我國是放射性同位素生產(chǎn)和使用大國，隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和各個領(lǐng)域的進(jìn)一步開放，放射源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、資源、環(huán)境、軍事、科學(xué)研究等領(lǐng)域。放射源在給我們帶來巨大技術(shù)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)效益的同時，其輻射安全與放射性污染等問題也越來越突出。
近年來，放射源丟失、被盜等事故時有發(fā)生；一些用源單位不按國家規(guī)定，違規(guī)超標(biāo)使用或私自轉(zhuǎn)移放射源，造成較大的安全隱患。放射源的安全使用和科學(xué)監(jiān)管已成為當(dāng)前環(huán)保工作的難點和重點。
近幾年發(fā)達(dá)國家對環(huán)境輻射連續(xù)監(jiān)測的投入有明顯加強(qiáng)，如美國EML實驗室的SASP監(jiān)測網(wǎng)現(xiàn)在已發(fā)展成全監(jiān)測網(wǎng)（GNS），在世界各地都建有自動監(jiān)測站，包括南極洲；法國的“Teleray”現(xiàn)在也已實現(xiàn)歐洲聯(lián)網(wǎng)。
丹麥、愛沙尼亞、芬蘭、德國、冰島、拉托維亞、立陶宛、挪威、波蘭、俄羅斯聯(lián)邦，瑞典也設(shè)置自動X-γ控制監(jiān)測站，自動X-γ監(jiān)測站數(shù)量分別為11、11、298、2150、1、16、14、22、20、152、37個。
目前，就輻射環(huán)境自動監(jiān)測的發(fā)展的趨勢，國際上主要體現(xiàn)了如下趨勢：(1)輻射環(huán)境監(jiān)測是基礎(chǔ)；(2)射性污染監(jiān)測是監(jiān)測網(wǎng)的核心內(nèi)容；(3)監(jiān)測站的設(shè)立將采用商請與申請相結(jié)合，更動態(tài)、更靈活、更有效；(4)X-γ輻射劑量率自動測量、數(shù)據(jù)實時傳輸和電子發(fā)布將被廣泛采用；(5)大流量空氣樣品采樣+在線X-γ能譜分析+實時X-γ能譜分析+無線或有線傳輸將被廣泛采用；(6)分散采樣、集中分析的分工原則將被普遍采用（各監(jiān)測站平時只負(fù)責(zé)樣品采集、寄送、實時劑量率測量和傳輸以及與反恐監(jiān)測有關(guān)的監(jiān)測，其余分析由分析中心負(fù)責(zé)）；(7)在常規(guī)分析計劃中將會引入篩選測量程序和啟動核素分析的具體啟動水平，并制定統(tǒng)一的啟動湮沒無聞；(8)就地能譜測量技術(shù)（Insitu）將更受重視；(9)數(shù)據(jù)發(fā)布將突出公開性和時效性，電子數(shù)據(jù)、網(wǎng)上發(fā)布的方式將被普遍采用；(10)全程QA/QC計劃將被普遍實施，特別是過去注意不夠的監(jiān)測的前、后環(huán)節(jié)（即采樣和數(shù)據(jù)處理、評價環(huán)節(jié)）的質(zhì)量保證。
在放射源場所及其它核環(huán)境部署快速有效、可靠、先進(jìn)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和手段,可以起到輻射防護(hù)的目的，為發(fā)現(xiàn)核事故并及時采取防護(hù)措施提供保障能力。目前我國對放射源環(huán)境的監(jiān)測,多是基于有線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)或者預(yù)先架設(shè)的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),運營成本往往較高,用于通訊的建設(shè)費用占總成本50%以上,而且運行費用較大。對放射源環(huán)境連續(xù)監(jiān)測應(yīng)用研究，加強(qiáng)放射源管理，使其更加科學(xué)化、規(guī)范化，對預(yù)防和減少輻射污染事故危害，有效控制輻射污染事件的發(fā)生，起到切實保障放射源的安全使用。
本文提出采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)低成本、省電、安全、可靠等特點，不必架設(shè)網(wǎng)絡(luò)線，將監(jiān)控系統(tǒng)的終端設(shè)備密封在一個密閉容器內(nèi)，安裝好天線，置于放射源工作場所合適的地點，一個終端監(jiān)測網(wǎng)點便可建成，通過以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與管理部門監(jiān)控中心的連接，實現(xiàn)對放射源工作場所及周圍環(huán)境的連續(xù)性監(jiān)測。
1 ZigBee數(shù)傳技術(shù)概述
ZigBee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞，它是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi),但可以繼續(xù)增加。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每個ZigBee無線模塊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點本身可以作為監(jiān)控對象，對其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時每個ZigBee無線模塊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間可以相互通信，自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。
作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee數(shù)傳模塊具有如下特點：
(1)功率消耗低：在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6-24個月，甚至更長，這是ZigBee無線模塊的突出優(yōu)勢。
(2)建設(shè)成本低：通過大幅簡化協(xié)議是成本很低（不足藍(lán)牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且ZigBee的協(xié)議專利免費。
(3)通訊速率低：ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。
(4)響應(yīng)時延短：ZigBee數(shù)傳的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能，相比較，藍(lán)牙需要3-10s、WiFi需要3s。
(5)容量高：ZigBee數(shù)傳模塊可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。
6)安全度高：ZigBee數(shù)傳提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
(7)近距離傳輸：傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1-3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。
(8)免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療2.4GHz(全球)頻段。
一般而言，隨著通信距離增大，設(shè)備復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對于現(xiàn)有各種無線通信技術(shù)，ZigBee數(shù)傳技術(shù)是最低功耗和最低成本的技術(shù)。
2 放射源監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
在放射源工作場所的周圍環(huán)境設(shè)置若干監(jiān)測點，依據(jù)ZigBee模塊的傳輸距離，各監(jiān)控點間距在70m內(nèi)。為驗證放射源工作場所周圍環(huán)境排放是否滿足排放限值的要求，連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的布點應(yīng)以實際的監(jiān)測經(jīng)驗而定，達(dá)到兼顧事故的應(yīng)急監(jiān)測需要，為采取應(yīng)急防護(hù)行動提供技術(shù)支持。放射源監(jiān)測主要考慮放射源工作人員的工作場所，有效保護(hù)工作人員的生命安全和核事故的發(fā)生，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和監(jiān)測點的覆蓋面。
星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)是基于ZigBee數(shù)傳技術(shù)的三種主要自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型。通常在監(jiān)控區(qū)域較小時，使用星型網(wǎng)絡(luò)可組成一個包含中心站點和計算機(jī)監(jiān)控中心的ZigBee無線模塊網(wǎng)絡(luò)。本文放射源連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控區(qū)域的工作場所分布在不同的方位，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，放射源監(jiān)控系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在一個半徑約70m的范圍內(nèi)設(shè)置一個傳輸中繼站點進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳下送，ZigBee數(shù)據(jù)采集點之間可以互相通信，將所有的傳輸中繼站點組成一個蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，再與設(shè)置于管理中心的ZigBee中心站點連接，構(gòu)成一個完整的ZigBee數(shù)據(jù)采集無線網(wǎng)絡(luò)（見圖1）。
圖1 放射源無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖
在整個無線網(wǎng)絡(luò)中各部分的功能為：
1)監(jiān)控場所：具有數(shù)據(jù)采集、存儲，接收指令和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計量、存儲，或者接收上級節(jié)點發(fā)送的指令，按照指令要求完成相應(yīng)的操作。
2)傳輸中繼站：具有數(shù)據(jù)上傳下送、存儲轉(zhuǎn)發(fā)的功能。
將監(jiān)控中心的ZigBee中心站點發(fā)出的命令轉(zhuǎn)發(fā)給各監(jiān)控場所，同時接收各監(jiān)控場在指令下所監(jiān)測到的返回數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給中心站點。除此每個傳輸中繼站點還可以連接一個終端探測器。
3)中心站點：具有建立、協(xié)調(diào)、配置整個網(wǎng)絡(luò)的功能。
可定期向傳輸中繼站發(fā)送數(shù)據(jù)采集請求、接收數(shù)據(jù)、并將數(shù)據(jù)上傳至計算機(jī)監(jiān)控中心，通過Internet等網(wǎng)絡(luò)與管理部門監(jiān)控中心的互聯(lián)，滿足對放射源工作場所周圍環(huán)境的連續(xù)性監(jiān)測的需要。
3 放射源場所監(jiān)測點設(shè)計
各終端監(jiān)測點采用靈敏度高、穩(wěn)定可靠的無線射頻輻射探測器。鑒于方便應(yīng)用的需要，目前市場上的ZigBee模塊多集成微控制器，本系統(tǒng)終端監(jiān)測點采用ARM926EJ-S處理器，集成探測器、ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。
探測器采用蓋革-彌勒計數(shù)管（GM管）來測定輻射強(qiáng)度，高壓產(chǎn)生電路為GM管提供高壓，使得GM管可以工作。當(dāng)射線通過該GM管并引起電離時便使該GM管產(chǎn)生電流脈沖，脈沖經(jīng)整形電路、分頻電路后變成邊緣陡峭的方波，送到單片機(jī)的定時器做計數(shù)，并換算成劑量率。當(dāng)環(huán)境X-γ輻射在線探測器接到主機(jī)發(fā)來的查詢命令后，便把劑量率數(shù)值通過Zigbee無線模塊返回給主機(jī)，探頭電源通過直流電源得到。工作示意圖參見圖2。
圖2 放射源場所終端監(jiān)控示意圖
4 傳輸中繼站及中心站點的設(shè)計
本文放射源連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的ZigBee傳輸中繼站，數(shù)據(jù)量較大，系統(tǒng)功能較為復(fù)雜，我們采用ARM946E-S處理器。傳輸中繼站將位于監(jiān)控中心的中心站點發(fā)出的指令轉(zhuǎn)發(fā)給各終端監(jiān)測站點，再將各終端監(jiān)測站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至中心站點。各中繼站點又組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，使得整個ZigBee數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)更有延伸性，增大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。各中繼站點也帶有無線射頻輻射探測器，使其自身也作為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的一員。工作示意圖見圖3。
圖3 ZigBee 傳輸中繼站示意圖
ZigBee中心站點負(fù)責(zé)啟動、配置、協(xié)調(diào)整個ZigBee無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸。中心站點把數(shù)據(jù)上傳到計算機(jī)監(jiān)控中心，然后通過Internet等網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與管理部門監(jiān)控中心的互聯(lián)。作為整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的心臟部件，本系統(tǒng)設(shè)計中采用片上資源豐富的ARM968E-S理器，利用其豐富的片上資源和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，組建成一個穩(wěn)定可靠的基于本中心站點的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。
工作示意圖見圖4。
圖4 ZigBee 中心站點示意圖
5 無線射頻輻射終端監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
在整個監(jiān)控系統(tǒng)的控制中，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)對ZigBee所數(shù)據(jù)采集的劑量數(shù)據(jù)的綜合分析處理。該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實質(zhì)上是一個數(shù)據(jù)庫的采集和處理系統(tǒng)。整個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可分為監(jiān)測數(shù)據(jù)庫模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊。
1)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫模塊，主要通過探測器將監(jiān)測到的劑量數(shù)據(jù)傳輸?shù)津?qū)動接口中，再由程序調(diào)用驅(qū)動接口將數(shù)字化信號監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可識別的字符串?dāng)?shù)據(jù)，最后保存在監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中。
2)數(shù)據(jù)處理模塊，主要將數(shù)字化信號轉(zhuǎn)換為可識別的字符串?dāng)?shù)據(jù)，并且根據(jù)閾值對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理和數(shù)據(jù)修正，最后對字符串的監(jiān)測數(shù)據(jù)根據(jù)Modbus通訊協(xié)議進(jìn)行封裝，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)在各傳輸點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[7]。
3)顯示模塊，主要將實時監(jiān)測到的劑量數(shù)據(jù)的情況顯示出來。當(dāng)每一監(jiān)測點的輻射程度達(dá)到或超過該閾值時，以不同的色彩進(jìn)行顯示，系統(tǒng)會自動以聲、色等形式進(jìn)行報警，能根據(jù)監(jiān)測結(jié)果確定監(jiān)測區(qū)域的C輻射分布情況，也能夠以不同顏色對不同輻射程度地域進(jìn)行區(qū)別顯示。
6 總結(jié)
綜上所述，本系統(tǒng)具備放射源連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)原則，即實用性、可靠性、可維護(hù)性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)型、擴(kuò)充性等。無線射頻輻射探測器和放射源監(jiān)控終端中集成的Zigbee無線模塊，解決了復(fù)雜場所放射源區(qū)域劑量監(jiān)控布線的難題，實現(xiàn)了ZigBee數(shù)據(jù)采集，為數(shù)據(jù)傳輸提供了保障；放射源監(jiān)控終端三級網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，有利于分布在各地的多個放射源做到集中監(jiān)管；放射源監(jiān)控終端中集成的輻射劑量探測模塊，有利于單個放射源的場所單獨使用。使得本系統(tǒng)應(yīng)用更方便，成本更低廉，網(wǎng)絡(luò)可靠性更高，具備很好的實用性與經(jīng)濟(jì)性，將成為放射源工作場所周圍環(huán)境連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)選方案。