Проектирование приёмного устройства терминального модуля сети под управлением стандарта IEEE 802.15.4

Рис. 17. Газоразрядный счетчик: 1 – катод счетчика; 2 – анод счетчика;

3 – диэлектрик; 4 –  газовая среда.

приобретаемая ими на расстоянии от одного соударения до другого, следовательно, ударная ионизация  будет наступать при меньших  напряженностях электрического поля внутри счетчика. Благодаря указанным условиям, создаваемым в счетчике, количество электронов, образованных в результате ударной ионизации , будет во много раз больше количества электронов , первоначально образованных вследствие воздействия ионизирующих излучений. Отношение этих двух величин называется коэффициентом газового усиления.

.  1

Вследствие разности между массой положительного иона и  электрона их скорости движения в  электрическом поле различны. Когда  электроны достигнут анода, положительные ионы претерпят незначительное перемещение и создадут положительный чехол вокруг анода. Этот чехол создает вокруг анода напряженность поля, направленную против основного поля счетчика. Результирующая напряженность поля вблизи нити уменьшится и условия для ударной ионизации нарушается. Когда положительные ионы достигнут катода, в цепи счетчика создается импульс тока и соответственно импульс напряжения на его электродах , в свою очередь , где – заряд электрона. Из соотношения (1) следует , отсюда

       2

Выражение (2) показывает, что использование явления ударной ионизации позволяет получить импульсы с амплитудой в раз большей по сравнению с амплитудой импульсов, даваемых ионизационной камерой.

Частота импульсов, возникающих  в счетчике, пропорциональна плотности  потока излучений  , площади поперечного сечения счетчика и эффективности счетчика

,        3

где - эффективность счетчика, представляющая собой отношение количества импульсов, возникающих в счетчике, к числу квантов, прошедших за единицу времени через поверхность катода счетчика.

Плотность потока непосредственно связана с мощностью дозы гамма-излучений

,       4

где     - мощность дозы излучений;

- энергия гамма- излучения;

- линейный коэффициент гамма-излучения.

Подставив выражение  для  (4) в формулу (3),получим

       5

Выражение (5) показывает, что между  и имеется пропорциональная зависимость. Следовательно, измерение количества импульсов, возникающих в газоразрядном счетчике в единицу времени, позволяет определить мощность дозы гамма-излучения.

Важным показателем  качества газоразрядного счетчика является счетная характеристика. Счетной характеристикой называется зависимость среднего количества импульсов, возникающих в счетчике в единицу времени, от напряжения, приложенного к счетчику при постоянной мощности дозы. Знание счетной характеристики, представленной на рис.18, необходимо для определения напряжения, при котором данный счетчик работает наиболее стабильно.

При небольших напряжениях (от 0 до ) счетчик работает в режиме рекомбинации и насыщения, где импульсы имеют незначительную амплитуду и не могут быть зарегистрированы (рис 18).

Рисунок 18. Счетная характеристика газоразрядного счетчика

При напряжениях от до счетчик работает в области ограниченной пропорциональности, где амплитуда импульсов зависит от ионизирующей способности попадающих в счетчик излучений. Поэтому регистрируются не все импульсы, а только имеющие большую амплитуду. В области напряжений от до счетчик работает в режиме самостоятельного разряда, где все импульсы имеют практически равные и достаточно большие амплитуды, поэтому все они сосчитываются регистрирующей схемой. В этой области скорость счета не зависит от напряжения, а, как было показано выше, зависит только от мощности дозы излучений. Поэтому эта область является рабочей областью напряжения.

Для измерения выходных параметров детекторов ионизирующих электронные  усилительные схемы с регистрирующими устройствами на выходе, представленные на рис. 19.

Рисунок 19. Структурная схема дозиметрического прибора

Электронные усилительные схемы в зависимости от типа детектора  и вида измеряемой величины подразделяются на измерители заряда и измерители средней частоты импульсов.

Измерители заряда –  электрометры служат для измерения  малых зарядов емкости ионизирующих камер. Они могут использоваться для измерения дозы излучения.

Измерители средней  частоты импульсов предназначены  для определения среднего числа импульсов в единицу времени, поступающих на их вход, и используются в измерителях мощности дозы. В простейших измерителях определение мощности дозы может осуществляться без усиления входных импульсов. В качестве регистрирующего устройства используются микроамперметры.

Электрическое питание  осуществляется от аккумуляторов. Для получения высокого напряжения используются преобразователи напряжений на транзисторах, преобразующие низкое напряжение источников питания в высокое постоянное напряжение.

При разработке радиационного датчика учтены : питание трансивера и датчика осуществляется от одного источника (рис. 20).

Рисунок 20. Функциональная схема радиационного датчика

Вывод: при разработке радиационного датчика учтены возможности построения на основе отечественной элементной базы. Экономически выгодно для производства.

 

3.4. Разработка программного обеспечения для отображения информации о состоянии датчиков

В качестве средства программирования использовалась система визуального объектно-ориентированного программирования Builder, производства корпорации Borland.

 

Описание разработанного ПО

Для обеспечения управления беспроводной сетью в целях сбора  информации с датчиков создано программное  обеспечение, имеющее следующую структуру:

Главное окно программы;

1. Окно «Состояние детекторов»;
2. Окно «Ассоциирование: Детектор – Зона»;
3. Окно «Активизировать наблюдение».

 Все окна программы  заданны формами и содержат однотипные компоненты:

• Кнопка Button. Основное назначение кнопки – формирование события при нажатии на нее. Кнопка может быть размещена в любом месте формы, где есть необходимость выполнить какие-либо действия при ее нажатии. Кнопка Button представляет собой оконный элемент управления;
• Метка Label – предназначена для размещения на экране текстовой информации, содержащей различные пояснения, названия, заголовки. Основным для метки является свойство Caption. Именно сюда помещается текст, который будет выводиться на экран;
• Компонент OpenPictureDialog – осуществляет диалог открытия изображения с заданным фильтром;
• Компонент Timer – осуществляет циклические операции с жестко заданным временным интервалом, такие как опрос детекторов;
• Компонент Memo – для хранения протокола системы;

 

Главное окно программы

Рисунок 21. Вид главного окна программы

Кнопка «Загрузить карту» предназначена для осуществления диалога с пользователем в ходе которого осуществляется загрузка графической информации (карты местности) (рис.22).

Рисунок 22. Окно диалога открытия карты местности.

Кнопка «Опросить детекторы» осуществляет отправку широковещетельного ZigBee-пакета в сеть с командой ND (опрос участников сети) и %V (запрос информации о состоянии используемых сенсорами источников питания). Кроме того каждый принятый от детектора пакет содержит информацию о уровне принятого сигнала (RSSI – Receive Strength Signal Indicator). Данная информация заноситься в массив данных о детекторах. На экран выводится сообщение о количестве присутствующих в сети сенсоров (рис.23) и заносится в протокол.

Рисунок 23. Сообщение о количестве обнаруженных сенсоров

Кнопка «Разместить детекторы на местности» осуществляет вывод окна «Ассоциирование : Детектор – Зона» на экран. После ассоциирования щелчком мыши на карте местности указывается место установки датчика (рис.24) – белый круг. Данный цвет означает наличие сенсора в сети.

Рисунок 24. Размещение охранного детектора на местности

Кнопка «Детекторы» выводит окно «Состояние детекторов» на экран. Данная кнопка появляется на экране только после установления участников сети посредством кнопки «Опросить детекторы».

Кнопка «Активизировать наблюдение» выводит окно «Выбор объектов для наблюдения» на экран пользователя.

 

Кнопка «Прекратить наблюдение» отключает радиационный контроль, выводит сообщение на экран (рис.25), записывает событие в протокол.

Рисунок 25. Сообщение о прекращении наблюдения

 

Поле в левом нижнем углу отображает протокол системы, содержащий события системы.

 

Окно «Состояние детекторов»

На данном окне присутствует таблица, отображающая RSSI, заряд батареи и ориентировочный срок службы каждого сенсора (рис.26).

Рисунок 26. Вид окна «Состояние детекторов»

Кнопка «ОК» закрывает данное окно. Внизу окна вынесена текстовая информация об оценочных значениях радиолинии. Следует отметить, что при изменении емкости источника питания необходимо вводить поправочные коэффициенты для пересчета оставшегося времени действия сенсора от элемента питания.

 

Окно «Ассоциирование: Детектор – Зона»

Данное окно содержит выпадающий список для выбора зоны наблюдения и текстовое поле для введения названия объекта подлежащего наблюдению с помощью детектора (рис.27). Кнопка «ОК» закрывает данное окно. Информация о назначении зоне детектора заносится в протокол. Название объекта сохраняется в массив.

Рисунок 27. Вид окна «Ассоциирование : Детектор – Зона»

 

Окно  «Выбор объекта наблюдения»

В данном окне производится выбор Зон для осуществления наблюдения (рис. 28). Программно предусмотрено добавление зон под наблюдение и в процессе охраны. Кнопка «Активизировать» включает охрану и закрывает данное окно. Информация об активизации протоколируется.

Рисунок 28. Вид окна «Выбор объекта наблюдения»

После активизации датчик на карте местности окрашивается в желтый цвет (рис.29), что означает отсутствие отклонений в работе детектора и срабатывания радиационного сенсора.

Рисунок 29. Радиационный сенсор в режиме наблюдения.

 

Режим радиационного  контроля

Изначально сенсоры  настроены так, что оправка сообщения  о срабатывании детектора радиационного производится только при включенном наблюдении. Сигнальный пакет структурно содержит адрес отправителя и причину отправки (API Id). Информационный пакет со сведениями о источнике питания API Id=0х97, информационный пакет API Id=0x92.

Описание работы программы

В программе заданы переменные различных типов для вычисления хранения вычисленных результатов, массивы для формирования баз данных по детекторам и зонам наблюдения.

При запуске программы  производится открытие виртуального COM-порта (Приложение 1.1) (эмулирован микросхемой FT232RL) и инициализация приемного модуля-координатора. При успешном завершении операции координатор запускает процесс формирования сети (см. приложение 1.5) – 20-60 секунд. Причем, сенсоры уже должны быть включены. Координатор формирует сеть и по команде (кнопка «Опросить детекторы» - команда ND) предоставляет сведения об участниках сети. На следующем этапе производится размещение детекторов на карте (Приложение 1.3) и ассоциирование их с зонами наблюдения. При наступлении необходимости в наблюдении производится операция постановки на наблюдении (кнопка «Активизировать наблюдение»).

В программе задан цикл с периодом 10 секунд для опроса состояния батарей сенсоров и измерения радиолиний (RSSI) – каждому участнику поочередно отправляется соответствующий пакет-запрос (Приложение 1.4). Данный механизм позволяет оперативно получать информацию о целостности беспроводной сети.

Опрос состояния радиационных детекторов на наличие тревожного сигнала производится каждые 20 секунд. Временные параметры могут быть изменены. В случае наличия сообщения-тревоги производится оповещение диспетчера системы радиационного наблюдения (Приложение 1.2).

Массив данных детекторов содержит сведения о присоединенных к системе сенсорах: их уникальные и сетевые адреса, порядковый номер, местоположение на карте, RSSI и информацию о заряде батареи.