基于WiFi散射通信技术的超低功耗放射源监测节点

李 艳，张 帅，谢桂辉，唐晓庆

（1.武汉晴川学院计算机学院，湖北 武汉 430204；2.中国船舶重工集团公司第七一九研究所，湖北 武汉 430205；3.中国地质大学（武汉）自动化学院，湖北 武汉 430072；4.湖北大学，湖北 武汉 430062）

0 引 言

放射源是指使用放射性物质制成的能够产生照射或者辐射的实体或物质，在国防、医疗、科研、工业、农业以及能源等多个领域都有着广泛的应用，对维护国防安全、促进国民经济和社会发展具有重要作用[1]。但是一旦放射源失控，就会对环境造成放射性污染，引起社会恐慌，因此加强对放射源的监控和管理非常重要[2]。

目前广泛采用的放射源安全和防护管理方法主要是利用辐射探测技术、视频监视、GIS地理信息技术以及GPS全球定位技术，实现对放射源的状态位置实时监控，再结合传感器检测技术、通信技术以及计算机控制技术建立放射源剂量监控与失控报警平台，为监管部门和相关单位提供放射源监控的现代数字化解决方案[3-6]。但是辐射探测、视频监测、GIS、GPS等技术都具有较大的功耗，因此需要人工定期维护、频繁更换电池，无形之中增加了人力成本、电池供电成本，也增加了维护人员接触辐射源的风险[7]。而对于体积较小的便携式放射源来说，电池的使用还使得放射源监管系统的体积过大，从而无法安装。基于此，本文在低功耗MSP430平台上提出一种基于WiFi散射通信技术的放射源监测系统。

1 系统结构

系统结构如图1所示，它主要由射频基站、散射节点与通用WiFi接收设备组成。射频基站负责为散射节点提供2.39 GHz的单频点正弦波信号，将其作为散射节点的入射电磁波。散射节点在MCU的控制下采集传感器数据，按照802.11b协议对数据进行编码，生成码片数据流，并将码片数据映射为射频开关的控制信号，对入射电磁波进行吸收或反射状态的切换，从而产生标准WiFi信号[8]。接收机通过通用WiFi接收设备接收散射节点散射的WiFi数据报文并进行解析，从中提取出所需的传感器数据。

图1 系统结构

2 WiFi散射通信实现

WiFi散射通信实现主要包括两部分内容，一是根据WiFi标准协议产生扩频码片，二是根据码片数据产生射频开关控制信号。

2.1 码片生成

根据IEEE 802.11b协议，码片生成需要经过数据封装、比特信息处理两个步骤[9]。数据封装的目的是将待发送的原始数据按照IEEE 802.11b规范封装为物理层PPDU数据报。比特信息处理模块主要负责将PPDU数据报处理为码片数据流，PPDU数据经过串化、加扰、差分编码以及扩频，生成速率一定的码片数据流。

2.2 射频开关控制信号生成

本文提出一种数字虚拟调制方法，当码片为+1时，产生‘1010’序列组合；当码片为-1时，产生‘0101’序列组合。同时设置‘1010’和‘0101’序列组合的激励时钟为44 MHz，这样既可以保证射频开关控制信号的频率为22 MHz，又使其相位在码片切换时翻转了180°，满足了相应的频率要求和相位要求。

3 系统样机研制

本文研制一个WiFi散射节点样机，处理器选用TI公司超低功耗单片机MSP430F5438A，其主频为25 MHz，在关断模式下电流消耗低至1.2 µA。射频开关采用HMC190B，开关损耗仅为0.4 dB。异或芯片采用SN74AUP1G86，其工作电流仅为0.9 μA，输入到输出的延时仅为3 ns。温湿度传感器采用HDC2080，温度精度为0.2 ℃、相对湿度精度为2%，睡眠电流仅为50 nA，在每秒1次的测量条件下，测量温度和湿度时平均电流消耗仅为550 nA。

4 系统测试结果及分析

4.1 WiFi散射信号测试

在WiFi散射通信系统中，核心是射频开关控制信号的生成。实际测试结果如图2所示，经过异或逻辑器件后的波形在相位发生翻转时，波形基本无毛刺，不影响接收端的判决，与预想的结果相符。

图2 射频开关控制信号波形

4.2 散射节点功耗测试

完整的测量结果如图3所示，其中tAB段为从低功耗模式唤醒过程，tBC为开启22 MHz振荡器并稳定的过程，tCD为开启DMA、通过USCI移位寄存器与时钟信号实现射频开关控制信号的输出的过程，tDA为工作完成后进入低功耗模式。

图3 样机功耗测试

4.3 散射节点通信距离测试

设定基站发射频率为2.39 GHz、功率为20 dBm的电磁波，接收机布置在距离基站5 m处的位置。根据实际测试数据，接收机的灵敏度可达-85 dBm左右。由此可知，在基站发送功率为20 dBm的情况下，散射节点可在一个椭圆区域内自由移动，散射节点有效通信覆盖面积达150 m2。

根据上述通信功耗和通信距离的测试结果，可以看出本文方法相对于传统的Zigbee监测节点，功耗降低了2～3个数量级，尽管通信距离有所降低，但也足够满足放射源监测的需求[10]。更重要的是，本系统可采用小容量纽扣电池供电，系统体积小、成本低，方便安装和大规模部署。

5 结 论

本文研制一种基于WiFi散射通信技术的放射源监测样机，具有明显的功耗优势。基于MCU的散射通信硬件架构仅需要一片MCU、一片射频开关以及一片异或门芯片即可完成整个通信过程，硬件结构简单、系统体积小，易于现场安装。采用标准的WiFi协议，接收机不需要专门定制，任何带WiFi通信模组的手机、路由器或笔记本均可接收散射节点发出的WiFi信号，既节约硬件成本，也便于各个地区不同系统之间的数据融合和存储。