基于ZigBee及ARM的放射源監(jiān)控方案

楊鑫焱 鄭浩然

摘要：隨著我國經(jīng)濟與科技的高速發(fā)展，核安全日益受到國內(nèi)外各界的廣泛關(guān)注。加強對放射源的監(jiān)控也逐漸成為大家的共識。根據(jù)對放射源的監(jiān)控需求，提出了一種基于ZigBee和ARM的放射源監(jiān)控方案。該方案旨在對現(xiàn)場的放射源進行實時自動監(jiān)測，并通過ZigBee傳感網(wǎng)、以太網(wǎng)、GSM網(wǎng)絡(luò)等多種通信方式，將數(shù)據(jù)上傳到本地或遠程的放射源監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對放射源的有效監(jiān)管。

關(guān)鍵詞：ZigBee；放射源監(jiān)控；ARM

DOIDOI：10.11907/rjdk.161564

中圖分類號：TP319

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

1 放射源監(jiān)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(wǎng)）的SoC（片上系統(tǒng)）解決方案，其被廣泛應(yīng)用于基于ZigBee、RF4CE及IEEE802.15.4通訊協(xié)議的通訊方式中。

CC2530支持的組網(wǎng)方式主要包含靜態(tài)組網(wǎng)和動態(tài)組網(wǎng)，動態(tài)組網(wǎng)中又包含自組網(wǎng)等方式。其中，Z-Stack是一種較為成熟的動態(tài)自組網(wǎng)解決方案。在組網(wǎng)方面，本文中的ZigBee和ARM的混合型放射源監(jiān)控方案采用靜態(tài)組網(wǎng)方式。該方案采用一個協(xié)調(diào)器、多個終端節(jié)點的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)帶寬及數(shù)據(jù)包產(chǎn)生發(fā)送沖突的概率。

為了適應(yīng)更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及拓撲變化，針對不同應(yīng)用，可以采用不同的ZigBee組網(wǎng)方式，如通過使用Z-Stack協(xié)議棧進行自組網(wǎng)。

由于核輻射現(xiàn)場通常環(huán)境較為復(fù)雜，而ZigBee能夠適用于較為復(fù)雜的場地，因此CC2530能夠滿足本文方案中的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(fā)者提供了多種新的開發(fā)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(fā)等特點。

本文硬件設(shè)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(zhuǎn)換器、2個12位DA轉(zhuǎn)換器及以太網(wǎng)通訊模塊等，能夠滿足本方案硬件設(shè)計需求。

STM32F107VCT6微控制器在本系統(tǒng)中的作用主要是對放射源數(shù)據(jù)進行采集及轉(zhuǎn)換。同時，由于本方案中使用以太網(wǎng)及GPRS模塊等，使得STM32F107VCT6微控制器能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸至遠程服務(wù)器。

1.2 核輻射檢測模塊

蓋革計數(shù)器全稱為蓋革-米勒計數(shù)器，是一種探測電離輻射強度的專用設(shè)備。蓋革計數(shù)器是根據(jù)放射源對金屬管內(nèi)稀有氣體的電離性質(zhì)這一特性而設(shè)計，當(dāng)有高速粒子進入蓋革計數(shù)器時，會由于上述電離性質(zhì)而產(chǎn)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(nèi)所產(chǎn)生的脈沖進行計數(shù)并分析，能夠計算出該段時間內(nèi)當(dāng)?shù)氐妮椛淞壳闆r。

本硬件系統(tǒng)中所使用到的蓋革計數(shù)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(zé)對蓋革計數(shù)器傳來的脈沖進行計數(shù)與分析[2]。經(jīng)分析得到的輻射量轉(zhuǎn)換結(jié)果，將通過STM32F107VCT6的串口，傳輸給與該串口相連的ZigBee終端節(jié)點[3]，再由ZigBee終端節(jié)點負責(zé)將數(shù)據(jù)傳回至ZigBee協(xié)調(diào)器，最終傳給本地服務(wù)器。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)情況理想時，也能通過以太網(wǎng)等方式進行數(shù)據(jù)回傳。

1.3 實時圖像監(jiān)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(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。串口攝像頭通過串口線與其它設(shè)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(yīng)更多的復(fù)雜場景。當(dāng)前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，串口攝像頭在環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)控制等方面起著越來越重要的作用。

硬件系統(tǒng)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(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，并由ZigBee協(xié)調(diào)器將拍照命令傳給ZigBee終端節(jié)點。ZigBee終端節(jié)點在收到命令后，將該命令轉(zhuǎn)換成232串口攝像頭的相應(yīng)操作指令，以控制232串口攝像頭，并將串口攝像頭的數(shù)據(jù)傳回到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點，最終通過ZigBee協(xié)調(diào)器的串口將JPEG數(shù)據(jù)回傳給本地的上位機。

由于上位機采用主動發(fā)送拍照命令的策略，且本方案中采用ZigBee靜態(tài)組網(wǎng)方式，因此能夠有效減少因傳輸圖像數(shù)據(jù)所造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞等情況。

2 放射源監(jiān)控方案硬件系統(tǒng)組成

2.1 終端采集設(shè)備

（1）帶有蓋革計數(shù)器的STM32F107VCT6微控制器。該類型設(shè)備能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)情形較好的場所，其通過以太網(wǎng)、GPRS通訊等方式，將采集到的放射源數(shù)據(jù)實時傳回到遠程服務(wù)器中。

（2）CC2530微控制器與STM32F107的混合型設(shè)備。該類型能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為復(fù)雜的場所，當(dāng)放射源監(jiān)控地點無法使用以太網(wǎng)，且GPRS信號不理想時，數(shù)據(jù)回傳將會是一個問題。本文提出的ZigBee、以太網(wǎng)、GPRS混合型解決方案，能夠在現(xiàn)場沒有以太網(wǎng)和GPRS信號時，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給本地服務(wù)器，從而有效解決短距離內(nèi)放射源監(jiān)控數(shù)據(jù)無法回傳的問題。當(dāng)放射源監(jiān)控地點的網(wǎng)絡(luò)情形較好時，使用該方案不僅能夠通過ZigBee傳感網(wǎng)將輻射量的數(shù)據(jù)傳輸至本地服務(wù)器，同時也能通過以太網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò)將輻射量的數(shù)據(jù)傳輸至遠程服務(wù)器，實現(xiàn)本地與遠程同時監(jiān)控的效果，極大提高本系統(tǒng)的可用性。

2.2 協(xié)調(diào)器

本文的ZigBee協(xié)調(diào)器主要針對上述第2種設(shè)備，即CC2530與STM32F107VCT6的混合型設(shè)備，如圖1所示。

ZigBee協(xié)調(diào)器負責(zé)與ZigBee終端節(jié)點進行通訊，以獲得ZigBee終端節(jié)點所采集的輻射量信息及現(xiàn)場實時圖像，并將這些信息傳回給本地服務(wù)器，由本地服務(wù)器作進一步分析與操作。

除了根據(jù)本地服務(wù)器的拍照命令上傳圖像外，ZigBee協(xié)調(diào)器也支持命令透傳的功能，用于將本地服務(wù)器的命令直接轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)ZigBee終端節(jié)點，由ZigBee終端節(jié)點對所接收到的數(shù)據(jù)進行解釋，再將反饋結(jié)果通過ZigBee協(xié)調(diào)器返回給本地服務(wù)器，如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)傳輸方式比較

本方案所使用的3種數(shù)據(jù)傳輸方式比較如表1所示。

（1）基于以太網(wǎng)的傳輸方式。該種傳輸方式對現(xiàn)場環(huán)境有較高要求。在一些復(fù)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(wǎng)絡(luò)的傳輸方式。GSM網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)容量大，信號穩(wěn)定不易受到干擾。但在部分信號未覆蓋的地區(qū)會導(dǎo)致通信失敗。并且，GSM網(wǎng)絡(luò)需要收費，當(dāng)通訊設(shè)備眾多時，就不得不考慮使用GSM網(wǎng)絡(luò)所帶來的額外開銷。

（3）基于ZigBee傳感網(wǎng)的通訊方式。該種通訊方式下的ZigBee節(jié)點能夠自組網(wǎng)且設(shè)備間的通信完全免費，能夠適應(yīng)缺少以太網(wǎng)及沒有GSM信號的多數(shù)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(jiān)控方案將以太網(wǎng)、GSM網(wǎng)絡(luò)、ZigBee傳感網(wǎng)混合使用，整合了各自優(yōu)點，能夠使該系統(tǒng)適應(yīng)多種復(fù)雜的環(huán)境，極大提高了傳輸?shù)目蛇_性與可靠性。

4 結(jié)語

本文提出的方案能夠?qū)Ψ派湓催M行有效的數(shù)據(jù)采集與處理，并實現(xiàn)多種方式的數(shù)據(jù)傳輸，同時能夠傳回現(xiàn)場實時圖像，有良好的應(yīng)用價值。與現(xiàn)有的放射源監(jiān)控系統(tǒng)相比，本文方案具有一定優(yōu)勢。先前的數(shù)據(jù)傳輸方案大都僅僅基于某一種網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，沒有考慮到不同的網(wǎng)絡(luò)狀況[4-6]，而本文設(shè)計方案簡單、易于理解，且便于在原有方案的基礎(chǔ)上進行設(shè)備升級。

本文提出的基于ZigBee和ARM的放射源監(jiān)控方案，滿足了現(xiàn)場對于核輻射監(jiān)控的需求，能夠應(yīng)用于與監(jiān)控相關(guān)的多數(shù)行業(yè)，易于移植與修改，應(yīng)用前景較好。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）