基于WiFi散射通信技術的超低功耗放射源監測節點

李 艷，張 帥，謝桂輝，唐曉慶

（1.武漢晴川學院計算機學院，湖北 武漢 430204；2.中國船舶重工集團公司第七一九研究所，湖北 武漢 430205；3.中國地質大學（武漢）自動化學院，湖北 武漢 430072；4.湖北大學，湖北 武漢 430062）

0 引 言

放射源是指使用放射性物質制成的能夠產生照射或者輻射的實體或物質，在國防、醫療、科研、工業、農業以及能源等多個領域都有著廣泛的應用，對維護國防安全、促進國民經濟和社會發展具有重要作用[1]。但是一旦放射源失控，就會對環境造成放射性污染，引起社會恐慌，因此加強對放射源的監控和管理非常重要[2]。

目前廣泛采用的放射源安全和防護管理方法主要是利用輻射探測技術、視頻監視、GIS地理信息技術以及GPS全球定位技術，實現對放射源的狀態位置實時監控，再結合傳感器檢測技術、通信技術以及計算機控制技術建立放射源劑量監控與失控報警平臺，為監管部門和相關單位提供放射源監控的現代數字化解決方案[3-6]。但是輻射探測、視頻監測、GIS、GPS等技術都具有較大的功耗，因此需要人工定期維護、頻繁更換電池，無形之中增加了人力成本、電池供電成本，也增加了維護人員接觸輻射源的風險[7]。而對于體積較小的便攜式放射源來說，電池的使用還使得放射源監管系統的體積過大，從而無法安裝。基于此，本文在低功耗MSP430平臺上提出一種基于WiFi散射通信技術的放射源監測系統。

1 系統結構

系統結構如圖1所示，它主要由射頻基站、散射節點與通用WiFi接收設備組成。射頻基站負責為散射節點提供2.39 GHz的單頻點正弦波信號，將其作為散射節點的入射電磁波。散射節點在MCU的控制下采集傳感器數據，按照802.11b協議對數據進行編碼，生成碼片數據流，并將碼片數據映射為射頻開關的控制信號，對入射電磁波進行吸收或反射狀態的切換，從而產生標準WiFi信號[8]。接收機通過通用WiFi接收設備接收散射節點散射的WiFi數據報文并進行解析，從中提取出所需的傳感器數據。

圖1 系統結構

2 WiFi散射通信實現

WiFi散射通信實現主要包括兩部分內容，一是根據WiFi標準協議產生擴頻碼片，二是根據碼片數據產生射頻開關控制信號。

2.1 碼片生成

根據IEEE 802.11b協議，碼片生成需要經過數據封裝、比特信息處理兩個步驟[9]。數據封裝的目的是將待發送的原始數據按照IEEE 802.11b規范封裝為物理層PPDU數據報。比特信息處理模塊主要負責將PPDU數據報處理為碼片數據流，PPDU數據經過串化、加擾、差分編碼以及擴頻，生成速率一定的碼片數據流。

2.2 射頻開關控制信號生成

本文提出一種數字虛擬調制方法，當碼片為+1時，產生‘1010’序列組合；當碼片為-1時，產生‘0101’序列組合。同時設置‘1010’和‘0101’序列組合的激勵時鐘為44 MHz，這樣既可以保證射頻開關控制信號的頻率為22 MHz，又使其相位在碼片切換時翻轉了180°，滿足了相應的頻率要求和相位要求。

3 系統樣機研制

本文研制一個WiFi散射節點樣機，處理器選用TI公司超低功耗單片機MSP430F5438A，其主頻為25 MHz，在關斷模式下電流消耗低至1.2 μA。射頻開關采用HMC190B，開關損耗僅為0.4 dB。異或芯片采用SN74AUP1G86，其工作電流僅為0.9 μA，輸入到輸出的延時僅為3 ns。溫濕度傳感器采用HDC2080，溫度精度為0.2 ℃、相對濕度精度為2%，睡眠電流僅為50 nA，在每秒1次的測量條件下，測量溫度和濕度時平均電流消耗僅為550 nA。

4 系統測試結果及分析

4.1 WiFi散射信號測試

在WiFi散射通信系統中，核心是射頻開關控制信號的生成。實際測試結果如圖2所示，經過異或邏輯器件后的波形在相位發生翻轉時，波形基本無毛刺，不影響接收端的判決，與預想的結果相符。

圖2 射頻開關控制信號波形

4.2 散射節點功耗測試

完整的測量結果如圖3所示，其中tAB段為從低功耗模式喚醒過程，tBC為開啟22 MHz振蕩器并穩定的過程，tCD為開啟DMA、通過USCI移位寄存器與時鐘信號實現射頻開關控制信號的輸出的過程，tDA為工作完成后進入低功耗模式。

圖3 樣機功耗測試

4.3 散射節點通信距離測試

設定基站發射頻率為2.39 GHz、功率為20 dBm的電磁波，接收機布置在距離基站5 m處的位置。根據實際測試數據，接收機的靈敏度可達-85 dBm左右。由此可知，在基站發送功率為20 dBm的情況下，散射節點可在一個橢圓區域內自由移動，散射節點有效通信覆蓋面積達150 m2。

根據上述通信功耗和通信距離的測試結果，可以看出本文方法相對于傳統的Zigbee監測節點，功耗降低了2～3個數量級，盡管通信距離有所降低，但也足夠滿足放射源監測的需求[10]。更重要的是，本系統可采用小容量紐扣電池供電，系統體積小、成本低，方便安裝和大規模部署。

5 結 論

本文研制一種基于WiFi散射通信技術的放射源監測樣機，具有明顯的功耗優勢。基于MCU的散射通信硬件架構僅需要一片MCU、一片射頻開關以及一片異或門芯片即可完成整個通信過程，硬件結構簡單、系統體積小，易于現場安裝。采用標準的WiFi協議，接收機不需要專門定制，任何帶WiFi通信模組的手機、路由器或筆記本均可接收散射節點發出的WiFi信號，既節約硬件成本，也便于各個地區不同系統之間的數據融合和存儲。