基于物联网的放射源辐射监测与跟踪系统研究.pdf

第42 卷第5 期2023年10 月环境辐射四川环境SICHUANENVIRONMENTVol.42,No.5October 2023D0I:10.14034/ki.schj.2023.05.029基于物联网的放射源辐射监测与跟踪系统研究张轶名，覃章健”，芦嘉”（1.原子高科股份有限公司，北京10 0 0 8 9；2.成都理工大学核技术与自动化工程学院，成都6 10 0 5 9；3.中国宝原投资有限公司，北京10 0 0 0 0）摘要：为了实现放射源在使用、仓储、运输的过程中对放射源实时定位跟踪以及放射源容器外辐射剂量进行实时监测，设计了一款基于物联网的放射源辐射监测与跟踪系统，完成了系统的总体设计以及硬件、软件设计。系统综合了光电探测、卫星定位、4G通信、物联网、数据库等技术，实现了放射源在每一个作业阶段，管理人员能够通过Web网页清楚查询到放射源状态与位置信息。实际测试表明，系统具有实时采集，传输可靠、功耗低的优点，能够稳定监测放射源容器外泄漏的放射性剂量率以及对放射源位置进行实时跟踪。关键词：辐射监测；智能低功耗；放射源；定位跟踪中图分类号：TL929；X34(1.Atomic High-tech Corporation,Bejing 100089,China;2.College of Nuclear Technology&Automation Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;3.China Baoyuan Investment Co.Ltd,Bejing 100000,China)Abstract:In order to realize the real-time positioning and tracking of the radioactive source and the real-time monitoring ofthe radiation dose outside the container of the radioactive source during the use,storage and transportation of the radioactivesource,a radiation monitoring and tracking system based on the Internet of things was designed,and the overall design of the systemand the hardware and software design were completed.The system integrates photoelectric detection,satellite positioning,4Gcommunication,Internet of things,database and other technologies to realize that the manager can clearly query the status andlocation information of the radioactive source through the web page in each operation stage.The actual test showed that the systemhas the advantages of real-time acquisition,reliable transmission and low power consumption,and can stably monitor theradioactive dose rate of the leakage of the radioactive source container and track the position of the radioactive source in real time.Keywords:Radiation monitoring;intelligent low power consumption;radioactive source;location and tracking文献标识码：AResearch on Radiation Monitoring and Tracking System ofRadioactive Sources Based on Internet of ThingsZHANG Yi-ming,QIN Zhang-jian,LU Jia文章编号：10 0 1-36 44(2 0 2 3)0 5-0 2 0 9-0 8前言随着经济和科技的不断进步，放射源已经广泛应用于辐照加工，石油勘探，医疗、农业等领域 。据统计，我国截至2 0 2 0 年12 月31日，全国在用放射源14942 5 枚 2】。自2 0 15 至2 0 2 0 年，我国一共发生放射源事故2 9起，丢失、被盗的放射源数量为2 0 枚。为了减少因放射源引起的辐射安全问题，加强放射源监管刻不容缓。文献 3 采收稿日期：2 0 2 2-0 8-16作者简介：张轶名（198 1）男，河南延津县人，毕业于清华大学核能与核技术应用专业，硕士，高级工程师，主要从事辐射安全管理工作。用NB-IoT通信模块、GPS定位系统实现了探伤机放射源脱落预警与实时监控；文献 4 采用RFID与百度地图结合的方式实现了放射源远程追踪；文献 5 采用辐射探测、GPS 定位、GSM 与WiFi等技术实现了放射源两级实时监控；文献 6】研制了基于STM32的放射源远程监控与跟踪终端装置，结合GPRS、G PS、剂量监测和远程通信等技术实现对放射源的在线监控；文献 7 改进和实210现了基于Android，D ja n g o 框架和Vue框架改进与实现放射源移动检测系统，；文献 8 研究了基于蓝牙的放射源防丢失与微定位系统；文献 9 采用物联网、GIS、G PS 等技术实现对放射源的在线监测和安全防护；文献 10 采用蓝牙、Lora和RFID等技术，并结合核探测技术设计了移动放射源监管系统；文献 采用CSM、G PR S 技术、剂量检测技术和SQL Server数据库技术等设计了基于CPS 的室外放射源信息监控系统。物联网是通过使用射频识别，传感器，全球定位系统等信息采集设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别，定位，跟踪，监控和管理的一种网络，具有整体感知、可靠传输和智能处理的特点。放射源在移动过程中通常需要罐体屏蔽辐射场。针对放射源管理不到位导致剂量泄露和丢失的问题，本文采用GD32F303RET6单片机作为主控MCU，结合卫星定位，光电探测、4G通信等技术四川环境研究了一款能够安装在罐体表面的基于物联网的放射源辐射监测与跟踪系统。1系统总体设计基于物联网的放射源辐射监测与跟踪系统研制工作，主要分为系统总体设计、系统硬件电路设计、系统软件设计、系统测试等步骤。图1为放射源辐射监测与跟踪系统的总体架构。定位监测终端设备内含卫星定位接收模块、放射源剂量监测模块、4G通信模块、供电模块组成，共同完成对放射源容器的定位跟踪、放射源容器外泄漏辐射剂量监测、数据传输等功能。其中放射源剂量监测系统采用集小体积小体积的碘化（CsI）晶体与SiPMs硅光电倍增管于一体的探测器，具有小体积、高集成度的特点。4G通信模块采用是专门服务于物联网设备并实现低功耗和低成本的LTEUE-Categoryl联网技术。电源模块采用的是可充电锂离子电池。42卷供电模块放射源剂量监测模块1.1卫星定位模块放射源的定位信息采集采用一体式GNSS定位模块N10B，该模块具有小封装、高性能、低功耗的特点。数据接口使用UART串口通信，数据发送端（TXD）引脚与数据接收端（RXD）引脚与单片机连接，以实现模块与单片机的实时通信。模块内部定位数据采用标准NMEA0183协议，通过串口与外部上位机通信，解析来自N10B模块的定位数据，从而获得当前设备所在地理位置的经度、纬度、海拔高度等关键信息。1.24G通信模块物联网通信采用的是一体式LTECatl模块L505。该模块具有体积小，性能稳定可靠，功耗低的特点，外部通信接口可使用UART串口通信，单片机可非常方便的通过命令控制该模块。使用该模块外围仅需少量驱动电路，插人SIM卡后即可4G通信模块主控MaUGD32F303RET6图 1系统结构图Fig.1system structure drawing实现设备联网。1.3放射源剂量监测模块剂量率监测方面，本系统采用碘化艳（CsI)闪烁晶体与SiPMs硅光电倍增管于一体的探测器。在工作时，射线粒子打击到闪烁晶体上时，可激发晶体的荧光效应，产生一定数量的光电子，光电子经过加着反向高压的硅光电倍增管放大，输出不同幅度的核脉冲，将最小脉冲幅度作为电压比较器的比较阈值，从而捕获绝大多数的核脉冲，通过比较器输出为数字方波。后级使用单片机等器件对数字方波进行计数、计算单位时间内捕获的的方波个数，使用计数率来度量核辐射剂量率。1.4供电模块电源供电选择的是可充电锂离子电池，单节可充电锂离子电池的电压范围一般在3.0 V4.2V。由于本系统设计的单片机芯片、卫星定位模块等大Y云服务器卫星定位模块用户查看5期部分外设一般工作在3.3V电压下，4GCatl移动通信模块的典型工作电压在3.8 V。因此采用充电管理芯片ETA6085，将电池电压3.0 V到4.2 V统一升压到5 V输出。然后采用两个降压芯片ETA3499将5 V分别降压输出为3.3V和3.8 V。张轶名等：基于物联网的放射源辐射监测与跟踪系统研究系统硬件设计系统硬件电路结构如图2 所示。硬件电路主要包括主控MCU、剂量采集、卫星定位模块、4G通信模块，以及MCU外围电路、电源等。2112定位天线通信天线升压模块硅光电倍增管2.1卫星定位电路设计放射源的卫星定位模块电路如图3所示，M2为卫星定位模块N10B模块。14引脚即为外部有源天线供电引脚。第6 引脚是备用电源输人端，模块第8 引脚的VCC主电源停止供电，那么模块会使GNSGND卫星定位模块串口4G通信模块GD32F303RET6电源数据传输比较器输出电路核脉冲计数图2 系统硬件电路结构Fig.2System hardware circuit structure用备用电源保持内部当前星图，当下一次给模块通电运行时，模块会调用保持的星图，从而可以减少首次定位的用时。图中B3是一颗可充电锂电池的纽扣电池，其目的是保证VCC_BACKUP备用电源不断电。Rash存储模块主控MCU时钟、复位电路信号控制GINSGNDMGNSSTXDPGASS RXDPR53张上1%GNSS VCCDRB521S-30C8100F/50VE10NGNS GNDGNSS.GNDFig,3 Satellite positioning module circuit2.24G通信电路设计放射源的4G通信模块L505的驱动电路电路如图4所示，由于L505的串口电平中高电平仅1.8V，而单片机的工作电压为3.3V，可能无法直接被单片机识别，所以在图中第1，2 引脚增加一个串口电平转换电路。当单片机的TXD端发送一个3.3V高电平到DTU_RXD_P网络时，经过R48与R49的分压网络，RXD引脚的电平被限制到5R1%GNSSPSPPSEXTINTVCC BACXUPRESERVEDGNSS YCCVCCB34.7K/%ML.4H-NVOIEC49GNS.GND图3卫星定位模块电路1.8V，即实现了3.3V高电平到1.8 V高电平的转换；当L505端需要向单片机端发出一个高电平时，L505第2 引脚输出1.8 V高电平，此时Q10的基极与发射极呈现等电势，Q10截止，Q10集电极连接3.3V上拉电阻所以此时Q10集电极呈现3.3V高电平，即实现了1.8 V高电平到3.3V高电平的转换。图中J90为IPEX3带射频天线接口，可插接外部天线。10R-1%GNDTXDORXDORESETN10RESERVED17RXDISCL1TXDISDA1514NCCRFANTON3GND12REANTGNDGANS.GNDC47GNS.GNDKI-IPEX-020三GNSS.GND212四川环境DTUVCCDIU442卷IAPRKEYREFLKHITMODEIK%STATUNETLICAITR47.1K+1%Q10DUTXDANTSDTUOND-CNDSUARTLIXUARTIRXRC-IPEX3-2020DTUCNDUSIM.VEDMVDLUSIMDATALUSIMLDETDTUGNDDIU.GNDDTUGND图44G通信模块L505驱动电路Fig.4 4G communication module L505 driver circuit2.3放射源检测电路设计放射源检测电路需要用到一个能将3.3V电压升压到30 V的DC-DC升压芯片，输出的30 V用于硅光电倍增管的高压输人，需要一款低传输延迟的电压比较器以及需要一款稳定输出的基准电源芯ETA5070V280NFIEU1VCCIN4VINC2VCCEN3EN2.2uF/6.3V/20%5一GNDFig.5 Comparator reference voltage generation circuit图6 为硅光电倍增管SiPMs高压电路。采用LT8410芯片作为升压芯片，通过R1、R 2 的阻值CI100nF/6.3V/10%VCCINLm-4ZuH10%35mAdV2vCCVCCEN1SHDNVREFEP3GNDU2GNDLT8410图6 硅光电倍增管SiPMs高压电路Fig,6 Silicon photomultiplier SiPMs high voltage circuit图7 为核脉冲比较器输出电路，D1是碘化（C s I）硅光电倍增管一体式探测器。将30 V电压通过一个限流电阻R4反向加压到D1两端，D1中的碘化（CsI）晶体在受到一定量的射线粒子打击时，D1的反向端即会产生基于30 V上的负向脉片用于比较器的基准电压。如图5 所示，即为比较器基准电压产生电路，使用ETA5070V280NF1E芯片，将输人电压VCCIN的3.3V稳定到2.8 V输出，将此2.8 V电压作为比较器的基准电压以及核脉冲输出的限位电压。VCC2V8VOUT2GNDGNDGND图5 比较器基准电压产生电路变化将输人的VCCIN的3.3V电压升压到30 V。IGNDC4100nFVOUT5FBP8GND京冲，由于比较器TLV7021的最大输人电压仅为6.5V，最大30 V幅值的波形显然无法直接输入到比较器，此处使用C7电容将高压核脉冲耦合到低压区。为了省电功耗考虑，将比较器的空闲输出设置为开漏状态，所以前级核脉冲需要增加一个C32.2uF/6.3V/20%GNDSIPM_HV30VC5237K+1%RI768K1%R2100nF/6.3V/10%5期2.8V的偏置电压，此偏置电压同样来源于ETA5070芯片的2.8 V基准电压源。根据比较器的SIPMHV30V11.8K1%R31.3K1%1.3K1%R4C7220pF/50V/5%北沐CsI-SiPM-S4.5DI张轶名等：基于物联网的放射源辐射监测与跟踪系统研究VCC.2V8VCCIN1.3K1%R7R5U3TLV7021DCKR3510K1%R6213同相输入端与反向输人端电压大小，输出不同电平。以此完成放射源辐射剂量监测。C6100nF/6.3V/10%HIGNDPULSEGND3系统软件设计3.1突变感知算法设计为了保证放射源剂量率监测的准确性，本文采用定时中断，使用单片机内部RTC实时时钟的秒中断触发，固定每一秒进入一次，进入秒中断后立即获取一次外部中断函数中的脉冲计数变量。为了计算出准确的平均计数率数据，需要采集一定的数据量基础数据集。如果在采集过程当中遇到剂量率的突变，那么这些突变的数据将会被同样记录到基础数据中，这些突变的“脏数据”将会严重影响到平均计数率的最终计算结果，所以必须提高统计GND图7 核脉冲比较器输出电路Fig.7 Nuclear pulse comparator output circuit算法对“突变”的灵敏度感知，当“突变”发生时立即抛弃旧数据，重新采集数据基础集，如此计算出的平均计数率才是可以最大程度反应当前实时剂量率的。如图8，本系统采用统计学正态分布中的3准则。3准则即是先假设计数率数据集只含有随机误差，对其进行计算处理得到标准偏差，按一定概率确定一个区间，认为凡超过这个区间的误差，就不属于随机误差而是粗大误差，含有该误差的数据应予以剔除，在本设计中，当连续产生这种粗大误差的数据时，可以认为产生了剂量率“突变”，立即抛弃原数据集，采集新的数据集用于计算平均计数率，由此可以对突变做出非常灵敏的反应。GND34.1%34.1%13.6%0.1%2.1%u-30H-20H-图8 正态分布3g区间示意图Fig.8Normal distribution 3o interval diagram3.2Web前端开发图9 展示了Web前端开发出的监控平台的监控面板。面板设计包含了在线设备总数显示、注册设备总数显示、当日数组总量显示、异常报警设备13.6%2.1%H+oH+20显示、地图标点显示等。其中地图上紫色定位图标即为部分设备定位点，当同一地点设备数过多时，会合并为一个点显示。0.1%u+30214四川环境42卷图9监控平台监控面板Fig.9 Monitoring Platform Monitoring panel4系统测试4.1放射源辐射监测模块测试图10 为在本底条件下，在环境剂量率无突变情况下采集12 7 组计数率的数据变化，其中每一组0.90.80.70.60.50.40.30.20.10147 101316192225 28 3234374043 46495255 5861646770737678 8285 88 9194 97 100103106109112115118121124127图11是在使用137 进行稳定测试时的计数率数据记录图表，可以看出，在计数率较高时，设备可以迅速输出较稳定的平均计数率数据，同样，120100806040200135.79111315 17192123 25272931333537394143图11艳137 放射源计数率测试Fig.11Cesium 137 source count rate test代表1秒的计数率，可以看出从第0 秒开始，设备可以在5 秒内大致稳定平均计数率的输出，且测试时间越长，输出的平均计数率越稳定，达到设计要求。图10 本底计数率记录图表Fig.10Background count rate recording chart若该放射源的剂量率数据不发生突变，设备也是测试时间越长输出数据越稳定，符合本文所述设计要求。45474951535557595期图12 为加入本文所述“突变检测算法”后的反应效果。测试方法是：采集本底12 0 秒，然后突然加入艳137 放射源再持续采集约6 0 秒，最后撤离放射源。可见加入该算法后，设备能够非常灵敏的感知到环境剂量率的变化，对加人137 放射源12010080604020张轶名等：基于物联网的放射源辐射监测与跟踪系统研究215以及撤离放射源后，都及时感知到变化，并及时抛弃旧采集的数据集，立即采用突变后的新数据集，“突变”做出了完美反应。效果符合预期，设计基本成功。图12 加入“突变检测算法”时环境剂量率突变感知效果Fig.12 Effect of environmental dose rate mutation perception when adding mutation detection algorithm4.2定位跟踪测试将定位测试设备水平放置于测试车辆前挡风玻璃下，GNSS天线处于正上方，且卫星视野良好无遮挡并和测试后台确认设备数据接人正常，卫星定位信号正常。将轨迹采集所使用的安卓手机放置在定位测试设备旁，打开GPS轨迹采集应用，确认卫星信号正常。测试路线从成都市航天科工通信技术研究院出发、成都绕城高速最后返程。测试完成后，从安卓手机中导出记录的CPX轨迹文件，从测试后台导出测试设备测试期间定位数据，将数据进行分析和对比，并进行偏差计算。表1为设备卫星定位偏差计算表。计算获得定位点误差小于5 0 m的点个数为10 0%，表示设备定位误差达到设计要求。表1设备卫星定位偏差计算表Tab.1Calculation table of equipment satellite positioning deviation项目最大值最小值中位数误差小于5 0 m的定位到个数比例4.3低功耗续航测试试验室环境下，我们将设备锂电池供电线正极线中串联一个电流表，观察设备在运行中对电池的电流需求，图13左边为设备全功耗运行时的耗流量，图13右边为设备进人低功耗模式的耗流量。结果39.94m0.13m3.63m100%ICTORVC890D1034DCDICITALMULTIMETERV.CIORVC890D0363DIOITALMULTIMETERAUTO.POWERSELECT米.OFHOLDAUTOPOWEROFF20mFOFHFE200mV20MO2MQ20020R:20OFFNFECEaO20MO2VVm20V200V100V:50V200VVeQ20200200200V1000V200V图13设备全功耗运行耗流（左）与设备低功耗运行耗流（右）Fig.13 Full-power operation current consumption(left)and low-power operation current consumption(right)由测试照片可见，设备全功耗运行时电流可达100mA以上。低功耗模式下，设备整机对电池的能耗需求仅仅0.3mA，模拟实际运输使用场景下，使用测试车辆，搭载两台定位监测终端设备，进行216长途运输、储存测试，出发前将两台设备电量充电到10 0%，且检查设备运行良好情况，之后存放接项目充电完成时间运动阶段数据发送频率实际运输运输结束剩余电量四川环境近两周后上路进行测试。表2 统计了运输时长、最终电量等信息。表2 模拟实际运输相关数据统计Tab.2 Simulated actual transportation related data statistics设备RMQG05-A00017202011-24 22:51:062min/次2020.12.10-2020.12.2156%42卷设备RMQG05-A000192020-1124 22:53:232min/次2020.12.10-2020.12.2154%从测试数据可以看出，当设备充电完成后，进行了约15 天的存储存放，之后开始运输，运输约10天后，剩余电量约5 5%左右。由此可以推断，本设备的电量充足情况下，完全可以支持两次的运输周转，若单纯仓储存放，则可推断续航时间可达2个月以上。5结 论本文设计的基于物联网的放射源辐射监测与跟踪系统实现了在放射源作业的各个阶段能够对放射源的环境剂量以及位置信息进行实时监控，采用专门服务于物联网设备4GCatl实现数据的实时传输；采用卫星定位技术实现放射源的定位与轨迹跟踪，采用光电探测技术实现放射源的辐射监测，采用突变感知算法实现了对放射源容器外剂量率变化灵敏感知。放射源辐射监测与跟踪系统的设计，有利于提高放射源监控水平、降低放射源丢失、被盗等事故发生几率，具有显著的社会效益和应用价值。但是也存在着一定的不足主要在没有移动信号的地方以及在完全没有罐体屏蔽的强辐射场条件下不能使用该系统，可以从这两个方面作为后续系统完善重点方向。参考文献：【1潘强，张宏祥，彭元敏，等.放射源在线监控系统设计与应用 J.环境工程,2 0 12,(6):6-7.【2 中华人民共和国生态环境部国家核安全局2 0 2 0 年年报R.2020.3 张政阳，刘智慧，张睿等探伤机放射源脱落预警与NB-IoT实时监控系统的探究 J新型工业化，2 0 19，9(10):5-12.4刘晨鑫,刘航基于百度地图API与 RFID技术的放射源远程追踪系统研究 J黑龙江科技信息，2 0 14，（2 7）：6 2.52罗庚，张鸿德，温佳钰等放射源两级定位系统设计 J.核电子学与探测技术，2 0 19，39（11）：7 6 8-7 7 2.6 古国强，戴石良，颜拥军，等。基于STM32的放射源远程监控与跟踪终端装置研制J：南华大学学报（自然科学版），2017,31(4):80-85.7文刘英杰放射源移动检测系统的改进与实现 D北京：北京邮电大学，2 0 2 1.8 胡艳涛。基于蓝牙的放射源防丢失与微定位系统研究 D.西安：西安工业大学,2 0 16.9 王海山，闫德坤，郑舒绮，等甘肃省高风险移动放射源在线监管系统总体设计 J甘肃科技，2 0 2 1，37（12）：6-7.10侯跃新，肖丹，李钢，等基于蓝牙和Lora技术的移动放射源监管系统设计J自动化技术与应用，2 0 2 0，39(4):58-60,91.11 李李远茂，刘桂雄，曾成刚基于GPS的室外放射源信息监控系统设计 J.电子测量与仪器学报，2 0 16，30（8）：12 44-1254.