我國是放射性同位素生產和使用大國，隨著市場經濟的發展和各個領域的進一步開放，放射源已經廣泛應用于工業、農業、醫學、資源、環境、軍事、科學研究等領域。放射源在給我們帶來巨大技術進步與經濟效益的同時，其輻射安全與放射性污染等問題也越來越突出。
近年來，放射源丟失、被盜等事故時有發生；一些用源單位不按國家規定，違規超標使用或私自轉移放射源，造成較大的安全隱患。放射源的安全使用和科學監管已成為當前環保工作的難點和重點。
近幾年發達國家對環境輻射連續監測的投入有明顯加強，如美國EML實驗室的SASP監測網現在已發展成全監測網（GNS），在世界各地都建有自動監測站，包括南極洲；法國的“Teleray”現在也已實現歐洲聯網。
丹麥、愛沙尼亞、芬蘭、德國、冰島、拉托維亞、立陶宛、挪威、波蘭、俄羅斯聯邦，瑞典也設置自動X-γ控制監測站，自動X-γ監測站數量分別為11、11、298、2150、1、16、14、22、20、152、37個。
目前，就輻射環境自動監測的發展的趨勢，國際上主要體現了如下趨勢：(1)輻射環境監測是基礎；(2)射性污染監測是監測網的核心內容；(3)監測站的設立將采用商請與申請相結合，更動態、更靈活、更有效；(4)X-γ輻射劑量率自動測量、數據實時傳輸和電子發布將被廣泛采用；(5)大流量空氣樣品采樣+在線X-γ能譜分析+實時X-γ能譜分析+無線或有線傳輸將被廣泛采用；(6)分散采樣、集中分析的分工原則將被普遍采用（各監測站平時只負責樣品采集、寄送、實時劑量率測量和傳輸以及與反恐監測有關的監測，其余分析由分析中心負責）；(7)在常規分析計劃中將會引入篩選測量程序和啟動核素分析的具體啟動水平，并制定統一的啟動湮沒無聞；(8)就地能譜測量技術（Insitu）將更受重視；(9)數據發布將突出公開性和時效性，電子數據、網上發布的方式將被普遍采用；(10)全程QA/QC計劃將被普遍實施，特別是過去注意不夠的監測的前、后環節（即采樣和數據處理、評價環節）的質量保證。
在放射源場所及其它核環境部署快速有效、可靠、先進的環境監測技術和手段,可以起到輻射防護的目的，為發現核事故并及時采取防護措施提供保障能力。目前我國對放射源環境的監測,多是基于有線網絡的監測系統或者預先架設的無線網絡系統,運營成本往往較高,用于通訊的建設費用占總成本50%以上,而且運行費用較大。對放射源環境連續監測應用研究，加強放射源管理，使其更加科學化、規范化，對預防和減少輻射污染事故危害，有效控制輻射污染事件的發生，起到切實保障放射源的安全使用。
本文提出采用ZigBee無線網絡技術實現連續監測數據采集，利用ZigBee無線網絡技術低成本、省電、安全、可靠等特點，不必架設網絡線，將監控系統的終端設備密封在一個密閉容器內，安裝好天線，置于放射源工作場所合適的地點，一個終端監測網點便可建成，通過以太網等網絡實現與管理部門監控中心的連接，實現對放射源工作場所及周圍環境的連續性監測。
1 ZigBee數傳技術概述
ZigBee是IEEE802.15.4協議的代名詞，它是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內,但可以繼續增加。根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。ZigBee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。在整個網絡范圍內，每個ZigBee無線模塊網絡節點本身可以作為監控對象，對其所連接的傳感器直接進行數據采集和監控，同時每個ZigBee無線模塊網絡節點之間可以相互通信，自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料。
作為一種無線通信技術，ZigBee數傳模塊具有如下特點：
(1)功率消耗低：在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個節點工作6-24個月，甚至更長，這是ZigBee無線模塊的突出優勢。
(2)建設成本低：通過大幅簡化協議是成本很低（不足藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節點需要32KB代碼，子功能節點少至4KB代碼，而且ZigBee的協議專利免費。
(3)通訊速率低：ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。
(4)響應時延短：ZigBee數傳的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能，相比較，藍牙需要3-10s、WiFi需要3s。
(5)容量高：ZigBee數傳模塊可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000個節點的大網。
6)安全度高：ZigBee數傳提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
(7)近距離傳輸：傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發射功率后，亦可增加到1-3km。這指的是相鄰節點間的距離。如果通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。
(8)免執照頻段：采用直接序列擴頻在工業科學醫療2.4GHz(全球)頻段。
一般而言，隨著通信距離增大，設備復雜度、功耗以及系統成本都在增加。相對于現有各種無線通信技術，ZigBee數傳技術是最低功耗和最低成本的技術。
2 放射源監控系統的網絡架構
在放射源工作場所的周圍環境設置若干監測點，依據ZigBee模塊的傳輸距離，各監控點間距在70m內。為驗證放射源工作場所周圍環境排放是否滿足排放限值的要求，連續監測系統的布點應以實際的監測經驗而定，達到兼顧事故的應急監測需要，為采取應急防護行動提供技術支持。放射源監測主要考慮放射源工作人員的工作場所，有效保護工作人員的生命安全和核事故的發生，提高監測數據的可靠性和監測點的覆蓋面。
星型結構、網狀結構和簇狀結構是基于ZigBee數傳技術的三種主要自組織無線網絡類型。通常在監控區域較小時，使用星型網絡可組成一個包含中心站點和計算機監控中心的ZigBee無線模塊網絡。本文放射源連續監測系統的監控區域的工作場所分布在不同的方位，為了提高數據傳輸的可靠性，放射源監控系統采用網狀網絡。在一個半徑約70m的范圍內設置一個傳輸中繼站點進行數據上傳下送，ZigBee數據采集點之間可以互相通信，將所有的傳輸中繼站點組成一個蜂窩網狀網絡，再與設置于管理中心的ZigBee中心站點連接，構成一個完整的ZigBee數據采集無線網絡（見圖1）。
圖1 放射源無線監測網絡系統示意圖
在整個無線網絡中各部分的功能為：
1)監控場所：具有數據采集、存儲，接收指令和發送數據的功能。對監測到的數據進行計量、存儲，或者接收上級節點發送的指令，按照指令要求完成相應的操作。
2)傳輸中繼站：具有數據上傳下送、存儲轉發的功能。
將監控中心的ZigBee中心站點發出的命令轉發給各監控場所，同時接收各監控場在指令下所監測到的返回數據，并轉發給中心站點。除此每個傳輸中繼站點還可以連接一個終端探測器。
3)中心站點：具有建立、協調、配置整個網絡的功能。
可定期向傳輸中繼站發送數據采集請求、接收數據、并將數據上傳至計算機監控中心，通過Internet等網絡與管理部門監控中心的互聯，滿足對放射源工作場所周圍環境的連續性監測的需要。
3 放射源場所監測點設計
各終端監測點采用靈敏度高、穩定可靠的無線射頻輻射探測器。鑒于方便應用的需要，目前市場上的ZigBee模塊多集成微控制器，本系統終端監測點采用ARM926EJ-S處理器，集成探測器、ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。
探測器采用蓋革-彌勒計數管（GM管）來測定輻射強度，高壓產生電路為GM管提供高壓，使得GM管可以工作。當射線通過該GM管并引起電離時便使該GM管產生電流脈沖，脈沖經整形電路、分頻電路后變成邊緣陡峭的方波，送到單片機的定時器做計數，并換算成劑量率。當環境X-γ輻射在線探測器接到主機發來的查詢命令后，便把劑量率數值通過Zigbee無線模塊返回給主機，探頭電源通過直流電源得到。工作示意圖參見圖2。
圖2 放射源場所終端監控示意圖
4 傳輸中繼站及中心站點的設計
本文放射源連續監測系統的ZigBee傳輸中繼站，數據量較大，系統功能較為復雜，我們采用ARM946E-S處理器。傳輸中繼站將位于監控中心的中心站點發出的指令轉發給各終端監測站點，再將各終端監測站點的監測數據上傳至中心站點。各中繼站點又組成網狀網絡，使得整個ZigBee數傳網絡更有延伸性，增大了網絡的覆蓋范圍。各中繼站點也帶有無線射頻輻射探測器，使其自身也作為監測網絡中的一員。工作示意圖見圖3。
圖3 ZigBee 傳輸中繼站示意圖
ZigBee中心站點負責啟動、配置、協調整個ZigBee無線監測網絡以及網絡間的數據傳輸。中心站點把數據上傳到計算機監控中心，然后通過Internet等網絡實現與管理部門監控中心的互聯。作為整個監控網絡的心臟部件，本系統設計中采用片上資源豐富的ARM968E-S理器，利用其豐富的片上資源和強大的數據處理能力，組建成一個穩定可靠的基于本中心站點的ZigBee網絡。
工作示意圖見圖4。
圖4 ZigBee 中心站點示意圖
5 無線射頻輻射終端監控系統設計
在整個監控系統的控制中，通過數據處理系統實現對ZigBee所數據采集的劑量數據的綜合分析處理。該數據處理系統實質上是一個數據庫的采集和處理系統。整個數據處理系統可分為監測數據庫模塊、數據處理模塊和顯示模塊。
1)監測數據庫模塊，主要通過探測器將監測到的劑量數據傳輸到驅動接口中，再由程序調用驅動接口將數字化信號監測數據轉換為可識別的字符串數據，最后保存在監測數據庫中。
2)數據處理模塊，主要將數字化信號轉換為可識別的字符串數據，并且根據閾值對數據進行邏輯處理和數據修正，最后對字符串的監測數據根據Modbus通訊協議進行封裝，通過ZigBee無線網絡在各傳輸點進行數據傳輸[7]。
3)顯示模塊，主要將實時監測到的劑量數據的情況顯示出來。當每一監測點的輻射程度達到或超過該閾值時，以不同的色彩進行顯示，系統會自動以聲、色等形式進行報警，能根據監測結果確定監測區域的C輻射分布情況，也能夠以不同顏色對不同輻射程度地域進行區別顯示。
6 總結
綜上所述，本系統具備放射源連續監測系統設計的相關原則，即實用性、可靠性、可維護性、先進性、經濟型、擴充性等。無線射頻輻射探測器和放射源監控終端中集成的Zigbee無線模塊，解決了復雜場所放射源區域劑量監控布線的難題，實現了ZigBee數據采集，為數據傳輸提供了保障；放射源監控終端三級網狀網絡結構的設計，有利于分布在各地的多個放射源做到集中監管；放射源監控終端中集成的輻射劑量探測模塊，有利于單個放射源的場所單獨使用。使得本系統應用更方便，成本更低廉，網絡可靠性更高，具備很好的實用性與經濟性，將成為放射源工作場所周圍環境連續監測系統的優選方案。