基于LORA 在线式γ 辐射监测系统

王先贺，吴伟军，刘金尧，沈长枫，王亚欣，黄亮，杜一滨，王宇莹

（核工业航测遥感中心，河北石家庄，050011）

0 引言

随着核工程技术的不断发展，核技术广泛应用在工业、农业、国防、医疗等领域，使用核设备的实验场所越来越多，放射性污染所造成的影响危害着人们的身体健康，且辐射量超标会对人体造成严重的损害[1]。为了在辐射事故中，能够迅速地对放射性物质进行检测，γ 辐射监测技术在环境监测领域有着独特的优势[2]。在γ 辐射监测过程中，γ 射线对人体的伤害是不可逆的，为了减少γ 射线对人体的照射，本文设计了一种基于LORA 在线式γ 辐射监测系统。

γ射线是一种基于原子核的衰变而被释放的电磁辐射，是最为关注的辐射之一[3]。它具有极强的穿透力，照射后会对生物体产生比较严重的损伤。在有射线的场合放置γ 辐射监测仪进行在线、实时监测，既能保障辐射监测的科学性、合理性，又能严格控制检测人员的受照，保障工作人员的生命健康安全[4]。

目前，在传统γ 辐射监测领域，多为有线核辐射监测手段，通过工作人员的现场记录监测数据，操作繁琐，工作效率低下，且无法保障工作人员的健康安全[5]。传统的有线核辐射监测手段移动性差、部署维修困难，在强辐射场所，工作人员无法长时间现场监测，设备部署困难。而无线通信技术传输距离长，使用方便安全，便于维护，可有效解决有线辐射监测存在的问题。

针对以上问题，在传统γ 辐射监测仪的基础上进行了改进，设计了一种基于LORA 在线式γ 辐射监测系统。本文提出了整体系统结构及原理技术，构建了完善的γ 辐射监测系统，实现了自动化监测，这对于工业环境辐射监测非常有意义。

1 系统结构及测量原理

γ 辐射监测系统由碘化钠探测器、信号采集电路、数据处理系统、LORA 无线传输模块、上位机软件组成，信号采集电路包括信号提取、整形滤波和信号甄别电路等；数据处理系统采用单片机控制器实现系统整体控制；LORA 无线传输模块和上位机软件实现远程人机交互。其系统结构图如图1 所示。

图1 系统结构图

基于碘化钠探测器的测量原理是：γ 射线进入晶体后与之发生相互作用，被电离和激发的晶体的原子、分子退激时发射出闪烁光子[6]，这些闪烁光子由光导和光学耦合剂到达光电倍增管的光阴极，通过光电效应发射光电子，光电子在倍增管中倍增，最后在阳极收集形成电子流，从而产生脉冲信号[7]。

电脉冲信号[8]到达后，首先通过前置放大电路、极零相消电路、放大滤波电路以及基线恢复电路对碘化钠探测器输出的电脉冲信号进行放大、成形、滤波[9]等处理，得到准高斯波形，然后利用单片机对脉冲信号进行捕获，然后立即进行脉冲信号峰值判断，数据采集系统对脉冲信号进行连续不间断采样，完成辐射探测。利用LORA 无线通信技术将探测数据传输至上位机。硬件电路框图如图2 所示。

图2 硬件电路图

2 无线通信技术

远距离无线电技术[10]是一种物联网接入层网络传输技术，具有通信距离远、组网方便、抗干扰能力强的特点。本文选择了ATK-LORA-02 模块与上位机通信，ATK-LORA-02具有体积小、低功耗、灵敏度高的特点，其通信距离可达3000m。该模块的工作电压为3.3V/5V，静态电流为2.3μA，发射电流为118mA，接收电流17mA，最大发射功率为100mW。模块的尺寸为24mm×17mm，如图3 所示。

图3 ATK-LORA-02 模块外观图

LoRa 模块通过6 个引脚同外部电路连接，分别为MD0、AUX、RXD、TXD、GND 和VCC，ATK-LORA-02 与单片机的电气连接图如图4 所示。配置MD0 即可进入参数设置；AUX 用于指示模块的工作状态；RXD 为TTL 串口输入，需要连接到外部的TXD 输出引脚；TXD 为TTL 串口输出，需要连接到外部RXD 输入引脚。LoRa 模块为TTL 电平，需要与TTL 电平的MCU 相连接。MD0、AUX 引脚悬空，即处于低电平。

图4 ATK-LORA-02 与单片机的电气连接图

ATK-LORA-02 模块数据发射与接收协议[11]如下：模块发射无线数据包长度为58 字节，当系统输入数据达到58字节时，模块将启动无线发射，此时用户可以继续输入需要发射的数据，当系统需要传输的字节小于58 字节时，模块等待1 个字节时间，若无系统数据继续输入，则认为数据终止，此时模块将所有数据包经无线发出，当模块开始发送第一包用户数据时，AUX 引脚将输出高电平，2-3ms 延迟后，开始将无线数据通过串口TXD 引脚发出，当模块把所有数据通过RF 芯片并启动发射后，AUX 输出低电平，此时表明最后一包无线数据已经发射完毕[12]。

LoRa 模块包括发送模块和接收模块[13]，发送模块与单片机串口连接，LoRa 接收模块通过USB 转TTL 模块与电脑连接，USB 转TTL 模块可以将串口TTL 电平转成USB 信号，采用全双工通信方式与电脑通信，可将数据发送至上位机软件，LoRa 接收模块与上位机连接图如图5 所示。模块与电脑的连接保持串口波特率为“115200”、停止位“1”、数据位“8”、奇偶检验位“无”，若要实现上位机下位机的通讯，需要保证上位机与配置模块的串口参数波特率和检验位一致。

图5 LoRa 接收模块与上位机连接图

单片机通过LoRa 模块与上位机通信，通信方式是串口通信[14]，首先要设置好ATK-LORA-02 的模块地址、通信信道、发射功率和通信模式，本文设置的模块地址为0，通信信道为21，发射功率为20dBm，工作模式为一般模式、透明传输[15]。ATK-LORA 在参数配置过程中，根据实际情况进行参数配置。在“参数配置”下，模块必须工作在“配置功能”（AUX=0 空闲状态，MD0=1 进入此功能）。无线收发数据，模块必须工作在“通信功能”（AUX=0 空闲状态，MD0=0 进入此功能）。配置流程如图6 所示。

图6 ATK-LORA-02 模块配置流程图

3 系统软件设计

软件设计包括单片机程序设计和上位机程序设计。单片机选用的是STM32F103RCT6 处理器，内有32 位Cortex的ARM 微控制器，多个可供使用的IO 端口，可进行串行通信。单片机程序设计主要包括对采集到的信号进行处理、存储以及数据传输，单片机对数字信号进行滤波和降噪等处理后，利用SPI 串行通信将数据存储在FLASH 存储器中，再将数据装帧成数据包，通过LORA 无线通信模块传输至上位机软件。

为了实时控制γ 辐射监测系统的工作状态并对探测器采集的数据进行直观的显示，本文基于C++面向对象的程序设计制作了上位机分析软件。上位机整体设计结构包括：串口通信、数据解析、数据界面显示、访问数据库。可将采集到的数据以表格、曲线、图形等直观的形式显示出来，同时完成后台的同步存储。上位机界面如图7 所示。

图7 上位机软件界面图

下位机通电之后，单片机初始化完毕后就进入待机状态，连续检测上位机是否有指令传输。如果没有，系统处于待机状态，直到单片机的数据包传送过来，便立即对单片机传来的数据包进行解析。首先要判断数据包格式是否为按照自定义的协议。如果不符合自定义协议，那就说明这是一个错误的数据，将其去除。如果符合协议，则开始解析这个数据，并再进行打包，反馈给上位机。上位机接收到信息后更新界面数据，可以在上位机上可以读取计数率数据和相应曲线，还可以显示时间和以往数据等信息。系统软件设计流程如图8 所示。

图8 系统软件设计流程图

4 实验结果及分析

γ 辐射监测系统研发过程中，为了对系统性能进行测试，在本底环境下和标准源之一铯源（137Cs）环境下，测试了监测系统稳定性指标，并与AF-T 辐射测量仪进行了试验对比。

开启仪器后，打开上位机，点击通讯界面-“搜索串口”按钮，搜索可用串口，按钮下方的下拉列表框出现可用的端口号，选择好对应的端口号后，点击“打开串口”按钮，连接串口，建立通讯连接。先让仪器预热半小时，待稳定后，分别在本底环境下和标准源之一铯源（137Cs）进行测试，每分钟测量1 组数，共测量10 组，记录结果，再利用下面公式计算仪器的稳定性。稳定性结果如表1 所示。

表1 试验对比测试

仪器的稳定性δ计算公式：

式中：δ为仪器的稳定性；Nj为第j组测量结果，单位为计数每秒（s-1）； 为第n组测量结果的算术平均值，单位为计数每秒（s-1）。

通过以上数据可以看出，γ 辐射监测系统的测试结果稳定性在2%以内，说明测量数据波动不大，测量系统稳定性良好。

将γ辐射监测系统与AF-T辐射测量仪进行了试验对比，在本底环境下和标准源之一铯源（137Cs）环境下分别测量了10 组数据，求取平均值，并以检定合格的AF-T 辐射测量仪为测量基准，进行了误差分析，如表2 所示。

表2 误差分析结果

从误差分析结果可知，在两种测量环境下最大相对测量误差为2.9%，试验结果表明：在相同环境下γ 辐射监测系统与AF-T 辐射测量仪的测量结果相近，具有一定的实际应用价值。

5 结论

为了实现γ 辐射监测领域的远程测量，减少监测过程中γ 射线对人体的照射，本文介绍了一种基于LORA 在线式γ辐射监测系统，基于碘化钠探测器对γ 射线进行数据采集，经LORA 无线通信技术将监测数据传输至上位机，实现了远程监测。并做了对比试验，经过实验表明：该系统实现了γ射线监测数据的无线传输和可视化实时监测，相对固有误差小于3%，且运行稳定、实时性高，具有一定的使用价值。