智能網絡核輻射監測感知節點及其控制方法

專利名稱：智能網絡核輻射監測感知節點及其控制方法
技術領域：
本發明屬于應用于核輻射監測的智能化終端設備及其控制方法，特別是一種智能 網絡核輻射監測感知節點及其控制方法。
背景技術：
以半導體材料為探測介質的輻射探測器。最通用的半導體材料是鍺和硅，其基本 原理與氣體電離室相類似，故又稱固體電離室。半導體探測器的前身可以認為是晶體計數器。早在1926年就有人發現某些固體 電介質在核輻射下產生電導現象。后來，相繼出現了氯化銀、金剛石等晶體計數器。但是， 由于無法克服晶體的極化效應問題，迄今為止只有金剛石探測器可以達到實用水平。半導 體探測器發現較晚，1949年開始有人用α粒子照射鍺半導體點接觸型二極管時發現有電 脈沖輸出。到1958年才出現第一個金硅面壘型探測器。直至60年代初，鋰漂移型探測器 研制成功后，半導體探測器才得到迅速的發展和廣泛應用。半導體探測器也有兩個電極，并加有一定的偏壓。當入射粒子進入半導體探測器 的靈敏區時，即產生電子_空穴對。然后，電子與空穴在電場作用下分別向兩極運動，并被 電極收集而給出電脈沖。但在半導體探測器中，入射粒子產生一個電子-空穴對所需消耗 的平均能量為氣體電離室產生一個離子對所需消耗的十分之一左右。這就是半導體探測器 具有很高能量分辨率的主要原因。半導體探測器的靈敏區應是接近理想的半導體材料，而 實際上一般的半導體材料都有較高的雜質濃度。因此，為了做出合乎要求的探測器，就必須 對雜質進行補償或提高半導體單晶的純度。通常使用的半導體探測器主要有結型、面壘型、 鋰漂移型和高純鍺、硅等幾種類型。用半導體材料制成的將射線能量轉換成電信號的核輻射探測器。又稱半導體計數 器。實質上是一個半導體材料高摻雜的較大體積的晶體二極管。入射粒子進入半導體探測 器后，產生空穴-電子對，這些空穴-電子對被探測器兩電極的電場分開，并分別被陰極和 陽極收集，產生同射線粒子交出的能量成正比的輸出脈沖信號，從而可探測射線的強度。由 于產生一個空穴_電子對所需的能量約3電子伏特(eV)，半導體探測器的能量分辨率比閃 爍計數器和氣體電離探測器的要高得多。現有的核輻射探測器及其技術主要存在以下缺 陷1)無法實現大面積廣域范圍的監測。2)無法實現多個探測器的協同探測。3)現有的探 測器不具備通過感知周圍環境而根據自身的需要進行探測。4)現有的輻射探測器即使具有 無線通信功能，也是使用現有標準技術，例如GPRS或者射頻技術，這些標準技術性價比低， 可靠性低和安全性也不高。

發明內容
本發明的目的在于提供一種便攜靈活高效的智能網絡核輻射監測感知節點及其 控制方法。實現本發明目的的技術解決方案為一種智能網絡核輻射監測感知節點，包括通信模塊、微控模塊MCU，還包括溫度傳感器、GPS和輻射模塊；微控模塊的第一端口與輻射 監測模塊的傳輸端口相連接，將控制信號傳送給輻射模塊，同時接收輻射模塊監測到的輻 射值并將處理后的信號通過微控模塊第二端口傳輸給通信模塊，之后通信模塊將數據發送 到傳感器網絡；微控模塊的第三端口與溫度傳感器模塊的傳輸端口相連接，將控制信號傳 送給溫度傳感器模塊，同時接收溫度傳感器模塊監測到的輻射值并將處理后的信號通過第 二端口傳輸給通信模塊，之后通信模塊將數據發送到傳感器網絡；微控模塊的第四端口與 GPS模塊的傳輸端口相連接，將控制信號傳送給GPS模塊，同時接收GPS模塊監測到的輻射 值并將處理后的信號通過第二端口傳輸給通信模塊，之后通信模塊將數據發送到傳感器網本發明的智能網絡核輻射監測感知節點的控制方法，包括以下步驟1)對輻射測量儀節點進行初始化；2)各節點通過通信模塊進行組網，形成傳感器網絡；3)微控模塊等待上位機傳送命令，接收到上位機發送的控制命令信息后，執行步 驟4，否則繼續等待；4)微控模塊對接收的命令進行處理，并向gps模塊、溫度傳感器模塊和輻射模塊 發送檢測命令和讀取命令；5)微控模塊等待模塊返回值，如果接收到返回值，執行步驟6)；在特定時間內沒 有接收到則重新發送命令；6)對指定模塊返回的數據進行打包處理，并將打包后的數據發送到傳感器網絡； 之后返回到步驟3，繼續等待上位機發送命令。本發明與現有技術相比，其顯著優點為1)通過多個探測器之間的相互通信組 網，實現大面積廣域范圍的監測。2)通過自身攜帶的組網模塊，實現多個探測器的協同探 測。3)通過自身攜帶的并具有定位功能的GPS模塊，判斷自身溫度等傳感器模塊，克服現有 的無線傳感器網絡節點不具備通過感知周圍環境，不能根據自身的需要而探測的缺陷，能 夠自主探測。4)通過運行自主設計的網絡協議棧，克服現有標準技術的安全隱患。


圖1是本發明的智能網絡核輻射監測感知節點原理圖。圖2是本發明的智能網絡核輻射監測感知節點控制方法流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。結合圖1，本發明的一種智能網絡核輻射監測感知節點，包括通信模塊、微控模塊， 還包括溫度傳感器、GPS和輻射模塊；微控模塊的第一端口 2與輻射監測模塊的傳輸端口 1 相連接，將控制信號傳送給輻射模塊，同時接收輻射模塊監測到的輻射值并將處理后的信 號通過微控模塊第二端口 4傳輸給通信模塊，之后通信模塊將數據發送到傳感器網絡；微 控模塊的第三端口 5與溫度傳感器模塊的傳輸端口 6相連接，將控制信號傳送給溫度傳感 器模塊，同時接收溫度傳感器模塊監測到的輻射值并將處理后的信號通過第二端口 4傳輸 給通信模塊，之后通信模塊將數據發送到傳感器網絡；微控模塊的第四端口 7與GPS模塊的傳輸端口 8相連接，將控制信號傳送給GPS模塊，同時接收GPS模塊監測到的輻射值并將處 理后的信號通過第二端口 4傳輸給通信模塊，之后通信模塊將數據發送到傳感器網絡。上述GPS模塊采用FastraX公司的iTrax02GPS。上述溫度傳感器采用LPlanar公 司的TPT300。上述輻射模塊采用德勝科技有限公司fj3200核素探測儀。本發明利用半導 體探測元件，實時感知Y射線輻射檢測功能，可以處理實時檢測信息，進行GPS定位，通過 SPI數據輸出接口與通信模塊傳輸數據智能網絡核輻射監測感知節點。考慮到便攜式終端對功耗、性能和尺寸大小的要求，上位機采用ARM9RISC CPU三 星S3C2440A作為主控芯片。三星S3C2440A CPU具有400MHz的主頻。板上有一個SPI數 據輸出接口、程序燒入接口。軟件方面采用嵌入式Windows CE作為系統的基本平臺，支持 嵌入式.NET、MFC、SQL。溫度傳感器模塊使用便攜式小型溫度傳感器，從主板上供以3. 3V 5V的直流電， 采樣后的數據經過轉換后最終數據可為核輻射探測儀的數據處理模塊使用。GPS模塊采用FastraX公司的iTraX02GPS接收模塊，它集成了所有的信號線和電 源，是目前世界上體積最小，功耗最低的GPS OEM板，休眠是功耗僅為80uW，具有極快的信 號獲取引擎。采用芯片式嵌入設計，可直接集成在PCB板上，最大限度的節省了空間。通信模塊使用的是串行外圍設備接口 SPI (Serial Peripheral Interface)通信 技術。接口采用同步串行3 4線方式進行通信，即1條時鐘線SCK、1條數據輸入線M0SI、 1條數據輸出線MIS0，另外還有1條從選線NSS (可選)，用于CPU與各種外圍器件進行全雙 工、同步串行通信。數據處理模塊可以對核輻射的特征信息進行綜合在機器智能學習的基礎上根據 預制的算法作出模擬決策。模擬決策在跟實際情況對比之后，系統又會進一步的學習，循序 漸進地達到一個理想的精度。而在終端，由于運算速度、存儲能力較之服務器有很大差距， 所以在終端的軟件功能設計為一個蓋模塊的子集。溫度傳感器、GPS、輻射監測模塊與嵌入式芯片之間接口為串口，通信模塊與嵌入 式芯片通過總線連接。具體實現如下溫度傳感器模塊用于測量環境溫度，把當前環境溫度物理量，通過溫度敏感元件 和相應電路轉換成方便計算機、pic、智能儀表等數據采集設備直接讀取的數字量，并把數 字反饋到測量儀，進行處理應用。GPS定位模塊測定輻射測量儀所處位置的經緯度，用來確定測量儀的精確位置。 該模塊的測量數據輸入到嵌入式芯片，并通過嵌入式芯片控制該模塊工作狀態。輻射檢測模塊測定環境Y射線強度，通過返回的強度值判斷核輻射的強度，該 模塊的測量數據輸入到嵌入式芯片，并通過嵌入式芯片控制該模塊工作狀態。通信模塊把要發送的數據(溫度傳感器模塊、GPS模塊和輻射監測模塊監測值) 通過自主設計的網絡協議發送出去，并利用該網絡協議接收來自其他傳感器網絡節點發送 的數據。數據處理模塊用于控制以上各模塊，發送檢測、讀取命令，并對各模塊返回的數 據進行處理，與每個模塊通過多種串口相連。數據處理模塊可以對核輻射的特征信息進行綜合在機器智能學習的基礎上根據 預制的算法作出模擬決策。模擬決策在跟實際情況對比之后，系統又會進一步的學習，循序漸進地達到一個理想的精度。而在終端，由于運算速度、存儲能力較之服務器有很大差距， 所以在終端的軟件功能設計為一個蓋模塊的子集。結合圖2，本發明的一種智能網絡核輻射監測感知節點的控制方法，包括以下步 驟1)對輻射測量儀節點進行初始化；2)各節點通過通信模塊進行組網，形成傳感器網絡；3)微控模塊等待上位機傳送命令，接收到上位機發送的控制命令信息后，執行步 驟4)，否則繼續等待；4)微控模塊對接收的命令進行處理，并向gps模塊、溫度傳感器模塊和輻射模塊 發送檢測命令和讀取命令；5)微控模塊等待模塊返回值，如果接收到返回值，執行步驟6)；在特定時間內沒 有接收到則重新發送命令；6)對指定模塊返回的數據進行打包處理，并將打包后的數據發送到傳感器網絡； 之后返回到步驟3，繼續等待上位機發送命令。上述步驟2)中各節點通過通信模塊進行組網時采用加入洪泛算法的Zigbee協 議。保證了每個節點都能接收到主控機發送的命令，確保了無盲點存在，可以更好的適合微 型傳感器網絡，在微型傳感器系統中可以很好的正常工作，提高了網絡性能。上述步驟6)對打包后的數據發送到傳感器網絡時采用多信道功率控制MAC協議。 具體為采用自主設計多信道功率控制MAC協議(MPC-MAC)，進行了多信道的競爭傳輸，實現 了信道的合理分配，解決了信道沖突問題，解決了 PC-MAC協議與CSMA協議存在暴露終端和 隱藏終端方面的問題，并且能夠在不影響網絡的情況下調整發射功率，節省了網絡能量。首先將信道分為一個控制信道和N個數據信道，即1+N模式。其中RTS、CTS和RES 在控制信道上發送；DATA和ACK則在數據信道上發送。協議中每個節點均保存有周圍節點 使用信道情況的一個列表。如果有節點(設為A)欲向另一節點(設為B)發送數據，節點A 先偵測控制信道是否空閑。如果信道空閑就將自身的空閑數據信道列表加入RTS，然后向節 點B發出RTS請求。B接收到RTS后，根據接收到的功率大小，計算出A與B通信所需的最 小功率P。節點B還根據自身的空閑數據信道列表和RTS的空閑信道列表選取一個A與B 共有的空閑信道，作為A、B之間通信的數據信道，并將此信道和所需最小功率值P放入CTS 再發送給A。A在接收到B的CTS后，用RES將所占用的數據信道和所使用的最小功率向周 圍進行廣播；然后A與B在規定的數據信道上進行通信。完成數據收發后，B在該數據信道 上回應一個ACK給A。本協議將功率控制與多信道協議相結合，通過信道的復用增加了能同 時進行數據收發的節點的對數，相應地提高了網絡容量。然而該協議在選取數據信道上是 采用第一個空閑的A與B共有的信道。經過多次試驗證明，本發明智能網絡核輻射監測感知節點可在-10 70°C的環境 下，溫度檢測精度控制在士 l°c內，能準確監測到Y線輻射強度為0. lmSv/h-lSv/h的輻射 值，并將實驗結果與高精度GPS測量儀定位數據進行對照，發現本發明中GPS模塊定位精度 在IOm以內。以上指標均達到了預期的要求。
權利要求
一種智能網絡核輻射監測感知節點，包括通信模塊、微控模塊，其特征在于，還包括溫度傳感器、GPS和輻射模塊；微控模塊的第一端口[2]與輻射監測模塊的傳輸端口[1]相連接，將控制信號傳送給輻射模塊，同時接收輻射模塊監測到的輻射值并將處理后的信號通過微控模塊第二端口[4]傳輸給通信模塊，之后通信模塊將數據發送到傳感器網絡；微控模塊的第三端口[5]與溫度傳感器模塊的傳輸端口[6]相連接，將控制信號傳送給溫度傳感器模塊，同時接收溫度傳感器模塊監測到的輻射值并將處理后的信號通過第二端口[4]傳輸給通信模塊，之后通信模塊將數據發送到傳感器網絡；微控模塊的第四端口[7]與GPS模塊的傳輸端口[8]相連接，將控制信號傳送給GPS模塊，同時接收GPS模塊監測到的輻射值并將處理后的信號通過第二端口[4]傳輸給通信模塊，之后通信模塊將數據發送到傳感器網絡。
2.根據權利要求1所述的智能網絡核輻射監測感知節點，其特征在于，GPS模塊采用 FastraX 公司的 iTrax02GPS。
3 根據權利要求1所述的智能網絡核輻射監測感知節點，其特征在于，溫度傳感器采 用 HLPlanar 公司的 TPT300。
4.根據權利要求1所述的智能網絡核輻射監測感知節點，其特征在于，輻射模塊采用 德勝科技有限公司幻3200核素探測儀。
5.一種基于權利要求1所述的智能網絡核輻射監測感知節點的控制方法，其特征在 于，包括以下步驟1)對輻射測量儀節點進行初始化；2)各節點通過通信模塊進行組網，形成傳感器網絡；3)微控模塊等待上位機傳送命令，接收到上位機發送的控制命令信息后，執行步驟4， 否則繼續等待；4)微控模塊對接收的命令進行處理，并向gps模塊、溫度傳感器模塊和輻射模塊發送 檢測命令和讀取命令；5)微控模塊等待模塊返回值，如果接收到返回值，執行步驟6)；在特定時間內沒有接 收到則重新發送命令；6)對指定模塊返回的數據進行打包處理，并將打包后的數據發送到傳感器網絡；之后 返回到步驟3，繼續等待上位機發送命令。
6.根據權利要求5所述的智能網絡核輻射監測感知節點的控制方法，其特征在于，步 驟2)中各節點通過通信模塊進行組網時采用加入洪泛算法的Zigbee協議。
7.根據權利要求5所述的智能網絡核輻射監測感知節點的控制方法，其特征在于，步 驟6)對打包后的數據發送到傳感器網絡時采用多信道功率控制MAC協議。
全文摘要
本發明公開了一種智能網絡核輻射監測感知節點及其控制方法，節點包括通信模塊、微控模塊、溫度傳感器、GPS和輻射模塊；微控模塊的第一端口與輻射監測模塊的傳輸端口相連接，將控制信號傳送給輻射模塊，同時接收監測到的輻射值并將處理后的信號通過微控模塊第二端口傳輸給通信模塊，之后通信模塊將數據發送到傳感器網絡；微控模塊的第三端口與溫度傳感器模塊的傳輸端口相連接；微控模塊的第四端口與GPS模塊的傳輸端口相連接，將控制信號傳送給GPS模塊，同時接收GPS模塊監測到的輻射值并將處理后的信號通過第二端口傳輸給通信模塊，之后通信模塊將數據發送到傳感器網絡。通過多個探測器之間的相互通信組網，實現大面積廣域范圍的監測。
文檔編號G01T1/00GK101923172SQ20091003305
公開日2010年12月22日 申請日期2009年6月11日 優先權日2009年6月11日
發明者周春芝, 朱紅英, 楊余旺, 楊勁松, 楊團偉, 樊燕蓉, 王磊, 紀淑標, 趙瑋, 邵建輝, 鄭亞, 鞠玉濤 申請人:南京理工大學;中國人民解放軍防化研究院第二研究所