基于Zigbee技术的测氡仪设计

    α 测氡仪被广泛地应用在环境和土壤氡水平监测评价、工程地质勘探和核工业部门环境氡监测等科学领域中。 但在实际的仪器操作中，传统的 α 测氡仪需要工作人员对仪器实时看护，这样有可能会造成对人的辐射和吸入性的内照射， 对身体健康造成危害。 此外，α 测氡仪常用于野外工作，硬件组成之间都必须通过烦琐的信号线彼此连接，这给野外工作带来不便。 在地形复杂的区域还需要较大的网络覆盖。 为了解决这些存在的问题，在对比了蓝牙、Wi－Fi、IrDA、NFC、UWB 等当前主流近距离无线通信技术后，设计了将 Zigbee 技术应用于 α 测氡仪的方案。

    1 α 测氡仪的硬件结构

    α 杯法是累积测氡技术，是将 α 杯埋在底下某一深度，吸附氡的衰变子体218PO、214PO、212PO等，一定时间后取出，用 α 辐射仪测量其 α 射线计数率，从而了解氡的分布情况，解决有关地质问题。 图 1 是 α 测氡仪硬件框图， 其探测器是常压空气脉冲电离室，它由中心电极、电离室壁、优质绝缘体、保护环和电离室盖等组成。 电离室壁加有－900V 的高压，中心电极通过电阻接地，从而在电离室内形成高压电场。 当 α 射线使电离室内的空气电离时，电离离子就会被中心电极收集，形成脉冲信号；对该微弱信号通过低噪声、 高增益放大器进行放大； 甄别器将噪声脉冲剔除，将有用信号送往微控制器，然后通过 RS－232 接口传至上位机。 当电池电压过低时，报警器就会报警。

    考虑到硬件成本、研发周期及现有产品转型方便的需要，选择单芯片集成 SoC 方案，选用带增强型 8051 内核的 CC2430。图 2 是内嵌 Zigbee 芯片的系统设计。这种解决方案能够提高性能并满足以 Zigbee 为基础的 2．4GHz ISM 波段应用对低成本、 低功耗的要求。 CC2430 芯片采用 0．18μm CMOS 工艺生产，工作时的电流损耗为 27mA，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于 27mA 或 25mA。 CC2430 的休眠模式和转换到主动模式超短时间的特性， 特别适合那些要求电池寿命非常长的应用，这就给野外作业带来了很大的方便。

    2 系统软件结构

   2．1 系统软件分层

    Zigbee 使用 IEEE 802．15．4 规范作为介质访问层 （MAC）和物理层（PHY），其网络层协议和 API 则由 Zigbee 联盟进行标准化。 图 3 是 Zigbee 协议分层。 完整的 Zigbee 协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。 网络层以上 协议由 Zigbee 联盟制 定 ，IEEE802．15．4 负 责 物 理层和链路层标准。应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到Zigbee 网络上，具体而言包括：①安全与鉴权；②多个业务数据流的会聚；③设备发现；④业务发现。网络层将主要考虑采用基于 ad hoc 技术的网络协议，应包含以下功能：①通用的网络层功能，拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含了寻址、路由和安全；②同 IEEE802．15．4标准一样，非常省电；③有自组织、自维护功能，以最大程度减少消费者的开支和维护成本。