Zigbee技术在核辐射环境监测中的应用

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1、Zigbee技术在核辐射环境监测中的应用[导读]摘要：针对某些区域特殊环境核辐射的监测需要，提出了一种基于ZigBee无线传感监测系统的设计方案。以TI公司的CC2530芯片为核心，CC2591芯片及PC上位机构建系统网络的硬件平台。该系统不仅能够监测γ辐射剂量，而摘要：针对某些区域特殊环境核辐射的监测需要，提出了一种基于ZigBee无线传感监测系统的设计方案。以TI公司的CC2530芯片为核心，CC2591芯片及PC上位机构建系统网络的硬件平台。该系统不仅能够监测γ辐射剂量，而且还可以监测温湿度、雨量等大气参数，并实现数据的

2、采集、处理、传输、显示以及超限报警。0引言由于核辐射恐怖事件及核辐射事故具有突发性，对国家政治、经济和社会安全有巨大危害，容易造成社会动荡，其次核电是清洁安全的能源，虽然重大事故的发生概率很低，但必须做好充分的核事故应急准备。我国现在大部分的核辐射监测系统都是有线传感网络，本研究提出的ZigBee技术在核辐射监测方面的应用，很好地解决了有线传输的信号迟滞、信号失真、信号精确度低的缺点。同时能够监测的区域温湿度、雨量等大气参数，可作为对γ辐射剂量进行综合分析与判断的参考参数。1系统的原理和框架1.1基本原理ZigBee技术是一种新型的、基于

3、IEEE802.15.4标准的短距离无线通信技术。其优点是组网灵活、结构简单、功耗小、成本低。基于ZigBee技术构建的无线传感网络拓扑结构有三种，分别是星型网络结构、树状形网络结构和网状网络结构，如图1所示。其中全功能设备代表协调器或传感器节点，它可以和任何其他的设备通讯;而半功能设备只能是传感器节点。图中所示星型网络结构由一个协调器和数个终端节点构成，适用于一定范围的环境监测应用;树状网络结构是由一个协调器和若干个星型网络组成，适用于数据量小但规模较大的监测场合;网状结构中各个设备之间是对等通信，每个节点都可以与在通信范围内的其它节点

4、进行互相通信。由于本监测系统的节点较多，规模较大，考虑到网状网络结构中各节点的数据传输可以选择有多个路径，可靠性高。当某一路径出现问题时，可通过其他路径继续传输测量数据，对避免数据的丢失或遗漏有很好的保障，因此，本设计的传感网络结构选择网状网络结构，具体结构如图1所示。1.2系统整体设计结构图核辐射监测系统由上位机、协调器、路由节点网络以及传感器终端节点组成，其中路由器节点网络由多个路由器相互通信而成。系统结构框图如图2所示。系统终端节点的各种传感器分别采集γ辐射剂量及各种大气数据，然后将数据传送给路由器，经过路由器节点之间的互相通讯以及

5、数据处理，将数据通过协调器传至上位机，上位机对测得的各个数据进行综合的分析处理，得出的数据如超过设定的γ辐射剂量则会发出报警信号。同时上位机能够管理和显示数据，方便用户进行实施监控与查询。2系统硬件设计2.1系统的芯片选择及总体硬件设计目前针对ZigBee技术标准的芯片种类较多，比较常用的有TI公司的CC2430、CC2530、CC1110和飞思卡尔公司的MCI3192/3芯片等。基于传输频率、功耗以及系统稳定性的考虑，本系统采用TI公司推出的CC2530作为核心，CC2591为前端传输。CC2530芯片是集IEEE802.15.4、Zi

6、gBee和RF4CE于一体的系统解决方案，工作频段在2.4GHz。其包含了RF收发器、增强型的8051CPU、拥有8k数据存储器和1256kFlash的大容量程序存储器等，所需电压的范围在2.0～3.6V之间，只需两节五号电池就可以满足供电要求。CC2591也是TI公司推出的工作频段在2.4GHz，面向低电压与低功耗、集成度很高的前端芯片。CC2591的内部集成功率放大器(PA)的增益为22dB，最大发射功率为+22dBin(输入+5dBm)，4.8dB的噪声系数，接收灵敏度改善6dB，接收部分内部集成的LNA分接收增益在1～11dBm之

7、间。系统下位机硬件结构图如图3所示。主要由多个带有CC2591的传感器节点连接路由器，再由路由器连接主协调器而构成。2.2系统的终端节点硬件设计及传感器的选取系统的终端节点硬件设计以核心芯片2530结合外围模块)如A/D基准电压、存储器、调试接口及传感器等，加上必需的射频前端芯片CC2591以及电源模块构成。系统的终端节点硬件设计图如图4所示。系统选用GM计数管作为γ辐射探测器的探头。GM管的输出信号大、功耗低、能够适应环境的温湿度范围宽和使用耐久性强等特点，符合监测需求;大气传感器包括：温、湿度的测量元件选用数字型插针式的DHT11温湿

8、度传感器，该传感器具有抗干扰性强、精度高、反应快，可根据单片机的不同指令，来选择测量温度和湿度;风速、风向测量元件选用ZP—WVD型风速风向传感器，同时测量风速与风向，该传感器功耗低、抗干扰能