北京航天自动控制研究所 谢振芳

蓝牙移动放射源监管器设计

北京航天自动控制研究所 谢振芳

本文致力一种蓝牙移动放射源监管器的研发设计，可以替代个人核辐射检测仪，用于放射源检测；设计目标为带蓝牙通信的智能辐射检测手持终端设备，定位于国内中高档带蓝牙个人核辐射检测仪，可实现放射源泄漏监视、报警、剂量检测、剂量健康档案管理等功能。

核辐射；无线数据传输；nRF24L01；放射源

1 引言

蓝牙移动放射源监管器设计除具有放射源检测之外，还汇聚2.4G无线数传、GPS定位、等通信功能。本设计也可以用于其它智能手持数据检测采集终端应用。设置有LCD液晶显示屏，使用少数的3个按键进行人机对话便于操作、和对放射源测试种类的选择。本设计具有电子标签功能，能够与放射源有源电子标签通信。充电使用USB充电，优点是USB充电设备使用普遍，故障较低。另外使用USB接口可以通过计算机通信。

2 硬件设计

系统硬件主要由处理器EFM32TG840F32，Cortex-M3内核、蓝牙模块、无线数传模块、射线检测模块、GPS模块、Flash存储器、核辐射探测管、按键及显示模块和电池及USB接口等组成。如图2.0所示，图中当放射源出现异常时，产生声音、振动报警信号和LCD显示，提醒用户有放射源泄漏情况发生，同时通过蓝牙将放射剂量发送给手机，通过手机将剂量、地理位置信息上传有关部门。图2.0中使用EFM32TG840F32单片机做为控制的核心，该单片机的待机电流很低，在运行实时时钟RTCC、上电复位、掉电检测电路、以及全RAM和CPU保留时的典型值为900nA，在最深度睡眠模式时则低于20nA，EFM32TG840F32有3个串口保证GPRS/GPS/调试等通信使用，较多的I/O口为简化电路设计可提高电路的稳定性、可靠性、可扩展性。

图1 示意图Fig.1 Sketch map

2.1 CPU选型

蓝牙移动放射源监管器主电路原理图如图2所示，包括电源、LCD显示、蓝牙模块、GPS定位，CPU EFM32TG840F32等组成。EFM32TG840F32其功耗在运行模式为150uA/ MHz， 3V，执行Flash程序，休眠模式：50uA/ MHz，3V，掉电模式为20 nA，3V，工作电压是1.8-3.8V。

图2 CPU原理图Fig.2 the schematic diagram of CPU

2.2 Flash存储器选型

型号：GD25Q40

容量：0.5MB

工作电压2.7-3.6V

最大电流：20mA

待机电流：8uA，实测

2.3 核辐射探测管选型选型

主要是考虑其尺寸小、市场易于采购、价格低、工作电压低。型号为j302βγ盖革管。

直径：Φ7.5±0.1mm（玻璃管）

总长：65±3mm

起始电压：＜350V

推荐工作电压：390±10V

坪斜：小于12.5%/80V，

极限工作电压：550V

在0.5mGy/h照射下输出电流：20µA

最大过负荷剂量率：15mR/h

寿命：在5mR/h照射下＞150小时

温度范围：-40°C--70°C

2.4 GPS模块选型

GPS原理图如图3所示，模块选择SF/M1613，定位精度：2.0m CEP(50%)，工作电压范围：3.3-5V，工作温度：-40°C to +85°C，捕获功耗：30/65mA，追踪功耗：25/50mA，待机功耗：20uA。

图3 GPS模块原理图Fig.3 the schematic diagram of GPS module

2.5 无线数传模块选型

无线数传原理图如图4所示，选择nRF24L01做为数传的主芯片，它是一款工作在2.4至2.5GHZ世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。频段选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。

图4 无线数传模块原理图Fig.4 the schematic diagram of wireless data transmission module

2.6 功率消耗

工作在发射模式：发射功率-6dBm 时，电流为9mA，发射功率0dBm时，电流为11.3mA；

接收模式1：I=12.3mA；

待机模式：I=27uA（减少工作电流的同时保持有短的启动时间，晶体振荡器工作）；

待机模式2：I=320uA；

掉电模式：I=0.9uA（最大减少工作电流的同时寄存器内容保持，SPI接口有效）；

从待机模式Ⅰ启动需0.13ms；从掉电模式启动1.5ms。

2.7 蓝牙模块选型模块选型

蓝牙模块选择HHW-UART-S10型近距离蓝牙模块、优点是主从状态可以设置，串口数据与AT命令分开控制。当模组处于自动连接工作模式时，模组配置预先设定的运行参数、调整自身工作角色，自动进入连接或被连接进程。

3 软件件设计

3.1 工作模式

休眠模式：监管铅箱静止不动，定时向监管平台发送GPS数据，每天一次。

追踪模式：监管铅箱移动，惯性传感器立刻唤醒系统，定时向监管平台发送GPS数据，发送间隔可设置固定值，也依据速度自动调节。当发送间隔小于2分钟时，GSM和GPS持续工作。

放射报警模式：铅箱每十秒钟检测一次箱内的放射剂量，如果放射剂量超标，立即开启声光报警，每分钟向监管平台发送一次报警信息。（每次检测多长时间，需实验确定）

电量报警模式：铅箱每十分钟检测一次电池电量，如果铅箱电池电量即将耗尽，闪灯提示使用者，并发送电量报警信息。

3.2 核辐射探测器

核辐射探测器软件编程流程如图5所示，有于核辐射探测器GM管接在CPU的一个外部中断IO，当CPU产生中断时，累计计数寄存器TACCR0标志位发生变化，软件主要判断该标志位是等于99还是等于100，根据判断的结果，软件流程产生两个分支。

图5 GM管流程图Fig.5 the fow diagram of GM

3.3 nRF24L01无线数传芯片

图6 nRF24L01流程图Fig.6 the fow diagram of nRF24L01

4 结论

一种蓝牙移动放射源监管器对放射源的智能、精确的探测， 整机功耗低、成本少、运行稳定可靠，经实际测试，本设计功耗按2.5AH的电池容量进行计算为可以工作40天。

[1]陈丽娟,常丹华．基于nRF2401的无线数据通信[J]．

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[7]GB/T 16148-1995《放射性核素摄入量及内照射剂量估算规范》．

[8]GB/T 13161-2003《直读式个人X和Y辐射剂量当量和剂量当量率监测仪》．

[9]GB/T 11806-2004《放射性物质安全运输规程》．

The Design of Hand-held terminal detector for Radioactive Source based on Bluetooth

Xie Zhen-fang
（Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100854 china）

The design is a hand-held terminal detector for radioactive source based on bluetooth，can take place of personal radioactive source detector for detecting radioactive source.It's aiming at a intelligent hand-held terminal detector with bluetooth communication.It's located in the high-end market of personal detector，taking the function of detecting and warning for the release and the dose of radioactive source，also can make records for these in order to generate manage fles.

Chaff；Rotation；Polarization；Correlation function；Power spectrum