基于ZigBee 和NB-IoT 雙網融合的核輻射單兵劑量儀系統設計

陳 杰

（聯勤保障部隊第900 醫院放射治療科，福州 350025）

0 引言

目前我國軍隊單兵核輻射劑量監測主要是定期（一般是3 個月）通過實驗室讀取單兵佩戴的熱釋光劑量計數值進行累積劑量的監測管理。這種監測方式存在時效滯后和實時劑量數據缺失的不足：當劑量超標事件發生后，一方面監測的滯后會帶來重大安全隱患，另一方面實時劑量數據缺失也導致監管部門的核輻射暴露調查工作面臨嚴重困難。

X、γ 輻射個人劑量當量Hp（10）監測儀（以下簡稱“個人劑量儀”）是采用單片機技術研制的多功能便攜式核輻射劑量探測儀器[1-4]。目前一般個人劑量儀產品僅有劑量顯示和劑量超標報警功能，少數產品可通過有線、紅外線、藍牙等方式將單個儀器的劑量數據存儲在個人計算機中[5]，也有學者采用通用分組無線業務（general packet radio service，GPRS）網絡實現了單個個人劑量儀的遠程監控[6]，但這些都無法對批量個人劑量儀進行遠程監測和集中管理。

近年來，隨著新型物聯網如ZigBee、窄帶物聯網（narrow band internet of things，NB-IoT）的出現，設備遠程控制技術有了非常大的發展，各個行業的設備管理也因此得到智能化提升[7-9]。ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 協議標準的無線通信技術，具有組網靈活、低成本、安全性能好等優點，在短距離、低傳輸速率的應用方面具有優勢。NB-IoT 基于蜂窩網絡，能直接部署于現有的全球移動通信系統（global system for mobile communications，GSM）、通用移動通信系統（universal mobile telecommunications system，UMTS）、長期演進（long term evolution，LTE）網絡，具有廣覆蓋、低成本、低功耗等特點，也被稱為低功耗廣域網（low power wide area network，LPWAN）。筆者前期將ZigBee 網絡與個人劑量儀結合，實現了單兵核輻射劑量局部范圍內（1 km）的實時監測[1]，但無法滿足監管部門遠程實時監測的需求。本研究利用NB-IoT 網絡的特點，重新設計核輻射單兵劑量儀系統，將ZigBee 網絡收集到的單兵核輻射實時劑量數據通過NB-IoT 網絡發送到監管部門，從而實現單兵核輻射劑量的遠程實時監測。本系統能滿足監管部門遠程實時監測的需求，彌補現有熱釋光劑量計監測方式時效滯后和實時劑量缺失的不足，為監管部門不同核輻射環境下的單兵劑量監測提供全面技術支持。

1 系統總體結構設計

核輻射單兵劑量儀系統主要由單兵劑量儀、ZigBee 路由器、集中器、物聯網云平臺以及應用終端設備組成。系統總體結構示意圖如圖1 所示。

圖1 核輻射單兵劑量儀系統總體結構示意圖

單兵劑量儀由個人劑量儀嵌入ZigBee 終端組成，主要負責采集核輻射劑量數據并通過ZigBee 終端發送到ZigBee 路由器，ZigBee 路由器接收并轉發數據到ZigBee 協調器。單兵劑量儀、ZigBee 路由器、ZigBee 協調器共同組成一個簇樹形ZigBee 網絡。集中器由ZigBee 協調器和NB-IoT 模塊組成。ZigBee協調器是ZigBee 網絡的中心，負責組織、維持網絡，匯總各個ZigBee 終端收集的數據，并通過串口將數據傳輸到NB-IoT 模塊。NB-IoT 模塊將數據發送到物聯網云平臺（云端服務器），從而實現ZigBee 網絡與互聯網的連接。系統網絡結構如圖2 所示。

圖2 核輻射單兵劑量儀系統網絡結構圖

2 系統硬件設計

2.1 單兵劑量儀硬件設計

單兵劑量儀的硬件結構框圖如圖3 所示。其中個人劑量儀采用福州智元公司的RG1000 產品，ZigBee終端采用CC2538 芯片。

圖3 單兵劑量儀硬件結構框圖

個人劑量儀的工作原理：G-M 計數管探測到X（γ）射線信號后，經過放大采集電路處理統計出脈沖總數，然后由微控制單元（microcontrol unit，MCU）計算得出劑量值，顯示在LCD 屏幕上。時鐘日期芯片、帶電可擦可編程只讀存儲器（electrically erasable programmable read only memory，EEPROM）、按鍵、報警指示燈等外圍電路為MCU 提供當前時間信息、數據存儲、參數設置、劑量超閾值報警等功能。

ZigBee 終端的功能是將個人劑量儀的數據信號通過無線方式發送到ZigBee 網絡，同時將ZigBee 網絡的指令信號傳輸回個人劑量儀。ZigBee 終端與個人劑量儀的數據傳輸通過RS232 串行接口與MAX232芯片連接實現。單兵劑量儀采用9 V 充電鋰電池（配備Type-C 充電口，可使用包括手機充電頭、移動電源、計算機USB 接口等多種充電方式），并通過穩壓電源7805 和AS1117-3.3 9 V 直流電降為3.3 V 直流電供給ZigBee 終端。

2.2 ZigBee 模塊硬件設計

ZigBee 模塊存在于本系統的ZigBee 終端、Zig－Bee 路由器、ZigBee 協調器中。該模塊采用CC2538 芯片，其硬件結構框圖如圖4 所示。該模塊主要包括無線核心模塊、供電模塊、復位及按鍵控制電路、JTAG（Joint Test Action Group）接口及RS232 接口電路。為了擴大無線信號的覆蓋范圍，在ZigBee 路由器和ZigBee 協調器中增加CC2592 功率放大芯片和SMA（subminiature version A）外接天線。

圖4 ZigBee 模塊硬件結構框圖

2.3 集中器硬件設計

集中器（即網關）采用的是ZigBee 和NB-IoT 異構網絡，其硬件結構框圖如圖5 所示。

圖5 集中器硬件結構框圖

ZigBee 協調器采用CC2538 芯片，其結構與Zig－Bee終端、ZigBee 路由器一樣，負責ZigBee 網絡自組網創建與管理、匯總ZigBee 終端數據并發送到MCU。MCU 是集中器的主控部分，采用STM32 芯片，通過TTL（transistor transistor logic）串口與ZigBee 協調器和NB-IoT 節點相連，實現異構網絡數據傳輸。NB-IoT 節點采用高性能、低功耗的BC26 無線通信模塊，將數據上傳至物聯網云平臺。系統設計中只有一個NB-IoT 節點，后期維護只需要向電信運營商交納一個流量費用而不需其他費用，具有成本低的優勢。

3 系統軟件設計

3.1 單兵劑量儀軟件設計

單兵劑量儀劑量數據采集主要由ATmega32 芯片控制完成，軟件設計流程如圖6 所示。采集的劑量數據通過LCD 顯示（刷新時間為1 s），定時（時長通過按鍵設置）將劑量數據存儲于EEPROM 芯片并通過RS232 接口傳輸至ZigBee 終端。當劑量數據（包括劑量率數據和累積劑量數據）超過設置的報警閾值時，觸發聲光報警，同時立即存儲數據。

圖6 單兵劑量儀軟件設計流程圖

單兵劑量儀劑量數據發送主要由ZigBee 終端CC2538 芯片控制完成，軟件設計流程如圖6所示。通電后，先進行硬件和Z-Stack 協議棧初始化。Z-Stack 協議棧采用IAR Embedded Workbench for MCS-51 V7.30B 集成開發環境（以C/C++編譯器為基礎）進行開發[10]，能夠自行對ZigBee 網絡進行組織和維護。初始化之后，發出入網請求，如果成功，便與ZigBee 協調器建立通信綁定，將接收到的串口數據（經由ZigBee 路由器）發送至ZigBee 協調器。

3.2 ZigBee 路由器軟件設計

ZigBee 路由器在硬件結構上與ZigBee 終端的區別在于外接SMA 天線，在ZigBee 網絡中起到轉發ZigBee 終端數據、擴展網絡覆蓋范圍的作用。ZigBee 路由器軟件設計流程如圖7 所示。ZigBee 路由器在加入網絡后將接收到的ZigBee 終端數據轉發至ZigBee 協調器。

圖7 ZigBee 路由器軟件設計流程圖

3.3 集中器軟件設計

集中器的ZigBee 協調器軟件設計流程如圖8所示。初始化完成后，組織建立ZigBee 網絡，等待ZigBee 終端、ZigBee 路由器加入網絡。當串口收到STM32 發送的指令后，立即通過無線向ZigBee 終端廣播指令，同時接收ZigBee 終端返回的數據并通過串口傳輸到STM32。

圖8 集中器軟件設計流程圖

集中器主控芯片為STM32，軟件開發平臺選用RVMDK，該平臺標準外設庫以C 編程語言為基礎，易于理解與使用。STM32的主要任務是將數據、指令在ZigBee 協調器和NBIoT 節點之間進行相互轉發，軟件設計流程如圖8所示。STM32 初始化后，循環監測ZigBee 協調器是否有數據發送，當有數據發送時，將數據轉發至BC26（NB-IoT 節點），BC26 將數據發送至物聯網云平臺；同時循環監測BC26 是否有指令發送，當有指令發送時，將指令轉發至ZigBee協調器。

集中器NB-IoT 節點采用BC26 芯片，該芯片支持多種網絡協議，如消息隊列遙測傳輸（message queuing telemetry transport，MQTT）協議、約束應用協議（constrained application protocol，CoAP）、用戶數據報協議/傳輸控制協議（user data protocol/transport control protocol，UDP/TCP）等[11]。本系統選擇MQTT 協議棧實現與物聯網云平臺的數據通信，軟件設計流程如圖8 所示。BC26 初始化后，進入激活模式開啟頻道查詢，接著讀取SIM 卡激活入網。然后接收構建MQTT 協議的數據包并上傳至物聯網云平臺。最后物聯網云平臺監測數據列表，等待下次數據傳輸請求。

4 物聯網云平臺設計

本系統采用中國移動OneNET物聯網云平臺實現數據管理、顯示及控制命令發送功能。OneNET 物聯網云平臺提供PaaS（platform as a service）服務，即在物聯網應用和設備之間搭建服務器應用平臺，為各行業應用系統開發提供便利[12]。該平臺適配多種傳輸協議，可提供豐富的應用程序編程接口（application programming interface，API）和應用開發模板，大大降低了應用開發的難度[13]。該平臺采用Web 架構，利用瀏覽器就可以實現單兵劑量儀遠程控制以及劑量數據遠程監測與管理。

4.1 平臺數據管理

OneNET 物聯網云平臺數據管理實現Web 應用和單兵劑量儀局域網絡的數據交互、分析處理。OneNET 物聯網云平臺是連接Web應用和單兵劑量儀局域網絡的橋梁，它不僅為Web應用開發提供API，同時存儲來自單兵劑量儀局域網絡的劑量監測數據。OneNET 物聯網云平臺設備接入方式選擇NB-IoT 方式，平臺數據管理流程如圖9所示。

圖9 OneNet 物聯網云平臺數據管理流程圖

4.2 應用界面設計

OneNET 物聯網云平臺可提供數據管理和不同類型的控件，包括顯示類（圖片、曲線、儀表等）和控制類（旋鈕、開關、命令框等）2 種。平臺應用界面設計利用數據管理實現劑量數據的存儲和調用，利用控件綁定對應的數據源實現劑量數據的顯示和單兵劑量儀參數的設置，應用界面如圖10 所示。應用界面主要包括系統設置、數據顯示和報警提示3 個內容。系統設置包括人員信息設置、設備信息設置、通信設置和系統參數設置。數據顯示包括劑量儀人員信息顯示、單個劑量儀歷史數據曲線圖顯示、劑量儀實時劑量率和累計劑量顯示。報警提示包括設備掉線、實時劑量率超標、累計劑量超標顏色提示（變紅）和聲音提示。另外，在數據查詢功能中還能以Excel 表格形式下載劑量儀歷史數據。

圖10 應用界面

平臺設計實時劑量監測和歷史劑量查詢2 種工作模式，當系統應用在核輻射劑量嚴重超標環境（如核輻射事故現場、核輻射戰場等）時，通過實時劑量監測模式，指揮人員可以遠程實時查看劑量儀佩帶者實時劑量率和累計劑量超標情況，以便作出傷員救治決策。當系統應用在核輻射劑量超標風險較低環境時，劑量監管人員可以通過歷史劑量查詢模式定期遠程查看劑量儀佩帶者歷史劑量數據（包括劑量率和累計數據）信息，以調查佩帶者的核輻射暴露情況。

5 應用測試

應用測試主要驗證系統的可靠性和穩定性，包括單兵劑量儀輻射性能測試、單兵劑量儀通聯測試及系統Web 應用測試。其中，單兵劑量儀輻射性能測試主要考察儀器是否滿足國家標準JJG 1009—2016《X、γ 輻射個人劑量當量Hp（10）監測儀檢定規程》[14]限值規定的要求；單兵劑量儀通聯測試主要考察儀器在2 km范圍內的接收率；系統Web 應用測試主要考察Web應用是否會產生誤報、Web 應用能否實現對單兵劑量儀的有效設置等。

在單兵劑量儀輻射性能測試中，7 臺單兵劑量儀經由上海市計量測試研究院檢定，3 臺單兵劑量儀經由江蘇省計量科學研究院檢定，檢定項目共4項：相對固有誤差、統計漲落、能量/入射角響應、報警閾值偏差，檢測結果見表1。由表1 可知，10 臺單兵劑量儀相對固有誤差范圍為-16.5%～-5.8%，統計漲落數值范圍為1.7%～5.2%，能量/入射角響應數值范圍為0.71～1.54，結果符合JJG 1009—2016 標準規定的限值要求（相對固有誤差為-17%～25%，統計漲落劑量當量率最大允許值為15%～20%，能量/入射角響應誤差為0.71～1.67）。報警閾值偏差項目2 家檢測單位記錄結果略有不同，但都符合JJG 1009—2016 標準規定的要求。

表1 輻射性能檢測結果

單兵劑量儀通聯測試在空曠環境中進行，A、B 2 名測試者攜帶單兵劑量儀和ZigBee 路由器，C 測試者攜帶單兵劑量儀和集中器，將ZigBee 路由器和集中器利用伸縮桿置于離地3 m 高的位置（如圖11 所示），A、B 測試者間距1 km，B、C 測試者間距1 km，A、C 測試者間距2 km。單兵劑量儀5 s 發送一組數據包，連續發送1 000 組數據，各點的接收率、丟包率和平均時延數據見表2。測試結果表明：集中器在2 km 范圍內能夠準確接收數據，接收率比較高，平均時延也符合應用要求。

表2 單兵劑量儀通聯測試結果

圖11 ZigBee 路由器和集中器測試位置

在系統Web 應用測試中，10 臺單兵劑量儀布置于同一樓層8 個不同房間，2 個ZigBee 路由器布置于走廊兩端，集中器布置于監控中心。使用中國移動物聯網專用卡連接OneNET 物聯網云平臺，利用Web 應用界面設置劑量率告警閾值、累計告警閾值，清除累計劑量值，同步系統時間后相應單兵劑量儀均能準確無誤作出響應，單兵劑量儀觸發劑量超標報警后Web 應用界面也能同樣作出報警響應。經綜合測試，Web 應用界面其他各項功能均能正常運行，測試結果符合設計要求。

6 結語

基于ZigBee 和NB-IoT 雙網融合的核輻射單兵劑量儀系統結合了ZigBee 自組網和NB-IoT 遠程透傳的特點，具有組網快速靈活、適用范圍廣、價格低等優勢。本系統應用于單兵核輻射劑量監測，能夠實現單兵核輻射實時劑量的遠程監測和歷史數據集中管理，彌補當前熱釋光劑量計監測時效和實時劑量方面的不足，為不同核輻射環境下單兵劑量監測提供全面的技術支持，對提高我軍核輻射監管水平具有重要意義。但由于本系統NB-IoT 網絡由公共運營商提供，不適合數據嚴格保密的使用場景，下一步將改進設計，以滿足數據保密方面的需求。