室内氡实时监测预警系统设计.pdf

科技创新与生产力 2023年第 44卷第 8 期粒子探测器语音报警模块数据采集控制器（客户端）LCD12864Wi-Fi接口电路用户监测平台（服务器端）氡能够从水泥、石膏等建筑材料中析出，并且随着时间逐渐积累1。在密闭的环境中，氡及其子体含量超标，严重影响人的身体健康2。世界卫生组织已经将氡及其子体认定为 1 类致癌物3，室内氡及其子体在衰变过程中会释放 琢 粒子，琢 粒子对呼吸道产生照射，容易引发肺癌4，其危害性不亚于 PM2.5，而又容易被忽视。因此，实现室内氡浓度的实时监测和预警具有重要意义5-6。随着嵌入式技术7-8、传感器技术9与无线通信技术10-11的发展，使有害气体的实时监测与预警成为可能。刘兵12使用 PIC16F887 实现氡的采集，并且通过有线的形式将数据传输至服务器；田丽霞等13使用便携式测氡装置对土壤氡浓度进行监测与分析；王子国14使用 RMSD-500 便携式测氡仪设计了氡浓度监测软件；宁洪涛等15使用 琢 能谱测氡仪对地震水氡进行观测；耿新洋等16利用 ARDUINO 平台搭建了铀矿井下的环境监测与通风系统控制系统；张书燕等17利用 Genant4 模拟 ST-203 闪烁室测氡，实现氡浓度实验值与理论值偏差小于 5%；任宏微等18利用RN-150 小型氡气固体源和 Alpha-GUARD P2000F仪器对 FD-125 测氡仪进行修正，提升了测氡精度；王政霞等19设计了一种闪烁室测氡仪，利用积分计数法实现氡浓度的快速测量，测量精度达 5%以内；乔宝强等20利用锗酸铋（Bi4Ge3O12，BGO）晶体探测技术和 ARM 嵌入式微处理器自动控制技术，开发伽玛测量模块，实现铀矿勘探测氡工作的智能化。市场上室内测氡仪器大都来自国外，并且属于终端探测器，缺乏对应的监测平台，终端探测器需要人为操作，劳动强度较大，监测效率低。室内测氡仪器还需要解决无线多点监测、数据修正、实时监测等问题。本文以 STM32 芯片作为主控芯片核心，使用 琢 粒子传感器采集环境中 琢 粒子数，并转换为电信号，经过放大与 A/D 转换之后传至主控芯片，使用中值平均滤波法对数据作进一步处理，减小测量误差，利用 Wi-Fi 无线通信技术将数据发送到服务器端的监测平台，实现室内氡浓度的实时监测与预警。1系统概述室内氡实时监测预警系统框架见图 1。室内氡浓度实时监测系统采用客户端/服务器端（Client/Server，C/S）架构设计。服务器端与客户端的数据传输使用 TCP/IP 协议，采用不同的 IP 地址和端口号与多个客户端进行通信，实现多点监测。基金项目 福建省中青年教师教育科研项目（JAT191434）收稿日期：2023原03原15曰修回日期：2023原04原10作者简介：高志滨（1986），男，福建漳州人，硕士，讲师，主要从事智能探测仪器研究，E-mail：。室内氡实时监测预警系统设计高志滨摘要：针对室内氡实时监测的问题，提出一种基于嵌入式技术、无线通信技术和传感器技术的室内氡实时监测预警系统的设计方案。该系统包括服务器和终端控制器两部分，能够实现对室内氡浓度的远程实时监测与预警。其中，服务器是使用面向对象语言设计的可视化实时监测平台；终端控制器使用 STM32 芯片作为主控芯片核心，主要实现 琢 粒子数的采集与传输，包含 琢 粒子探测器模块、Wi-Fi 无线传输模块、语音预警模块等。服务器和终端控制器使用 TCP/IP 协议进行通信，终端控制器将当前采集的 琢 粒子数使用特定的数据帧格式，通过无线通信的形式传输给服务器。实验表明，室内氡实时监测预警系统运行稳定，测量精度较高，实时性好。关键词：室内氡；实时监测；服务器；终端控制器；TCP/IP 协议中图分类号：O613.16；TP277；TP212.9；TP393文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.08.134（漳州城市职业学院电子信息工程系，福建漳州363000）文章编号：1674-9146渊圆园23冤08原134原04科 技 创 新 与 生 产 力SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITY第 44卷第 8 期2023年 8 月Vol.44No.8Aug.2023*图 1室内氡实时监测预警系统框架服务器端是使用面向对象语言设计的上位机软件，布置在监控中心的服务器上数据监测平台，包括端口监听模块、数据传输与转换模块、存储模块、用户可视化模块等，用户可通过监测平台实时观测室内氡浓度。客户端是一种基于 STM32 芯片的数据采集终端控制器，可布置在仓库、地下停车场等场所，负责环境物理量的采集、数据的处理与传输。系统工作时，服务器监测平台通过套接字监听客户端的连接申请，每一个客户端的连接申请都会创建一个新线程，服务器和客户端经过 3 次握手之后，建立可靠的连接通道。客户端主要控制 琢 粒子探测器采集当前环境的 琢 粒子数，数据转换成氡的原子核数后送至 Wi-Fi 无线传输模块，通过双方建立的连接通道发送到服务器端的监测平台。终端控制器通过液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）模块显示当前室内氡原子核数量，当室内氡原子核数量超过设定阈值时，语音预警模块会发出警报。2系统硬件设计系统硬件设计主要完成终端控制器的硬件电路设计，以 STM32 芯片作为主控芯片核心，外围电路包括 琢 粒子探测器模块驱动电路、数据转换电路、按键驱动电路、LCD12864 驱动电路和语音预警模块电路等。2.1Wi-Fi 无线传输模块Wi-Fi 无线传输模块主要负责服务器与终端控制器的数据传输。使用 ESP8266 作为 Wi-Fi 通信芯片，该通信芯片的工作电源由 AMS1117-3.3 V 稳压芯片输出供给，此外还需要将主控芯片与 Wi-Fi 芯片做共地处理。主控芯片通过 UART 端口与 Wi-Fi芯片进行通信，使用 TCP/IP 协议栈与服务器进行数据交互。终端控制器与服务器的通信，需要在终端控制器上组建 TCP Client 与服务器端通信，通过CWMODE 指 令 将 Wi-Fi 无 线 传 输 模 块 配 置 为COM-WIFI-STA 模式，CWJAP 指令完成 Wi-Fi 无线 接 入 配 置，CIPMUX 指 令 配 置 单 点 连 接，CIPSTART 指令配置接入方式为 TCP 方式和接入端口号，CIPMODE 指令配置透传模式，CIPSEND 启动数据传输。2.2语音预警模块语音预警模块主要实现终端控制器的预警功能。使用 WT588D 芯片作为语音处理芯片，芯片内置 数 字 信 号 处 理 器（Digital Signal Processing，DSP），语音信号经 13 b 的 D/A 转换芯片处理，通过外接 0.5 W/8 赘 的扬声器输出，播放音质清晰。STM32 控制器通过三线串口控制语音预警模块的音量设置、语音播报、暂停等。系统运行时，如果当前监测 琢 粒子数超过设定阈值，则主控制器将预警信号以字符串形成传送至语音处理芯片，语音信号经过 DSP 信号处理和 D/A 转换之后，送至扬声器完成播报。2.3显示模块显示模块安装在终端控制器上面，主要实现 琢粒子数的显示。使用 LCD12864 液晶作为显示屏，当采集到的 琢 粒子数据并经过放大电路处理之后，通过 12 b 的 A/D 转换芯片转换成 04 096 的数据，送至无字库的 LCD12864 上显示，并且通过串口送入 Wi-Fi 无线传输模块，传送至服务器监测平台。主控芯片通过输入/输出（I/O）端口控制 LCD12864液晶的 CS1、CS2、RS、RW、E 等信号引脚，实现液晶选屏、命令与显示数据的读写控制。命令与显示数据传输使用 74HC595 串口转并口芯片，通过页地址、行地址与列地址实现数据显示。2.4琢 粒子探测器模块室内氡主要指222Rn，测量设备复杂，经济投入较大。222Rn 在衰变过程中会释放 琢 粒子，其衰变产生的子体有218Po、214Po 和214Bi，218Po 和214Po 在衰变过程中也会释放 琢 粒子，而214Bi 比较稳定，几乎不衰变。因此，可以使用 琢 粒子探测器采集当前的 琢粒子数，经过计算得到氡的浓度。氡及其子体的衰变达到平衡时具有一般规律12，其表达式为姿aNa=姿bNb=姿cNc（1）式中：姿a、姿b、姿c是222Rn、218Po、214Po 的衰变系数，Na、Nb、Nc是222Rn、218Po、214Po 的原子核数，姿aNa、姿bNb、姿cNc是222Rn、218Po、214Po 衰变的 琢 粒子数。氡的原子核数量的计算公式为NA=Na+Nb+Nc（2）使用 琢 粒子探测器采集当前环境的 琢 粒子数，结合式（1）和式（2），计算得到氡的原子核数量 NA。3系统软件设计3.1服务器端软件设计3.1.1服务器端监测软件设计服务器端数据监测平台使用面向对象语言进行设计，实现端口监听、数据传输、转换、存储、可视化等功能。数据监测平台主要包括 4 个类，数据监测平台的 UML 类图见图 2。图 2 中只给出系统的主要函数成员和数据成员。其中，ServerMainForm 类为系统的启动类，主要成员有 DataCollect 类对象、Display 类对象和Monitor 类对象。启动类包含了系统运行程序的框架，负责各模块程序的调度。DataCollect 类主要实现数据分析、转换与存储，通过 SelectChannel()方 法 选 择 监 听 对 象，StartCollect()方 法、高志滨：室内氡实时监测预警系统设计 135 科技创新与生产力 2023年第 44卷第 8 期图 2数据监测平台的 UML 类图PauseCollect()方法、StopCollect()方法实现对当前监听对象传输数据的接收控制，AutoSaveData()方法存储当前接收的数据，DataClear()方法清除数组中的数据；Display 类实现主界面设计，Initia-lize()方法是窗体设计器初始化函数，OnPaint()方法实现坐标绘制与数据可视化，DataTran()方法将绘图数据通过数组传给 Display 类；Monitor 类主要实现 Server 与 Client 的通信功能，为了实现服务器与终端控制器一对多的通信，需要在 Listen()方法当中开启多线程，每个终端控制器连接服务器，都会创建一个新线程，Decoding()方法对接收的数据进行解析。3.1.2数据通信程序设计服务器和终端控制器通过 Wi-Fi 协议建立连接，使用星型拓扑结构搭建无线局域网（WirelessLocal Area Networks，WLAN），实现多点数据监测，在物理层使用 CSMA/CA 算法避免各点数据传输冲突。终端控制器通过无线访问接入点（Access Pointwireless，AP）接入网络，服务器和终端控制器的通信过程，即数据与命令的交互过程，见图 3。服务器端监测平台与终端控制器使用 TCP/IP协议进行通信，通过 Create Socket()方法创建套接字，BindIPandPort()方法将套接字与 IP 地址和端口号绑定，通过系统子窗口可对监听的 IP 地址和端口号可进行设置，Listen()方法用于监听终端控制器的连接请求，AcceptConnection()方法用于数据 通 信 之 前 的 3 次 握 手 连 接，RecData()和SendData()方法用于数据接收和发送，Shutdown()方法释放连接，Close()方法关闭套接字结束通信。3.2终端控制器驱动程序设计终端控制器驱动程序包括 琢 粒子探测器模块驱动程序、LCD12864 液晶驱动程序、Wi-Fi 无线传输模块驱动程序和按键驱动程序等。系统运行流程图见图 4。系统初始化过程主要完成 I/O 端口、定时器、UART 端口、琢 粒子探测器、LCD12864、语音预警模块、Wi-Fi 无线传输模块的初始化，接着主控制器驱动 琢 粒子探测器实时采集当前 琢 粒子数。由于琢 粒子探测器的电信号比较幅值较低，需要使用运算放大电路进行放大处理，放大后的信号经过 A/D转换芯片转换为 04 096 的数据。为去除噪声信号，将小于 10 的数据作为无效数据，即将幅值小于 0.012 2 V 的信号视为噪声信号。为提高测量数据的准确性，还可以使用中值平均滤波法对 A/D 转换的信号进行滤波，将连续 7 次采集的有效数据，去掉最大值与最小值，对剩下的 5 个有效数据求平均值，将此平均值作为所测 琢 粒子数值。终端控制图 3服务器和终端控制器的通信过程图 4系统运行流程图服务器终端控制器开始语音模块发擦户警报系统初始化琢 粒子数据是否大于阈值琢 粒子数据采集数据超标次数加1否是否是次数是否大于5次数据处理、显示与 Wi-Fi传输结束 136 图 5系统服务器端数据监测平台运行界面器利用 LCD 显示当前数据，并利用 UART 端口将当前数据送入 Wi-Fi 无线传输模块，数据信号经物理天线送至服务器端。为提高语音预警模块性能的可靠性，增加数值超标累计功能，连续 5 次采集的数据超过设定阈值时才会发出警报，警报音可通过按键结束。4数据监测平台运行测试系统服务器端数据监测平台运行界面见图 5。数据监测平台启动时需要输入用户账号和密码登录，用户进入系统之后可以通过系统菜单打开历史数据文件、数据采集控制、通道选择、启动监听服务等。室内氡浓度受建筑材料、环境温湿度、换气率等因素影响，当前系统界面为不同时刻不同室内条件下监测的数据，当室内处于密闭状态、通风效果比较差时，氡及其子体不断积累，浓度明显高于其他时刻的数据。5结束语室内氡浓度的影响因素较多，特别是建筑材料、环境温湿度、换气率等，长期监测会带来人力物力消耗。利用嵌入式技术、无线通信技术和传感器技术设计的室内氡实时监测预警系统，由服务器端和终端控制器组成，服务器布置于监控中心，终端控制器可以布置在仓库、地下停车场等场所，实现室内氡浓度的远程多点监测，结合预警功能，对氡浓度较高的区域能够及时采取碳吸附或通风等方式，降低室内氡的含量，确保人的身体健康，同时避免了过多的人力物力消耗。参考文献：1武云云,宋延超,张庆召,等.建筑气候对氡浓度的影响与分析C.中国医学装备协会.中国医学装备大会暨 2022 医学装备展览会论文汇编（上册）.重庆:中国医学装备协会,2022:358.2孟和,曹小红.乌鲁木齐某实验楼室内氡浓度测量及影响因素分析J.新疆地质,2021,39(3):493-496.3李佩,周文珊,王芳,等.十堰市城区居民室内氡浓度调查结果与分析J.中国辐射卫生,2023,32(1):26-29.4强紫琪,陈波,卓维海.氡致肺癌危险度评价模型及其应用初探J.中华放射医学与防护杂志,2022,42(4):315-320.5陈弘杰,张庆贤,林意,等.成都市某地下空间氡气监测及其防治措施J.环境工程学报,2021,15(2):650-656.6徐立鹏,葛良全,王猛,等.成都市某办公场所室内氡活度浓度水平调查及污染研究J.辐射防护,2020,40(3):204-211.7刘小滨,刘寅,沈文浩.基于 STM32 单片机的环境温/湿度远程监控系统设计J.中国造纸学报,2022,37(3):118-125.8单立军,孔永华.基于STM32单片机的智能窗控制系统设计J.东华大学学报(自然科学版),2021,47(6):84-90.9吴锋.一种高效的无线传感器网络目标覆盖算法J.西南大学学报(自然科学版),2022,44(8):195-204.10李丹,方方,王莉君,等.新型空气氡监测网络系统构建J.核电子学与探测技术,2020,40(5):729-733.11曹庆年,王瑶,孟开元,等.基于 WiFi 的无线仪表配置系统设计J.西安石油大学学报(自然科学版),2019,34(6):117-120.12刘兵.基于 Android 的室内测氡仪通信系统设计与实现D.杭州:中国计量大学,2017.13田丽霞,房冰冰,杨强.基于单片机的便携式瞬时土壤测氡装置的野外测试与分析J.矿产综合利用,2020(2):102-105.14王子国.基于云服务器的氡浓度监测软件系统的设计与实现D.北京:中国地质大学(北京),2021.15宁洪涛,周红艳,余志成,等.NRIW 型 能谱测氡仪用于地震水氡连续观测可行性研究J.核电子学与探测技术,2021,41(5):757-762.16耿新洋,袁正平,王富林.基于 ARDUINO 的铀矿井下环境监测及智能通风系统设计J.中国安全生产科学技术,2022,18(7):109-113.17张书燕,李志强,徐勇,等.闪烁室测氡不同时刻的刻度因子研究J.四川大学学报(自然科学版),2023,60(2):122-127.18任宏微,姚玉霞,陈其峰.测氡仪标准仪器校准法的可行性研究J.大地测量与地球动力学,2023,43(1):100-105.19王政霞,李志强,李彦秋,等.基于小闪烁室测氡仪快速定值方法研究J.四川大学学报(自然科学版),2022,59(2):146-150.20乔宝强,薛耀辉,王勇,等.智能化高效活性炭测氡仪开发与试验应用J.铀矿地质,2022,38(5):987-995.（责任编辑邸开宇）（英文部分下转第 141 页）高志滨：室内氡实时监测预警系统设计 137 Design and Exploration of Police Warning and Monitoring Systemfor Environmental Cases Based on GISWU Jiangtong,LYU Jingwei,YAO Zhixuan,ZHAO Ruiqi,WANG Yizhe(Department of Criminal Investigation,Shanxi Police College,Taiyuan 030401,China)Abstract：With the ecological concept gradually rooted in people s heart,environmental security has become a key concernof people.Because of the high incidence,universality and concealment of environmental cases,public security organs oftendemonstrate passivity and hysteresis when dealing with cases.Facing the harsh environmental security situation,this paperproposes a GIS based warning and monitoring police system for environmental cases,which provides convenience for publicsecurity organs to effectively crack down on illegal behavior from three aspects of prevention of cases,handling of cases andcontrolling the secondary disasters after cases.Key words：environmental case;police system;GIS进行综合分析研判，对相关地区建立起长效监管和预警机制；优化出警路线，提高出警效率，使公安机关能够及时处理污染问题；通过系统的后期处理功能，还能够对周边区域及居住群众快速采取保护措施，防止次生灾害的发生。4.3生态效益绿水青山就是金山银山。环境案件警用预警监测系统的投入使用，能够使相关部门在最短时间内解决环境污染问题，减少污染对人民群众的危害，最大程度地保护大家的生态环境。另外，此系统的完善还能够促进公安机关与环保部门的加深交流与合作，共同治理环境案件，使美丽中国建设不断向好发展。5结束语本研究提出的环境案件警用预警监测系统，从警务实战工作的角度出发，结合目前大数据时代特点和环保思想，借助 GIS 等相关技术，为环境案件的治理提出了创新性的研究路径，助力我国生态文明建设和社会治理工作的进一步完善。参考文献：1李霞.环境犯罪案件侦查的困境与破解思路J.警学研究,2021(4):62-70.2刘艺绚.基于数据挖掘的污染环境犯罪预警模型构建初探J.网络安全技术与应用,2022,255(3):38-40.3最高人民法院.中国环境司法发展报告（2021）R/OL.(2022-06-05)2022.12.30.https:/ 技术在犯罪地理学中的运用J.河南科技,2017,603(1):16-18.6肖汉,杜永慧,徐金泽,等.融合 GIS 的犯罪概率模型及应用J.北京大学学报(自然科学版),2013,49(6):1025-1030.（实习编辑王赟）吴江彤，等：基于 GIS 的环境案件警用预警监测系统的设计探索Design of Real-time Monitoring and Early Warning System for Indoor RadonGAO Zhibin(Department of Electronic and Information Engineering,Zhangzhou City College,Zhangzhou 363000,China)Abstract：A design scheme for an indoor radon real-time monitoring and warning system based on embedded technology,wireless communication technology,and sensor technology is proposed to address the issue of indoor radon real-timemonitoring.This system includes two parts:a server and a terminal controller,which can achieve remote real-time monitoringand warning of indoor radon concentration.Among them,the server is a visual real-time monitoring platform designed usingobject-oriented language;the terminal controller uses STM32 chip as the core of the main control chip,mainly achieving thecollection and transmission of particle numbers,including particle detector module,Wi-Fi wireless transmission module,voice early warning module,etc.The server and terminal controller communicate using TCP/IP protocol,and the terminalcontroller will collect the current particle numbers and transmit to the server through wireless communication using aspecific data frame format.The experiment shows that the indoor radon real-time monitoring and warning system operatesstably,with high measurement accuracy and good real-time performance.Key words：indoor radon;real-time monitoring;server;terminal controller;TCP/IP protocol（上接第 137 页）141