CN114024593B - 一种核辐射监测系统的工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核辐射监测领域，提供一种基于北斗短报文和Zigbee通信技术的核辐射监测系统的工作方法，该监测系统包括探测设备、监测节点和远程监控中心；所述监测节点与探测设备之间通过串口链路进行通信，所述监测节点与监测节点之间通过Zigbee通信链路进行通信，所述监测节点与远程控制中心之间使用北斗短报文通信链路进行通信。本发明方法通过无线传输辐射监测数据，具有较强的可扩展性；在监测节点北斗短报文通信链路异常时，通过其它节点传送监测数据，提高了辐射监测系统的可靠性。

Description

一种核辐射监测系统的工作方法

技术领域

本发明涉及核辐射监测领域，具体涉及一种基于北斗短报文和Zigbee通信技术的核辐射监测系统的工作方法。

背景技术

人类生存的环境中存在核辐射，包括自然界中天然核素的辐射和人类活动产生并释放入环境中的放射性核素的辐射，过量的射线照射对人类健康及生态环境安全造成严重的威胁。核辐射监测系统对监测区域内辐射剂量进行监测，分析和评估监测区域辐射水平，为掌握环境放射性污染状态、事故应对及公众预警提供数据支撑和技术支持。目前，辐射监测系统普遍使用有线网络、3G/4G无线网络进行数据传输，但无法对偏远地区进行有效监测；通过增加北斗卫星通信链路一定程度上可以解决上述问题，但北斗信号易受高楼、树木遮挡、北斗模块故障等问题依然会影响辐射监测数据的获取。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于北斗短报文和Zigbee通信技术的核辐射监测系统的工作方法，具有较强的可扩展性，提高了辐射监测系统的可靠性。

本发明的目的是通过以下技术措施实现的。

一种基于北斗短报文和Zigbee通信技术的核辐射监测系统，包括探测设备、监测节点和远程监控中心；所述探测设备包括γ射线监测仪、α射线监测仪、β射线监测仪；所述监测节点包括数据采集模块、路由选择模块、报文解析模块、北斗短报文通信模块、Zigbee通信模块、报文封装模块、定位模块；所述远程监控中心包括数据获取模块、数据显示模块、数据存储模块、数据分析与报表模块、预警模块、通信模块；所述监测节点与探测设备之间通过串口链路进行通信，所述监测节点与监测节点之间通过Zigbee通信链路进行通信，所述监测节点与远程控制中心之间使用北斗短报文通信链路进行通信。

进一步地，所述数据采集模块周期性获取γ射线活度浓度、α射线活度浓度、β射线活度浓度，对获取的数据进行合法性检查，过滤无效或非法数据；所述路由选择模块根据当前监测节点和相邻监测节点的通信状态确定监测数据是从哪个监测节点发送至远程监控中心；所述报文解析模块对接收到的北斗报文和Zigbee报文进行解析和处理；所述北斗短报文通信模块负责监测节点和远程监控中心之间的数据传输；所述Zigbee通信模块负责监测节点之间的数据传输；所述报文封装模块将监测数据或控制信息打包成各种格式的报文；所述定位模块负责确定当前监测节点的地理位置信息。

进一步地，所述数据获取模块负责获取各个监测节点的监测数据；所述数据显示模块以各种视图显示各个监测节点的监测数据；所述数据存储模块负责将监测数据保存至数据库；所述数据分析与报表模块负责监测数据的统计与分析；所述预警模块负责对辐射量超阈值的监测区域进行预警；所述通信模块负责远程监控中心同各监测节点之间的数据传输。

本发明还提供一种上述的基于北斗短报文和Zigbee通信技术的核辐射监测系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)当前监测节点获取本节点的通信状态信息，包括北斗通信状态、转发节点数、地理位置信息，进入步骤(2)；

(2)当前监测节点通过Zigbee通信链路向其它节点广播本节点的通信状态信息；接收到广播报文的监测节点根据报文信息更新邻节点状态信息表，邻节点状态信息表的字段包括北斗通信状态、转发节点数、地理位置信息，进入步骤(3)；

(3)当前监测节点的北斗通信状态为正常时，通过北斗短报文通信链路发送报文，结束；否则，进入步骤(4)；

(4)从邻节点状态信息表中，选择北斗通信状态正常、且转发节点数最少、且未执行中继请求处理的监测节点，通过Zigbee通信链路向其发送携带本节点监测数据的中继请求报文，若在预定时间内收到中继请求接受响应报文，则进入步骤(5)；否则，进入步骤(4)；若遍历完邻节点状态信息表后，没有收到中继请求接受响应报文，则放弃本次监测数据的传输，结束；

(5)当前监测节点收到相邻监测节点的中继请求报文后，当且仅当本节点北斗通信状态正常且转发节点数小于预设的转发节点数阈值时，接受中继请求，通过Zigbee通信链路向中继请求节点发送中继请求接受响应报文，并从中继请求报文中提取监测数据通过北斗短报文通信链路发至远程监控中心，否则，通过Zigbee通信链路向中继请求节点发送中继请求拒绝响应报文，并丢弃监测数据，结束。

进一步地，监测节点的北斗通信状态的检测通过心跳机制实现，监测节点周期性发出的北斗报文携带心跳请求序号(序号自增)。当远程监控中心收到来自监测节点的北斗报文后，提取该心跳请求序号，并将该心跳请求序号作为心跳响应序号随北斗报文返回给监测节点，若监测节点发送北斗报文后在预设时间内未收到携带相同的心跳响应序号的北斗报文，认为本次北斗短报文传输失败，若连续出现3次短报文传输失败，置北斗通信状态为异常；若连续2次北斗短报文传输成功，置北斗通信状态为正常。

进一步地，所述的转发节点数是指监测节点当前同时为几个相邻监测节点进行数据转发，为了避免接受中继请求的监测节点数据传输负担过大的问题，若转发的节点数大于等于转发节点数阈值时，不再为其它节点转发数据。所述转发节点数阈值为(M/N)-1，其中M表示北斗短报文数据段最大长度，N为每个节点的传输的监测数据长度。

与现有技术相比，本发明方法具有如下有益效果：

本发明方法通过无线传输辐射监测数据，具有较强的可扩展性；在监测节点北斗短报文通信链路异常时，通过其它节点传送监测数据，提高了辐射监测系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明的系统架构图，其中：D1～D6为探测设备，M1～M6为监测节点，RMC为远程监控中心。

图2是监测节点的模块组成图。

图3是监测节点路由选择模块确定监测数据路由的流程图。

图4是监测节点报文解析模块Zigbee报文处理流程图。

图5是监测节点报文解析模块北斗报文处理流程图。

图6是报文格式示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于北斗短报文和Zigbee通信技术的核辐射监测系统，包括探测设备D1～D6、监测节点M1～M6和远程监控中心RMC。监测节点通过RS485串口连接不同类型的探测设备，实时采集辐射测量数据，探测设备包括γ射线监测仪、α射线监测仪、β射线监测仪。监测节点M1～M5的北斗短报文通信链路状态正常，直接通过本节点的北斗通信将监测数据Data 1～Data 5传输至远程监控中心RMC。监测节点M6的北斗短报文通信状态异常，虽然无法直接通过本节点的北斗通信传输数据，但可以先将监测数据Data 6通过Zigbee通信链路传输至相邻监测节点M2，再由相邻监测节点M2通过北斗短报文通信链路传输至远程监控中心RMC。监测节点M2通过北斗短报文通信链路不仅传输了本节点的监测数据Data 2，还传输了监测节点M6的监测数据Data 6。

如图2所示，在本实施例中，监测节点由数据采集模块、路由选择模块、报文解析模块、北斗短报文通信模块、Zigbee通信模块、报文封装模块、定位模块组成。

如图2所示，数据采集模块定期采集各类监测数据，包括γ射线活度浓度、α射线活度浓度、β射线活度浓度、地理位置信息、北斗通信状态。其中射线活动浓度从探测设备获取，地理位置信息从定位模块获取，北斗通信状态从报文封装模块获取。数据采集模块对采集到的监测数据进行合法性检查，过滤无效或非法数据后送入路由选择模块处理。数据采集模块定期将本节点状态信息送入报文封装模块，最终封装成节点状态信息广播报文通过Zigbee通信链路向其它监测节点进行广播。本节点状态信息包括节点ID，北斗通信状态、转发节点数、地理位置信息。

如图2所示，路由选择模块根据本节点的北斗通信状态、邻节点的通信状态确定监测数据是通过本节点北斗短报文通信模块发出，还是由其它节点转发。其中，邻接点的通信状态通过查询邻节点状态信息表获取，当本节点收到其它节点发送的节点状态信息广播报文后，更新邻节点状态信息表。若本节点的北斗通信状态正常，监测数据进入报文封装模块的本地监测数据队列，最终从本节点的北斗短报文通信模块发出；否则，路由选择模从邻节点中优选一个节点作为中继节点，将监测数封装到中继请求报文中，最终通过中继节点的北斗短报文通信模块将监测数据转发至远程监控中心。图3描绘了路由选择模块为监测数据选择路由的过程：

(1)获取本节点北斗通信状态。若本节点北斗通信状态正常，监测报文送入报文封装模块的本地监测数据队列，最终由本节点的北斗短报文通信模块发送至远程监控中心，结束；否则，进入(2)。

(2)从邻节点状态信息表中获取通信状态正常的节点生成中继请求节点集S，进入步骤(3)。

(3)若中继请求节点集S为空，结束；否则，进入步骤(4)。

(4)在中继请求节点集S中选择转发节点数最小的节点X，进入步骤(5)。

(5)以节点X为宿节点，构造中继请求，送入报文封装模块的Zigbee消息队列，中继请求携带监测数据，进入步骤(6)。

(6)在预定时间内收到中继请求接受响应报文，结束；否则，将节点X从中继请求节点集S中移除，进入步骤(3)。

如图2所示，报文解析模块由Zigbee单元和北斗单元组成，分别对收到的Zigbee报文和北斗报文进行解析和处理。

报文解析模块的Zigbee单元定期从其报文接收缓冲区获取数据做相应的处理，图4描绘了处理流程：

(1)Zigbee报文接收缓冲区有未解析数据，执行步骤(2)；否则，结束。

(2)根据报文起始符、结束符进行定帧，根据校验码对报文进行合法性校验。若成功定帧且报文合法，执行步骤(3)，否则，执行步骤(1)。

(3)解析报文类型，若报文类型为节点状态信息广播报文，执行步骤(4)；若报文类型为中继请求报文，执行步骤(5)；若报文类型为中继请求接受响应报文或中继请求拒绝响应报文，执行步骤(6)。

(4)从报文中提取节点ID、北斗通信状态、转发节点数、地理位置信息，通知路由选择模块更新邻节点状态信息表，执行步骤(1)。

(5)根据本节点的北斗通信状态及转发节点数确定是否接受中继请求。若北斗通信状态正常而且转发节点数小于阈值，则从报文中提取监测数据，送入报文封装模块的转发监测数据队列，同时构造中继请求接受响应报文，送入报文封装模块的Zigbee消息队列；否则，构造中继请求拒绝响应报文，送入报文封装模块的Zigbee消息队列，执行步骤(1)。

(6)从报文中提取中继请求响应结果并通知路由选择模块，路由选择模块根据该信息确定是否继续进行中继请求；返回步骤(1)。

报文解析模块的北斗单元定期从其报文接收缓冲区获取数据做相应的处理，图5描述了处理流程：

(1)北斗报文接收缓冲区有未解析数据，执行步骤(2)；否则，结束。

(2)根据报文起始符、结束符进行定帧，根据校验码对报文进行合法性校验。若成功定帧且报文合法，执行步骤(3)，否则，执行步骤(1)。

(3)获取心跳响应序号，通知报文封装模块的北斗单元心跳管理器，执行步骤(1)。

如图2所示，北斗短报文通信模块的接收单元通过北斗通信链路获取来自远程监控中心的报文，送入报文解析模块的北斗单元做进一步处理；发送单元从报文封装模块的北斗单元获取监测数据报文，通过北斗通信链路发送至远程监控中心。

如图2所示，Zigbee通信模块的接收单元通过Zigbee通信链路获取来自其它监测节点的报文，送入报文解析模块的Zigbee单元做进一步处理；发送单元从报文封装模块的Zigbee单元获取Zigbee消息，通过Zigbee通信链路发送至其它监测节点。

如图2所示，报文封装模块包含Zigbee单元和北斗单元，Zigbee单元对从Zigbee消息队列中取出控制消息，封装成Zigbee报文，送入Zigbee通信模块，最终发送至其它监测节点。北斗单元从本地监测数据队列取出本节点的监测数据，从转发监测数据队列取出转发节点数据，从心跳管理器中获取心跳请求序号，封装成北斗报文，送入北斗通信模块，最终发送至远程控制中心。心跳管理器负责为每个北斗报文生成心跳请求序号，唯一标识该北斗报文，同时监测在预设时间内是否收到对应的心跳响应序号，实现北斗报文心跳机制。

监测节点与远程监控中心之间交互的北斗报文见图6中的A.1、A.2，监测节点之间交互的Zigbee报文见图6中的B.1、B.2及B.3。

在本实施例中，远程监控中心包括数据获取模块、数据显示模块、数据存储模块、数据分析与报表模块、预警模块和通信模块。数据获取模块以固定的频率获取各个监测节点的监测数据，对数据进行合法性检测，过滤非法或无效数据；数据显示模块以地图视图、表视图、曲线视图对各监测节点的数据进行显示；数据存储模块以固定的频率将监测数据存入数据库；数据分析与报表模块负责数据的查询、统计和分析；预警模块对辐射剂量超阈值的监测区域进行声、光预警；通信模块负责远程监控中心同各监测节点之间的数据传输、报文封装及报文解析。

本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种核辐射监测系统的工作方法，其特征在于：所述核辐射监测系统包括探测设备、监测节点和远程监控中心；所述探测设备包括γ射线监测仪、α射线监测仪、β射线监测仪；所述监测节点包括数据采集模块、路由选择模块、报文解析模块、北斗短报文通信模块、Zigbee通信模块、报文封装模块、定位模块；所述远程监控中心包括数据获取模块、数据显示模块、数据存储模块、数据分析与报表模块、预警模块、通信模块；所述监测节点与探测设备之间通过串口链路进行通信，所述监测节点与监测节点之间通过Zigbee通信链路进行通信，所述监测节点与远程控制中心之间使用北斗短报文通信链路进行通信；

所述核辐射监测系统的工作方法包括以下步骤：

(1)当前监测节点获取本节点的通信状态信息，包括北斗通信状态、转发节点数、地理位置信息，进入步骤(2)；

(2)当前监测节点通过Zigbee通信链路向其它节点广播本节点的通信状态信息；接收到广播报文的监测节点根据报文信息更新邻节点状态信息表，邻节点状态信息表的字段包括北斗通信状态、转发节点数、地理位置信息，进入步骤(3)；

(3)当前监测节点的北斗通信状态为正常时，通过北斗短报文通信链路发送报文，结束；否则，进入步骤(4)；

(4)从邻节点状态信息表中，选择北斗通信状态正常、且转发节点数最少、且未执行中继请求处理的监测节点，通过Zigbee通信链路向其发送携带本节点监测数据的中继请求报文，若在预定时间内收到中继请求接受响应报文，则进入步骤(5)；否则，进入步骤(4)；若遍历完邻节点状态信息表后，没有收到中继请求接受响应报文，则放弃本次监测数据的传输，结束；

(5)当前监测节点收到相邻监测节点的中继请求报文后，当且仅当本节点北斗通信状态正常且转发节点数小于预设的转发节点数阈值时，接受中继请求，通过Zigbee通信链路向中继请求节点发送中继请求接受响应报文，并从中继请求报文中提取监测数据通过北斗短报文通信链路发至远程监控中心，否则，通过Zigbee通信链路向中继请求节点发送中继请求拒绝响应报文，并丢弃监测数据，结束。

2.根据权利要求1所述的核辐射监测系统的工作方法，其特征在于：监测节点的北斗通信状态的检测通过心跳机制实现，监测节点周期性发出的北斗报文携带心跳请求序号，当远程监控中心收到来自监测节点的北斗报文后，提取该心跳请求序号，并将该心跳请求序号作为心跳响应序号随北斗报文返回给监测节点，若监测节点发送北斗报文后在预设时间内未收到携带相同的心跳响应序号的北斗报文，认为本次北斗短报文传输失败，若连续出现3次短报文传输失败，置北斗通信状态为异常；若连续2次北斗短报文传输成功，置北斗通信状态为正常。

3.根据权利要求1所述的核辐射监测系统的工作方法，其特征在于：所述的转发节点数是指监测节点当前同时为几个相邻监测节点进行数据转发，所述转发节点数阈值为(M/N)-1，其中M表示北斗短报文数据段最大长度，N为每个节点的传输的监测数据长度。

4.根据权利要求1所述的核辐射监测系统的工作方法，其特征在于：所述核辐射监测系统中数据采集模块周期性获取γ射线活度浓度、α射线活度浓度、β射线活度浓度，对获取的数据进行合法性检查，过滤无效或非法数据；所述路由选择模块根据当前监测节点和相邻监测节点的通信状态确定监测数据是从哪个监测节点发送至远程监控中心；所述报文解析模块对接收到的北斗报文和Zigbee报文进行解析和处理；所述北斗短报文通信模块负责监测节点和远程监控中心之间的数据传输；所述Zigbee通信模块负责监测节点之间的数据传输；所述报文封装模块将监测数据或控制信息打包成各种格式的报文；所述定位模块负责确定当前监测节点的地理位置信息。

5.根据权利要求1所述的核辐射监测系统的工作方法，其特征在于：所述核辐射监测系统中数据获取模块负责获取各个监测节点的监测数据；所述数据显示模块以各种视图显示各个监测节点的监测数据；所述数据存储模块负责将监测数据保存至数据库；所述数据分析与报表模块负责监测数据的统计与分析；所述预警模块负责对辐射量超阈值的监测区域进行预警；所述通信模块负责远程监控中心同各监测节点之间的数据传输。