基于WiFi散射通信技術(shù)的超低功耗放射源監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

李 艷，張 帥，謝桂輝，唐曉慶

（1.武漢晴川學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430204；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所，湖北 武漢 430205；3.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動化學(xué)院，湖北 武漢 430072；4.湖北大學(xué)，湖北 武漢 430062）

0 引 言

放射源是指使用放射性物質(zhì)制成的能夠產(chǎn)生照射或者輻射的實(shí)體或物質(zhì)，在國防、醫(yī)療、科研、工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及能源等多個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，對維護(hù)國防安全、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有重要作用[1]。但是一旦放射源失控，就會對環(huán)境造成放射性污染，引起社會恐慌，因此加強(qiáng)對放射源的監(jiān)控和管理非常重要[2]。

目前廣泛采用的放射源安全和防護(hù)管理方法主要是利用輻射探測技術(shù)、視頻監(jiān)視、GIS地理信息技術(shù)以及GPS全球定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對放射源的狀態(tài)位置實(shí)時(shí)監(jiān)控，再結(jié)合傳感器檢測技術(shù)、通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)建立放射源劑量監(jiān)控與失控報(bào)警平臺，為監(jiān)管部門和相關(guān)單位提供放射源監(jiān)控的現(xiàn)代數(shù)字化解決方案[3-6]。但是輻射探測、視頻監(jiān)測、GIS、GPS等技術(shù)都具有較大的功耗，因此需要人工定期維護(hù)、頻繁更換電池，無形之中增加了人力成本、電池供電成本，也增加了維護(hù)人員接觸輻射源的風(fēng)險(xiǎn)[7]。而對于體積較小的便攜式放射源來說，電池的使用還使得放射源監(jiān)管系統(tǒng)的體積過大，從而無法安裝?；诖?，本文在低功耗MSP430平臺上提出一種基于WiFi散射通信技術(shù)的放射源監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由射頻基站、散射節(jié)點(diǎn)與通用WiFi接收設(shè)備組成。射頻基站負(fù)責(zé)為散射節(jié)點(diǎn)提供2.39 GHz的單頻點(diǎn)正弦波信號，將其作為散射節(jié)點(diǎn)的入射電磁波。散射節(jié)點(diǎn)在MCU的控制下采集傳感器數(shù)據(jù)，按照802.11b協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，生成碼片數(shù)據(jù)流，并將碼片數(shù)據(jù)映射為射頻開關(guān)的控制信號，對入射電磁波進(jìn)行吸收或反射狀態(tài)的切換，從而產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)WiFi信號[8]。接收機(jī)通過通用WiFi接收設(shè)備接收散射節(jié)點(diǎn)散射的WiFi數(shù)據(jù)報(bào)文并進(jìn)行解析，從中提取出所需的傳感器數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 WiFi散射通信實(shí)現(xiàn)

WiFi散射通信實(shí)現(xiàn)主要包括兩部分內(nèi)容，一是根據(jù)WiFi標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議產(chǎn)生擴(kuò)頻碼片，二是根據(jù)碼片數(shù)據(jù)產(chǎn)生射頻開關(guān)控制信號。

2.1 碼片生成

根據(jù)IEEE 802.11b協(xié)議，碼片生成需要經(jīng)過數(shù)據(jù)封裝、比特信息處理兩個(gè)步驟[9]。數(shù)據(jù)封裝的目的是將待發(fā)送的原始數(shù)據(jù)按照IEEE 802.11b規(guī)范封裝為物理層PPDU數(shù)據(jù)報(bào)。比特信息處理模塊主要負(fù)責(zé)將PPDU數(shù)據(jù)報(bào)處理為碼片數(shù)據(jù)流，PPDU數(shù)據(jù)經(jīng)過串化、加擾、差分編碼以及擴(kuò)頻，生成速率一定的碼片數(shù)據(jù)流。

2.2 射頻開關(guān)控制信號生成

本文提出一種數(shù)字虛擬調(diào)制方法，當(dāng)碼片為+1時(shí)，產(chǎn)生‘1010’序列組合；當(dāng)碼片為-1時(shí)，產(chǎn)生‘0101’序列組合。同時(shí)設(shè)置‘1010’和‘0101’序列組合的激勵時(shí)鐘為44 MHz，這樣既可以保證射頻開關(guān)控制信號的頻率為22 MHz，又使其相位在碼片切換時(shí)翻轉(zhuǎn)了180°，滿足了相應(yīng)的頻率要求和相位要求。

3 系統(tǒng)樣機(jī)研制

本文研制一個(gè)WiFi散射節(jié)點(diǎn)樣機(jī)，處理器選用TI公司超低功耗單片機(jī)MSP430F5438A，其主頻為25 MHz，在關(guān)斷模式下電流消耗低至1.2 μA。射頻開關(guān)采用HMC190B，開關(guān)損耗僅為0.4 dB。異或芯片采用SN74AUP1G86，其工作電流僅為0.9 μA，輸入到輸出的延時(shí)僅為3 ns。溫濕度傳感器采用HDC2080，溫度精度為0.2 ℃、相對濕度精度為2%，睡眠電流僅為50 nA，在每秒1次的測量條件下，測量溫度和濕度時(shí)平均電流消耗僅為550 nA。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果及分析

4.1 WiFi散射信號測試

在WiFi散射通信系統(tǒng)中，核心是射頻開關(guān)控制信號的生成。實(shí)際測試結(jié)果如圖2所示，經(jīng)過異或邏輯器件后的波形在相位發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，波形基本無毛刺，不影響接收端的判決，與預(yù)想的結(jié)果相符。

圖2 射頻開關(guān)控制信號波形

4.2 散射節(jié)點(diǎn)功耗測試

完整的測量結(jié)果如圖3所示，其中tAB段為從低功耗模式喚醒過程，tBC為開啟22 MHz振蕩器并穩(wěn)定的過程，tCD為開啟DMA、通過USCI移位寄存器與時(shí)鐘信號實(shí)現(xiàn)射頻開關(guān)控制信號的輸出的過程，tDA為工作完成后進(jìn)入低功耗模式。

圖3 樣機(jī)功耗測試

4.3 散射節(jié)點(diǎn)通信距離測試

設(shè)定基站發(fā)射頻率為2.39 GHz、功率為20 dBm的電磁波，接收機(jī)布置在距離基站5 m處的位置。根據(jù)實(shí)際測試數(shù)據(jù)，接收機(jī)的靈敏度可達(dá)-85 dBm左右。由此可知，在基站發(fā)送功率為20 dBm的情況下，散射節(jié)點(diǎn)可在一個(gè)橢圓區(qū)域內(nèi)自由移動，散射節(jié)點(diǎn)有效通信覆蓋面積達(dá)150 m2。

根據(jù)上述通信功耗和通信距離的測試結(jié)果，可以看出本文方法相對于傳統(tǒng)的Zigbee監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，功耗降低了2～3個(gè)數(shù)量級，盡管通信距離有所降低，但也足夠滿足放射源監(jiān)測的需求[10]。更重要的是，本系統(tǒng)可采用小容量紐扣電池供電，系統(tǒng)體積小、成本低，方便安裝和大規(guī)模部署。

5 結(jié) 論

本文研制一種基于WiFi散射通信技術(shù)的放射源監(jiān)測樣機(jī)，具有明顯的功耗優(yōu)勢?；贛CU的散射通信硬件架構(gòu)僅需要一片MCU、一片射頻開關(guān)以及一片異或門芯片即可完成整個(gè)通信過程，硬件結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)體積小，易于現(xiàn)場安裝。采用標(biāo)準(zhǔn)的WiFi協(xié)議，接收機(jī)不需要專門定制，任何帶WiFi通信模組的手機(jī)、路由器或筆記本均可接收散射節(jié)點(diǎn)發(fā)出的WiFi信號，既節(jié)約硬件成本，也便于各個(gè)地區(qū)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)融合和存儲。