控也逐漸成為大家的共識。根據對放射源的監控需求，提出了一種基于ZigBee和ARM的放射源監控方案。該方案旨在對現場的放射源進行實時自動監測，并通過ZigBee傳感網、以太網、GSM網絡等多種通信方式，將數據上傳到本地或遠程的放射源監控系統，以實現對放射源的有效監管。

關鍵詞：ZigBee；放射源監控；ARM

DOIDOI：10.11907/rjdk.161564

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）005-0155-02

1 放射源監控方案硬件選擇

1.1 處理器選擇

1.1.1 CC2530

CC2530是一種用于WSN（無線傳感網）的SoC（片上系統）解決方案，其被廣泛應用于基于ZigBee、RF4CE及IEEE802.15.4通訊協議的通訊方式中。

CC2530支持的組網方式主要包含靜態組網和動態組網，動態組網中又包含自組網等方式。其中，Z-Stack是一種較為成熟的動態自組網解決方案。在組網方面，本文中的ZigBee和ARM的混合型放射源監控方案采用靜態組網方式。該方案采用一個協調器、多個終端節點的方式進行數據傳輸，能夠有效減少網絡帶寬及數據包產生發送沖突的概率。

為了適應更為復雜的網絡環境及拓撲變化，針對不同應用，可以采用不同的ZigBee組網方式，如通過使用Z-Stack協議棧進行自組網。

由于核輻射現場通常環境較為復雜，而ZigBee能夠適用于較為復雜的場地，因此CC2530能夠滿足本文方案中的數據傳輸要求。同時，CC2530具有兩個串口，能夠滿足本文中的圖像采集與輻射量的采集要求，故選用CC2530作為本硬件系統中的一部分。

1.1.2 STM32F107VCT6

STM32是一款基于ARM Cortex-M的32位微控制器。該系列微控制器為MCU的開發者提供了多種新的開發方式。該系列微控制器具有高性能、實時性、DSP、低功耗、低電壓及易于開發等特點。

本文硬件設計中所使用的STM32F107VCT6微控制器，具有5個串口、2個I2C接口、2個12位AD轉換器、2個12位DA轉換器及以太網通訊模塊等，能夠滿足本方案硬件設計需求。

STM32F107VCT6微控制器在本系統中的作用主要是對放射源數據進行采集及轉換。同時，由于本方案中使用以太網及GPRS模塊等，使得STM32F107VCT6微控制器能夠將數據傳輸至遠程服務器。

1.2 核輻射檢測模塊

蓋革計數器全稱為蓋革-米勒計數器，是一種探測電離輻射強度的專用設備。蓋革計數器是根據放射源對金屬管內稀有氣體的電離性質這一特性而設計，當有高速粒子進入蓋革計數器時，會由于上述電離性質而產生一個脈沖信號[1]，輻射量越高，脈沖的頻率也會越高。通過對一段時間內所產生的脈沖進行計數并分析，能夠計算出該段時間內當地的輻射量情況。

本硬件系統中所使用到的蓋革計數器模塊部分將與STM32F107VCT6微控制器的輸入捕捉引腳相連接，并通過中斷的方式，由STM32F107VCT6微控制器負責對蓋革計數器傳來的脈沖進行計數與分析[2]。經分析得到的輻射量轉換結果，將通過STM32F107VCT6的串口，傳輸給與該串口相連的ZigBee終端節點[3]，再由ZigBee終端節點負責將數據傳回至ZigBee協調器，最終傳給本地服務器。當網絡情況理想時，也能通過以太網等方式進行數據回傳。

1.3 實時圖像監控模塊

串口攝像頭又稱為JPEG攝像頭，具有圖像采集、自動編碼并將圖片保存在緩存中的功能，在圖像采集系統中有著廣泛應用。串口攝像頭通過串口線與其它設備進行連接，具有操作簡便、易于擴展等特點。同時，串口攝像頭與其它類型的攝像頭相比，能夠適應更多的復雜場景。當前，隨著物聯網技術的高速發展，串口攝像頭在環境監控、工業控制等方面起著越來越重要的作用。

硬件系統中的232串口攝像頭通過串口與ZigBee的CC2530微處理器的串口相連接，由上位機主動將拍照命令發送給ZigBee協調器，并由ZigBee協調器將拍照命令傳給ZigBee終端節點。ZigBee終端節點在收到命令后，將該命令轉換成232串口攝像頭的相應操作指令，以控制232串口攝像頭，并將串口攝像頭的數據傳回到ZigBee協調器節點，最終通過ZigBee協調器的串口將JPEG數據回傳給本地的上位機。

由于上位機采用主動發送拍照命令的策略，且本方案中采用ZigBee靜態組網方式，因此能夠有效減少因傳輸圖像數據所造成的網絡擁塞等情況。

2 放射源監控方案硬件系統組成

2.1 終端采集設備

（1）帶有蓋革計數器的STM32F107VCT6微控制器。該類型設備能夠適應網絡情形較好的場所，其通過以太網、GPRS通訊等方式，將采集到的放射源數據實時傳回到遠程服務器中。

（2）CC2530微控制器與STM32F107的混合型設備。該類型能夠適應網絡環境較為復雜的場所，當放射源監控地點無法使用以太網，且GPRS信號不理想時，數據回傳將會是一個問題。本文提出的ZigBee、以太網、GPRS混合型解決方案，能夠在現場沒有以太網和GPRS信號時，通過ZigBee網絡將數據傳輸給本地服務器，從而有效解決短距離內放射源監控數據無法回傳的問題。當放射源監控地點的網絡情形較好時，使用該方案不僅能夠通過ZigBee傳感網將輻射量的數據傳輸至本地服務器，同時也能通過以太網或GPRS網絡將輻射量的數據傳輸至遠程服務器，實現本地與遠程同時監控的效果，極大提高本系統的可用性。

2.2 協調器

本文的ZigBee協調器主要針對上述第2種設備，即CC2530與STM32F107VCT6的混合型設備，如圖1所示。

ZigBee協調器負責與ZigBee終端節點進行通訊，以獲得ZigBee終端節點所采集的輻射量信息及現場實時圖像，并將這些信息傳回給本地服務器，由本地服務器作進一步分析與操作。

除了根據本地服務器的拍照命令上傳圖像外，ZigBee協調器也支持命令透傳的功能，用于將本地服務器的命令直接轉發給目標ZigBee終端節點，由ZigBee終端節點對所接收到的數據進行解釋，再將反饋結果通過ZigBee協調器返回給本地服務器，如圖2所示。

3 數據傳輸方式比較

本方案所使用的3種數據傳輸方式比較如表1所示。

（1）基于以太網的傳輸方式。該種傳輸方式對現場環境有較高要求。在一些復雜的場景下，可能遇到難以布線或路由難以配置的情況。

（2）基于GSM網絡的傳輸方式。GSM網絡的網絡容量大，信號穩定不易受到干擾。但在部分信號未覆蓋的地區會導致通信失敗。并且，GSM網絡需要收費，當通訊設備眾多時，就不得不考慮使用GSM網絡所帶來的額外開銷。

（3）基于ZigBee傳感網的通訊方式。該種通訊方式下的ZigBee節點能夠自組網且設備間的通信完全免費，能夠適應缺少以太網及沒有GSM信號的多數場合。但該種方式的通訊距離比較近，僅適合短距離傳輸。

本文提出的放射源監控方案將以太網、GSM網絡、ZigBee傳感網混合使用，整合了各自優點，能夠使該系統適應多種復雜的環境，極大提高了傳輸的可達性與可靠性。

4 結語

本文提出的方案能夠對放射源進行有效的數據采集與處理，并實現多種方式的數據傳輸，同時能夠傳回現場實時圖像，有良好的應用價值。與現有的放射源監控系統相比，本文方案具有一定優勢。先前的數據傳輸方案大都僅僅基于某一種網絡進行傳輸，沒有考慮到不同的網絡狀況[4-6]，而本文設計方案簡單、易于理解，且便于在原有方案的基礎上進行設備升級。

本文提出的基于ZigBee和ARM的放射源監控方案，滿足了現場對于核輻射監控的需求，能夠應用于與監控相關的多數行業，易于移植與修改，應用前景較好。

參考文獻：

[1]趙翔.多用途輻射劑量無線報警儀的研究及應用[D].成都：成都理工大學，2011.

[2]趙孝文，徐曉秋，秦國輝，等.基于ARM的核輻射測控系統[J].自動化技術與應用，2011（4）：111-113.

[3]高杰，喻魁蘭.基于串口通信核輻射檢測儀前端系統設計[J].江西通信科技，2012（4）：25-28.

[4]陳永紅，張大發，江瑋，等.無線傳感器網絡在核電站人員輻射劑量監測中的應用研究[J].核科學與工程，2007（4）：355-358.

[5]陳琛，劉沖，李志陽，等.Zigbee技術在核輻射環境監測中的應用[J].電子技術，2014（2）：12-14，11.

[6]吳龍雄.基于GSM及以太網的區域γ監測系統的研制[D].衡陽：南華大學，2010.

（責任編輯：孫 娟）