CN112051599A - 基于Time-To-Count方法与LoRa技术的无线区域γ剂量率监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于Time‑To‑Count方法与LoRa技术的无线区域γ剂量率监测仪，涉及辐射防护计数领域，包括微控制器、电源模块、高速高压脉冲电路、G‑M计数管、信号调理电路、报警电路与LoRa无线通信模块，所述微控制器、高速高压脉冲电路和信号调理电路与电源模块均电性连接，所述高速高压脉冲电路与G‑M计数管电性连接，所述G‑M计数管与信号调理电路电性连接。本发明利用Time‑To‑Count方法拓展了G‑M计数管的量程范围，延长了G‑M计数管的工作寿命，同时提供基于LoRa的信号无线传输方式，便于大范围组网监测，且通过Time‑To‑Count技术与LoRa技术的结合，既使得进行环境γ剂量率监测的成本和功耗降低，又增大了对环境γ剂量率的监测范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种辐射防护计数领域，具体是基于Time-To-Count方法与LoRa技术的无线区域γ剂量率监测仪。
背景技术
目前，γ剂量率监测仪的射线探测器主要分为四种类型，一种是闪烁探测器，一种是半导体探测器，一种是电离室，还有就是盖革-弥勒(G-M)计数管。其中G-M计数管是使用最早、最广泛的一种探测器。他的突出特点是制造简单、价格低廉，易于操作，输出脉冲幅度大，对电子学电路要求简单，但也存在致命的缺点：死时间长，线性范围较窄，不能用于高计数率场合，同时弱辐射场下统计涨落大，响应慢，因此探测下限与上限都不高。
DiJanni等人于1986年首次提出一种称为Time-To-Count的方法，可基本消除死时间对测量的影响，其基本原理是:为GM计数管提供2路高压VH和VL，VH为计数管正常工作电压，VL低于计数管起始电压；某一时刻TS为计数管加上高压VH，同时系统开始计时，计数管进入工作状态；经过一段时间后在TE时刻，有射线或粒子在计数管内产生雪崩电离并触发后续甄别电路，控制电路将高压切换至VL，计数管进入休眠状态，持续一段固定长度的时间(如1.5～2ms，此时间足以保证已产生的正离子在VL作用下向阴极管壁运动并被收集)后，控制电路将高压切换至VH，开始一次新的测量，周而复始。系统只要准确测量GM计数管的有效工作时间，即TS～TE的时间间隔，就可测量辐射场强度。因为理论推导可得，辐射场强度R与计数管单次工作时间成反比，即R＝K/T，T为计数管平均有效工作时间，K为与计数管有关的常数。Time-To-Count方法基本消除了GM计数管死时间的影响，不采用任何模型或函数修正即可极大地提高计数管测量上限，改善线性；由于计数管每工作一次后要休眠一段时间，平均工作电流很小，可大大延长计数管的计数寿命。但Time-To-Count方法要求GM计数管高压切换的上升和下降时间低至几百ns，时间间隔测量范围达6个数量级，精度达到10ns量级。因此设计高速高压脉冲电路是实现Time-To-Count技术的关键所在。
LoRa(LongRange)属于一种超远距离的基于扩频技术的无线传输方案，改变了以往关于远距离和低功耗的折衷考虑方式，采用LoRa技术能使系统满足远距离、低功耗、多节点和低成本等多种需求，进而能够扩展传感网络。LoRa目前主要运行在433MHz、868MHz和915MHz等全球免费频段，为γ剂量率监测这种低数据量的监测系统提供了极大的便利。国内有关基于LoRa技术的多用途环境监测γ谱仪系统的研究已见文献报道，但有关基于Time-To-Count原理与LoRa技术的无线区域γ剂量率监测仪的研究未见文献报道。
G-M计数管，又名盖革-弥勒计数器，是一种用来测定射线强度(单位时间的粒子数目)的气体探测器，使用非常广泛。它的突出特点是制造简单、价格低廉，易于操作，输出脉冲幅度大，对电子学电路要求简单，但也存在致命的缺点：死时间长，线性范围较窄，不能用于高计数率场合，同时弱辐射场下统计涨落大，响应慢，因此探测下限与上限都不高。DiJanni等人于1986年首次提出一种称为Time-To-Count的方法，这种方法基本消除了G-M计数管死时间的影响，不采用任何模型或函数修正即可极大地提高计数管测量上限，改善线性；由于计数管每工作一次后要休眠一段时间，平均工作电流很小，可大大延长计数管的计数寿命。但Time-To-Count方法要求G-M计数管高压切换的上升和下降时间低至几百ns，时间间隔测量范围达6个数量级，精度达到10ns量级，因此设计高速高压脉冲电路是实现Time-To-Count技术的关键所在。国内有几家单位层开展过相关研究，但指标与国外相比还有较大差距，LoRa(Long Range)属于一种超远距离的基于扩频技术的无线传输方案，改变了以往关于远距离和低功耗的折衷考虑方式，采用LoRa技术能使系统满足远距离、低功耗、多节点和低成本等多种需求，进而能够扩展传感网络，LoRa目前主要运行在433MHz、868MHz和915MHz等全球免费频段，为γ剂量率监测这种低数据量的监测系统提供了极大的便利。
但是，虽然国内有关基于LoRa技术的多用途环境监测γ谱仪系统的研究已见文献报道，但有关基于Time-To-Count原理与LoRa技术的无线区域γ剂量率监测仪的研究未出现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Time-To-Count方法与LoRa技术的无线区域γ剂量率监测仪，是一款低成本、宽量程、长寿命的区域γ剂量率监测仪。监测仪既可以独立工作，也可以利用远距离无线通信(LoRa)技术进行大范围组网监测，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于Time-To-Count方法与LoRa技术的无线区域γ剂量率监测仪，包括微控制器、电源模块、高速高压脉冲电路、G-M计数管、信号调理电路、报警电路与LoRa无线通信模块，所述微控制器、高速高压脉冲电路和信号调理电路与电源模块均电性连接。
作为本发明进一步的方案：所述高速高压脉冲电路与G-M计数管电性连接，所述G-M计数管与信号调理电路电性连接，所述信号调理电路与微控制器电性连接，所述报警电路和LoRa无线通信模块与微控制器均电性连接。
作为本发明再进一步的方案：所述电源模块包括有220V的交流电源和12V的直流电源。
作为本发明再进一步的方案：所述高速高压脉冲电路在分压电阻两端并联一个电容。
作为本发明再进一步的方案：所述G-M计数管的输入端施加有200V的交流电。
本发明主要包括七个模块，分别是微控制器、电源、高速高压脉冲电路、G-M计数管、信号调理电路、报警电路与LoRa无线通信模块。重难点有两部分，一是Time-To-Count方法的电路设计与程序实现；二是LoRa无线通信模块的设计与实现。
微控制器采用STM32单片机，其丰富的外设与强大的嵌入式开发功能非常适合此类仪器。高速高压电路通过在分压电阻两端并联一个电容的方式，加快了三极管工作速度，从而提高了高压脉冲的速度。另外，还可将现有G-M管加400v电压的方式改为加正负高压(±200v)的方式，进一步提升其工作速度。STM32单片机实现对数据的处理，将获得的时间间隔数据转化为剂量率，其中的K(与计数管有关的常数)需要在计量站进行刻度实验时确定。
LoRa无线通信模块基于SX1268芯片实现。STM32单片机丰富的外设与可编译性便于远程配置与自组网功能的实现，可远程对收发模块参数进行设置，便于安装调试和维护。SX1268芯片较上代芯片性能有较大提升，有效信号传输距离可达10km，信号传输速度最高可达62.5kps。通信参数可由用户自行设置。STM32单片机还实现对工作模式的控制，当仪器工作报警阈值以下时，保持低频通讯与低速测量模式，仪器低功耗运行。当数据高于阈值时，将自动切换运行模式，触发报警电路，同时加快测量速度，缩短数据发送间隔。
本发明属于辐射防护领域，可用于放射性场所，如核电站、放射性计量站、源室等地点,连续在线监测环境γ剂量率，既可独立使用，也可无线组网进行区域监测。本发明主要包括七个模块，分别是微控制器、电源、高速高压脉冲电路、G-M计数管、信号调理电路、报警电路与LoRa无线通信模块。重难点有两部分，一是Time-To-Count方法的电路设计与程序实现；二是LoRa无线通信模块的设计与实现。与市面上大部分区域γ剂量率监测仪相比，本发明具有低功耗、低成本，可大范围灵活自组网监测的巨大优势。
本发明是一种应用于核电站、放射性计量站、源室等放射性场所的基于Time-To-Count方法与LoRa技术的无线区域γ剂量率监测仪，主要包括七个模块，分别是微控制器、电源、高速高压脉冲电路、G-M计数管、信号调理电路、报警电路与LoRa无线通信模块。重难点有两部分，一是Time-To-Count方法的电路设计与程序实现；二是LoRa无线通信模块的设计与实现。其中高速高压电路通过在分压电阻两端并联一个电容的方式，加快了三极管工作速度，从而提高了高压脉冲的速度。STM32单片机实现对数据的处理，将获得的时间间隔数据转化为剂量率，其中的K(与计数管有关的常数)需要在计量站进行刻度实验时确定。LoRa无线通信模块基于SX1268芯片组成。STM32单片机丰富的外设与可编译性便于远程配置与自组网功能的实现，可远程对收发模块参数进行设置，便于安装调试和维护。SX1268芯片较上代芯片性能有较大提升，有效信号传输距离可达10km，信号传输速度最高可达62.5kps。通信参数可由用户自行设置。监测仪可以根据测量情况自主切换高频与低频工作模式，降低了仪器的平均运行功耗。
本发明基于Time-To-Count方法实现剂量率测量，基于单片机实现高速高压脉冲电路与工作模式控制，基于LoRa技术进行无线通信与自组网。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用Time-To-Count方法拓展了G-M计数管的量程范围(100nGy/h)，延长了G-M计数管的工作寿命，同时提供基于LoRa的信号无线传输方式，便于大范围组网监测，且通过Time-To-Count技术与LoRa技术的结合，既使得进行环境γ剂量率监测的成本和功耗降低，又增大了对环境γ剂量率的监测范围。本发明使用GM计数管作为探测元件，利用LoRa技术进行组网与数据传输，成本低、功耗低，同时具备自组网与远程配置功能，只需提供电源，便能自行组网监测，具有极大的便利性。
本发明实施十分简单，当独自工作时，只需在监测地点提供动力装置(220V交流电或12V直流电)即可工作。在线组网监测时，只需使用一台电脑作为测控主机，运行配套的测控软件，用以实时收集并显示各测点数据，测点位置需提供电源。本发明基于LoRa技术进行无线通信，空旷环境下通信距离可达10km，市区环境下建议布点间隔在3km以内。
附图说明
图1为基于Time-To-Count方法与LoRa技术的无线区域γ剂量率监测仪的结构组成框图。
图2为基于Time-To-Count方法与LoRa技术的无线区域γ剂量率监测仪中的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～2，本发明实施例中，一种基于Time-To-Count方法与LoRa技术的无线区域γ剂量率监测仪，包括微控制器、电源模块、高速高压脉冲电路、G-M计数管、信号调理电路、报警电路与LoRa无线通信模块，微控制器、高速高压脉冲电路和信号调理电路与电源模块均电性连接，高速高压脉冲电路与G-M计数管电性连接，G-M计数管与信号调理电路电性连接，信号调理电路与微控制器电性连接，报警电路和LoRa无线通信模块与微控制器均电性连接，电源模块包括有220V的交流电源和12V的直流电源。
微控制器采用STM32单片机，其丰富的外设与强大的嵌入式开发功能非常适合此类仪器，STM32单片机实现对数据的处理，将获得的时间间隔数据转化为剂量率，其中的K(与计数管有关的常数)需要在计量站进行刻度实验时确定，STM32单片机丰富的外设与可编译性便于远程配置与自组网功能的实现，可远程对收发模块参数进行设置，便于安装调试和维护，STM32单片机还实现对工作模式的控制，当仪器工作报警阈值以下时，保持低频通讯与低速测量模式；仪器低功耗运行当数据高于阈值时，将自动切换运行模式，触发报警电路，同时加快测量速度，缩短数据发送间隔，高速高压脉冲电路在分压电阻两端并联一个电容，加快了三极管工作速度，从而提高了高压脉冲的速度，G-M计数管的输入端施加有200V的交流电，将现有G-M计数管加400v电压的方式改为加正负高压(±200v)的方式，进一步提升其工作速度，LoRa无线通信模块基于SX1268芯片实现，SX1268芯片较上代芯片性能有较大提升，有效信号传输距离可达10km，信号传输速度最高可达62.5kps，通信参数可由用户自行设置。
本发明主要包括七个模块，分别是微控制器、电源、高速高压脉冲电路、G-M计数管、信号调理电路、报警电路与LoRa无线通信模块。重难点有两部分，一是Time-To-Count方法的电路设计与程序实现；二是LoRa无线通信模块的设计与实现。
微控制器采用STM32单片机，其丰富的外设与强大的嵌入式开发功能非常适合此类仪器。高速高压电路通过在分压电阻两端并联一个电容的方式，加快了三极管工作速度，从而提高了高压脉冲的速度。另外，还可将现有G-M管加400v电压的方式改为加正负高压(±200v)的方式，进一步提升其工作速度。STM32单片机实现对数据的处理，将获得的时间间隔数据转化为剂量率，其中的K(与计数管有关的常数)需要在计量站进行刻度实验时确定。LoRa无线通信模块基于SX1268芯片实现。STM32单片机丰富的外设与可编译性便于远程配置与自组网功能的实现，可远程对收发模块参数进行设置，便于安装调试和维护。SX1268芯片较上代芯片性能有较大提升，有效信号传输距离可达10km，信号传输速度最高可达62.5kps。通信参数可由用户自行设置。STM32单片机还实现对工作模式的控制，当仪器工作报警阈值以下时，保持低频通讯与低速测量模式，仪器低功耗运行。当数据高于阈值时，将自动切换运行模式，触发报警电路，同时加快测量速度，缩短数据发送间隔。
本发明的工作原理是：在使用过程中，只需在监测地点提供220V交流电和12V直流电即可工作，在线组网监测时，需使用一台电脑作为测控主机，运行与之配套的测控软件，用以实时收集并显示各测点数据，基于LoRa技术进行无线通信，空旷环境下通信距离可达10km，市区环境下建议布点间隔在3km以内。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于Time-To-Count方法与LoRa技术的无线区域γ剂量率监测仪，包括微控制器、电源模块、高速高压脉冲电路、G-M计数管、信号调理电路、报警电路与LoRa无线通信模块，其特征在于：所述微控制器、高速高压脉冲电路和信号调理电路与电源模块均电性连接。
2.根据权利要求1所述的基于Time-To-Count方法与LoRa技术的无线区域γ剂量率监测仪，其特征在于：所述高速高压脉冲电路与G-M计数管电性连接，所述G-M计数管与信号调理电路电性连接，所述信号调理电路与微控制器电性连接，所述报警电路和LoRa无线通信模块与微控制器均电性连接。
3.根据权利要求1所述的基于Time-To-Count方法与LoRa技术的无线区域γ剂量率监测仪，其特征在于：所述电源模块包括有220V的交流电源和12V的直流电源。
4.根据权利要求1所述的基于Time-To-Count方法与LoRa技术的无线区域γ剂量率监测仪，其特征在于：所述高速高压脉冲电路在分压电阻两端并联一个电容。
5.根据权利要求1所述的基于Time-To-Count方法与LoRa技术的无线区域γ剂量率监测仪，其特征在于：所述G-M计数管的输入端施加有200V的交流电。
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