基于蓝牙通信模块的远程多体式个人辐射剂量系统的设计

燕光光，张婷，巩金霖，李文杰，石春花

长治医学院 生物医学工程系，长治市，046000

0 引言

随着核技术的迅猛发展和应用场所的不断增加，越来越多的人们不得不直面辐射过度的危险，因此，辐射剂量的实时监控与报警，对于在高放射性场所的工作人员的健康有着非常重要的意义。截至目前，国内外仪器仪表领域已研制出各种各样的辐射剂量仪[1]，用以保障人员健康，减少辐射污染等。但是，一方面，这些大型辐射剂量仪存在“不方便携带”“操作繁琐”“实时监控效果不尽如人意”等问题，限制了其在个人应用方面的发展；另一方面，医用电子产品可穿戴式、便携式、移动式、无线式等的发展需求[2]已趋于常态化，蓝牙等相关技术的应用几乎成为产品设计的必备模块，便于实现固定设备与移动设备之间短距离数据的交换，甚至可实现特殊情况下与个人域网进行的数据交换。

基于此，笔者设计了一款辐射剂量检测系统，主机和从机分离放置，通过蓝牙串口实现主从机的连接，信号的收发等，使用人员仅携带主机设备或直接使用个人手机即可完成对周围环境辐射剂量的监控、报警等一系列功能，有助于从业人员对工作环境辐射量的及时掌握，甚至必要时采取有效的措施，具有一定的实用价值。

1 系统总体设计

本系统由从机和主机两部分组成，具体框图如图1所示。

图1 系统总体框图Fig.1 Block diagram of the system

从机包括ATmega32A主控模块[3]，显示模块以及盖革计数器模块。盖革计数器是环境辐射监测的前端，采集周围环境中实时存在的电离辐射，当外界带电粒子进入盖革管，产生脉冲电流信号后，ATmega32A负责处理脉冲信号并计数，利用蓝牙模块将接受到的脉冲计数发送给主机。此外，ATmega32A单片机也是一个独立单元，可以将处理得到的辐射剂量值显示并决定是否报警。

主机包括Arduino主控模块和显示模块。主机的蓝牙模块接收来自从机的数据，利用Arduino处理后，显示在OLED模块上，并决定是否利用声光模块进行报警。系统的数据接收设备多样，可选Arduino平台或个人手机作为数据接收端，接收计量数据，执行操作并显示。

主从机两部分使用了同样的蓝牙模块和报警模块。

2 主要硬件选择

2.1 从机主控模块与显示

采用ATmega32A单片机作为系统从机的主控模块[3]，其是一款目前主流的8位CMOS微控制器。利用外部中断可对盖革计数器输出的脉冲进行计数，定时器负责计数周期的定时，USART负责对蓝牙模块的控制，两线接口TWI负责与LCD1602的通信，即将数据显示到LCD1602屏幕上。这里，屏幕功能和参数设计以某一次测量数据显示为说明，如图2所示，具体包括：“CO=004”代表一个计数周期内的脉冲计数值，单位“个”；“CPM=030”代表每分钟的脉冲总数，单位“个/分”；“safe”代表安全性的评价[4]；“00.19uSv/h”为当下具体辐射剂量值，由于LCD1602显示能力的限制，剂量单位“μSv/h”用“uSv/h”代替。

图2 LCD1602显示屏Fig.2 LCD1602 display screen

2.2 主机主控模块与显示

采用Arduino Uno R3为主机部分的主控模块，Arduino是一种新兴的嵌入式开发平台，与传统单片机相比，Arduino开发平台具有开源性，使用方便，功能多样，成本较低的特点[5-6]。1.3 in的OLED显示屏作为主机部分的显示模块，其实现的功能和参数设计完全与从机的LCD1602显示相同，唯一有区别的是，OLED屏幕的左上角动态显示有四个周期的计数值的变化趋势。

2.3 盖革计数器模块

采用型号为M4011的盖革管[7]作为辐射剂量探测元件，可用来探测辐射剂量[8-9]，包括α粒子，β射线，X射线以及γ射线。当盖革管检测到辐射粒子时，会输出一个对应的脉冲信号，信号经放大，进入单片机I/O口，触发外部中断，单片机对一个计量周期的中断信号进行累加，得到每分钟脉冲总数，进而求得当前时段的辐射剂量。

3 软件设计

3.1 从机程序设计

主机和从机流程如图3（a）所示，开机初始化后，蓝牙从机自动与数据接收端的主机蓝牙配对。盖革计数器发出的脉冲信号引发微处理器ATmega32A的一次外部中断，使全局变量count执行加一操作，即记录一次脉冲。这里，软件设计12 s为采样频率，12 s内的计数次数作为原始数据，利用USART发送至蓝牙串口，进而被从机或手机应用软件接收。通过对12 s内的计数次数乘以5来表示每分钟脉冲总数。根据M4011对应的计数值和辐射值的关系：151 CPM=1 μSv/h，即可得到所对应的辐射值。

图3 程序流程图Fig.3 Program flow diagram

我国的核辐射标准中，射线检测职业人员年允许照射量为20 msv，即10 μSv/h，一般公众人员年允许照射量为1 msv，即0.52 μSv/h[10-11]。设置程序对当前辐射值进行安全性评价，如果辐射值小于0.52 μSv/h，则当前环境安全，微处理器控制屏幕显示“safe”，不报警。如果辐射值介于0.52～10 μSv/h，则当前环境不安全，微处理器控制屏幕显示“unsafe”，声光报警模块进行低强度报警。如果辐射值高于10 μSv/h，则当前环境危险，微处理器控制屏幕显示“danger”，声光报警模块进行剧烈报警。

3.2 主机程序设计

其流程如图3（b）所示，开机初始化，蓝牙配对成功，Arduino开始持续监视串口，当串口接收到来自从机的原始数据时，Arduino即刻读取数据，并按照从机处理数据的方式对数据进行处理和评价，决定是否报警并在OLED屏幕上显示数据。

3.3 手机APP设计

利用MIT APP Inventor2制作的手机接收端，其是Goole公司推出的Android智能手机平台系统，是一款全云端的基于浏览器的完全在线开发的全图形界面编程环境，其具有开源、开放和开发架构极其便捷的优点[12]，用来接收从机发出的数据，界面设计如图4所示，设计原则同从机程序设计。需要说明的是，当APP接收到的数据辐射值高于10 μSv/h，则当前环境危险，微处理器控制屏幕显示“环境危险！请快速撤离”，手机发出声音进行报警。使用者可以通过软件主页下方的“报警停止”按键中止报警，进行复位。“停止扫描”按键可以终止扫描，“断开”按键可以断开蓝牙连接。

图4 手机APP软件界面Fig.4 Mobile phone software interface

4 性能测试

本系统设计的整体实物展示如图5所示，为了便于了解新型个人辐射剂量系统的精确性和可靠性[13]，与市面成熟高精度辐射剂量仪（RG1100射线辐射测量仪）进行对比测试。分别用本系统和RG1100射线辐射测量仪测量5台安检仪和5份钙铀云母矿石的放射性，并记录数据，见表1和表2。

图5 整体实物展示Fig.5 The overall display of the object of the system

表1 对安检仪放射性的测量（μSv/h）Tab.1 Measurement of radioactivity of security detector

表2 对钙铀云母矿石放射性的测量（μSv/h）Tab.1 Measurement of radioactivity of Calcium-U-mica ore

从表1、表2数据看出，两者最大相差0.03 μSv/h，平均相差0.02 μSv/h。可见本系统精度较高，误差在个人辐射剂量监测中能够被接受。在每次剂量数值超过界限值后本系统都立刻进行了报警，反应时间短，报警迅速，达到了基本的设计要求。

广州汇承公司生产的HC-08主从一体蓝牙模块，其理论传输距离可达80 m。经实际测试本系统在74 m范围内信号质量良好，主从机可以有效进行数据传输。74 m到78 m处信号质量较差但主从机仍可传输数据。超过78 m即无法连接，足以满足日常工作生活的需要。经计算，本系统总成本246元，远低于市面各种同类产品。此外，由于大量采用低功耗器件，本系统的功耗极低。

综上，本系统满足了基本的设计要求。

5 结果与讨论

笔者设计出一种多体式个人辐射剂量系统，能进行数据的采集，计算处理和显示，并通过蓝牙串口模块发送，可由主机硬件或者手机APP进行接收计算和显示，同时各部分也都具有剂量报警功能。经测试，系统检测辐射值达到了较高的精度，实现了对高于国家标准的放射性照射进行报警功能。并且高放射性场所的从业人员可选择随身携带主机硬件或者直接使用自己的手机进行接收，十分便捷。总之，本系统方便携带，体积小巧，价格低廉，测量准确，具有一定的创新性，为高放射性场所工作人员提供了新的监测选择。