马 川，颜拥军，刘霖霏
（1. 南华大学核科学技术学院，湖南 衡阳 421001；
2. 中国船舶集团有限公司第七一八研究所，河北 邯郸 056027）
我国核辐射监测仪器的智能化、自动化程 度不够高，所以在实时监测、有效管理，快速反应等方面还留有较大的进步空间。目前新研发的核辐射剂量仪有采用了GPRS（通用分组无线服务）通信方式，数据传输最大理论速率171.2 kbps，适用于少量的数据传输，传输距离远，组网简单，但是功耗较大，需要不定期对设备进行充电，并且容易受到基站覆盖范围的限制，存在通信死角，设备容易离线[1,2]。NB-IoT是物联网领域的一个新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，只消耗大约180 kHz 的带宽[3]，信号覆盖面积广，广泛应用于环境监测、自动抄表、输电线路检测、车联网、智慧农业等户外移动物联网应用场景[4,5]。NB-IoT 具有更强的连接能力，比传统的GPRS提高50～100 倍的设备接入量，数据传输数率为160～250 kbps。NB-IoT 支持PSM（Power Saving Mode，省电模式），功耗极低（10 年电池使用寿命），在相同条件下，正常传输的功耗约为GPRS 的一半[6]。
因此本设计采用 NB-IoT 通信方式，以STM32 单片机作为主控单元，前端放射源探测电路选用G-M 计数管作为核辐射探测器，选用BC20 物联网通讯模块，设计开发一种核辐射剂量仪器及监控系统，系统支持云平台端监控模式。经测试，该系统能实时显示辐射剂量值，温湿度值，地图位置，实验误差满足设定要求。
该系统装置主要由探测系统，主控系统，物联网系统和电源系统四部分组成。探测系统包括核辐射探测电路和温湿度模块，其中核辐射探测器选用 G-M 计数管，驱动电压为410 V；
主控系统选用STM32F103 系列的单片机，外接复位电路，晶振电路组成单片机最小系统；
物联网系统是由BC20 物联网芯片，SIM卡电路、串口电路、天线、复位电路组成[7]，由低压电路供电；
电源系统采用锂电池供电，外接稳压器和升压模块，分别输出+3.3 V 和+410 V 电压。该系统装置的整体设计方案如图1 所示。
在环境核辐射剂量监测下，当有γ射线粒子进入G-M 计数管内，就会产生一定幅值的脉冲电压，该脉冲电压经过脉冲成形电路整形后形成标准的脉冲信号送至STM32 单片机，使用单片机的外部中断功能用来检测脉冲信号的上升沿或者下降沿对脉冲信号进行精确计数，然后通过相应算法将核脉冲计数转换成核辐射剂量率信息[8]，STM32 单片机通过串口控制并接收BC20 模块的北斗定位数据，并将定位数据、核辐射剂量数据、温湿度数据打包，BC20 模块再将来自单片机的数据包采用LWM2M 通讯协议经NB-IoT 数据传输层发送到OneNet 云平台，OneNet 云平台实时在线显示该仪器的核辐射剂量值、温湿度值和所在位置。
2.1 主控芯片与物联网模组选择
主控芯片选择 STM32F103VET6 型号单片机，该单片机采用ARM Cortex TM-M3 内核架构，主运行频率高达72 MHz。有8 个计数器（4 个通用定时器，两个高级定时器，两个基本定时器），512 KFlash，64 kSRAM，采用LQFP 封装。
物联网通讯模组选用中移BC20 模块，BC20基于联发科芯片平台研发，支持B1/B3/B5/B8频段，提供丰富的外部接口和协议栈（UDP/TCP/CoAP/LWM2M/MQTT 等）。BC20 内置卫星定位芯片，支持北斗定位，BC20 模组内置LNA，使其接收灵敏度提升至-147 dBm。同时支持中国移动OneNet、中国电信IoT 云平台、华为OceanConnect 云平台[9]。BC20 支持低电压供电（2.1～3.63 V），适合NB-IoT 定位应用场景。
2.2 电源系统设计
电源电压系统包括锂电池、升压电路和稳压电路。锂电池输出5 V 直流电压；
升压电路负责给GM 计数管提供410 V 高压；
稳压电路负责给STM32 单片机、BC20 模块、温湿度模块提供3.3 V 电压。
G - M 计数管的驱动电压为410 V。采用5 V 锂离子电池作为供电电源，选用高压模块HVW5P，该模块输入电压为+5 V，可调电压范围0～480 V，可以满足G-M 计数管的驱动电压要求，通过调节引脚1、2 之间的电位器调节模块输出电压为+410 V。升压电路设计如图2 所示。STM32 单片机和BC20 模组需要的电压等级为3.3 V，锂电池通过低压差电压调节器产生符合条件的电压等级。NCP1117 是一种低压差电压调节器，通过两个外部电阻实现 1.25～13.8 V 的输出电压。NCP1117 提供电流限制和热保护，输出端和输出端各接10 μF，10 pF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。稳压电路设计如图3 所示。
2.3 G-M 计数管及其脉冲整形电路
G-M 计数管（盖革 - 弥勒计数管）是一种气体放电计数管，其具有输出信号大、功耗低、适应环境温度范围宽[10]、体积小、造价低等特点，适合应用在核辐射探测领域。G-M 计数管及其脉冲整形电路如图 4 所示。当有γ射线粒子进入G-M 计数管壁内时，计数管壁内会发生气体电离，电离后的粒子向两极移动的同时产生雪崩效应，会在阴极产生一个正脉冲电压信号。G-M 计数管的阳极电压为 +410 V，图4中的电阻R1 和电容C1 用来限制G-M 计数管的电流和滤除高频干扰。G-M 计数管的脉冲信号不能直接输入到单片机，要在 G-M 计数管的阴极和单片机之间接入脉冲整形电路，其中运算放大器 LM358DR 与阻容网络（RC）构成了一个比例 - 积分 - 微分运算放大器。通过比例运算放大 G-M 计数管的输出信号，使核脉冲信号幅度满足单片机的信号要求[11]，利用电阻 R3 和 R5 为运算放大器提供合理的直流偏置，消除饱和失真。通过非门SN74LVC1G04将前端运算电路的反相输出调整为正脉冲输出，形成理想的脉冲信号，输出到单片机中断输入引脚。
2.4 温湿度传感器选择
选用数字温湿度传感器DHT11，DHT11 是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有极高的可靠性和长期稳定性。DHT11 的供电电压3～5.5 V，数据输出方式：串行数据，单总线。电源引脚（VDD，GND）之间增加一个0.1 μF 的电容，用以去耦滤波。DHT11 接线如图5 所示。
3.1 平台设备接入
BC20 模组与OneNET 平台对接时，需依次达成模组侧流程与平台侧流程的对接配置工作：首先应该完成产品创建与设备注册，然后完成模组初始化及模组侧设备实体配置相关操作。在前端设备对接中移OneNET 云平台前，需要在OneNET 平台上进行开发产品创建与注册；
创建完成后，便定义好了该设备产品挂载的指定模组设备，每个模组设备唯一对应各个平台产品。
3.2 模组侧操作流程
为了实现BC20 通讯模组与中移OneNET云平台的成功对接，需进行模组侧设备相关的一系列操作，包括实体创建与资源订阅配置，完成实体创建和资源订阅后，BC20 模组便能够成功登录到OneNET 云平台。订阅 Object 组是为了对BC20 模组进行使用 LWM2M 协议的声明，在OneNET 云平台上预定义一个支持LWM2M 协议的设备实体；
订阅 Resource 资源是为了在OneNET 云平台的资源列表能够显示Resource 信息进行声明。OneNET 平台操作流程如图6 所示。
4.1 通讯协议选择
目前市面上大多数IoT 模组都支持TCP、UDP、CoAP、LWM2M、MQTT 等协议，本设计选择 OneNET 平台作为系统的开发平台，通过 LWM2M 协议进行辐射剂量仪与OneNET 平台之间的数据传输。LWM2M（Lightweight Machine-To-Machine，轻量级M2M）协议是由OMA（Open Mobile Alliance）提出并定义的基于CoAP 协议的物联网通信协议。LWM2M 协议在CoAP 协议的基础上定义了接口、对象等规范，使得物联网设备和物联网平台之间的通信更加简洁和规范，可用于快速部署客户端/服务器模式的物联网业务。
4.2 前端辐射剂量仪软件设计
根据系统平台设计要求，核辐射剂量检测仪与NB-IoT 移动OneNet 云平台通过LWM2M方通信方式进行通信，数据从单片机通过串口发送给BC20 模块，该模块再通过NB-IoT 基站以及核心网到达OneNet 云平台。总体工作过程为：上电系统进行初始化，主要包括单片机工作就绪、SD 卡挂载成功、串口配置、定时器装载。初始化完成以后单片机开始通过串口发送AT 指令控制BC20 模块连网，并回传北斗定位信息给单片机，同时单片机对脉冲信号计数（计数时间设为 5 s），然后单片机计算出计数率并乘以相应标定系数转换成标准辐射剂量率数据。单片机以软件设定的格式对北斗定位数据、辐射剂量率数据、温湿度数据进行数据打包，并通过串口发送给BC20 通信芯片，进而通过NB-IoT 网络发送至OneNet 云平台的监控终端。总体流程如图7所示，NB 模块与平台数据传输流程如图 8 所示，系统初始化流程如图9 所示。
5.1 系统测试
本文测试的辐射剂量仪电路板如图10 所示，OneNET 云平台自带应用界面编辑，辐射剂量数据最终在应用界面显示，本设计的应用主界面包含辐射剂量值显示仪表，温湿度显示仪表。点击仪表下方蓝色链接可分别进入辐射剂量数据记录线性表界面和温湿度记录线性表界面；
点击定位地图图标可进入仪器地图定位界面，应用主界面如图11 所示。
通过测试，应用主界面能够实时显示辐射剂量值和当前温湿度值。北斗定位地图能够精准定位仪器所在位置，如图12 所示。随着数据不断的发送到云平台，数据记录界面都依次记录了具体时间刻度传来的辐射剂量数据，温度数据和湿度数据，如图13 所示。通过测试所有数据的时间延迟不超过5 s。
5.2 辐射剂量仪的标定
G-M 计数管作为一种核辐射探测器，其脉冲计数率与核辐射照射量有一定的相关性[12]。由于测量的脉冲计数率并不是仪器所要读出的辐射剂量值，因此需要对该辐射剂量仪进行标定。核辐射剂量的标定主要采用标准源法和标准仪器法[13]。
为了标定该仪器，需要设计一个标准辐射场（放射性质和照射量分布已知）[14]，为获取标准辐射场的标准剂量值，本设计采用标准源法对仪器进行标定。在标定实验中，采用137Cs 标准放射源（放射性活度为1.85 × 105Bq，标定日期为20180401）。实验环境温度为27 ℃，相对湿度为28%RH，计数时间为5 s，照射量常数为0.33 Rm。分别在距离放射源2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm的位置处各测得的10 组数据取其平均值得到平均辐射剂量值，通过与标准剂量值对比，判断并分析误大小来不断改变软件标定系数直到满足误差要求，经过不断调整标定系数，最终测量结果如表1 所示。结果表明：实测剂量值的相对误差范围在-15%～15%，符合国家标准（不超过±20%），由图14 可以看出，实测剂量值满足与距离平方成反比关系，与标准剂量值基本一致。
表1 137Cs 放射源测量数据Table 1 137Cs radioactive source measurement data
基于目前NB-IoT 的技术优势，结合STM32单片机系统，研制了一种基于NB-IoT 核辐射剂量仪，完成了硬件端，软件系统端和平台设计端的三大基础架构，实现了OneNet 云平台端的核辐射剂量的远程动态监测，经过对标，所测辐射剂量值满足误差要求；
同时应用北斗定位技术对仪器进行实时跟踪，支持温湿度监测，便于对仪器进行故障诊断。相较于其他辐射剂量仪器，该仪器具备应用覆盖范围广，支持大规模连接，信号强，功耗低，寿命长等优势，解决了现有辐射剂量仪在该方面的不足。本设计可对进行核仪器与目前物联网平台相结合方向提供一定参考。