基于无线通信技术的便携式伽玛能谱仪研制

    彭晓光　付广　蔡晓波　王倞豪

    摘要：随着社会经济和科学进步的飞速发展，无线电通信技术获得了长足进步，在诸多领域中被广泛应用。便携式伽玛能谱仪主要对野外地质进行勘测，传统的伽玛能谱仪存在诸多缺陷，直接影响了实际的测量效果。现简要分析基于无线通信技术的便携式伽玛能谱仪的研制方法，力求为今后的相关工作提供可靠的参照。

    关键词：无线通信技术；便携式伽玛能谱仪；蓝牙技术；掌上电脑

    中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）13-0043-02

    伽玛能谱仪属于一类重点探测天然与人工不稳定核素的设备，在环境监测、地质勘测、原子核物理学以及粒子物理学等方面得到了大量的应用，测量效果显著。由于其主要在野外环境下工作，对使用便捷性和节能性等方面设定的标准相对严格。因此，可以将无线通信技术应用到伽玛能谱仪中，获得了较好的效果。以下为具体的研制方法。

    1 基于无线通信技术的便携式伽玛能谱仪研制理念

    1.1 数字化伽玛能谱仪探头

    该研究采用先进的数字伽玛能谱仪设计理念，把高电压电源、前置电路系统、主放大器、脉冲信号峰值保持电炉、多道脉冲幅度分析器、多道数据缓存器和全球定位系统模块加装到伽玛能谱仪探头之中。最后得到数字化、一体化的伽玛能谱仪探头。这种伽玛能谱仪探头传输的信号不是较弱的脉冲信号，却是一类通过单片机控制系统处理之后的数字化信号。此类数字信号通过单片机串口传输到可以直接发布指令的计算机中。其结构设计方式提升了伽玛能谱仪抵御干扰的能力，并便于能谱仪探头与主机的信号无线传输。与此同时，在伽玛能谱仪探头中安装了全球定位系统模块，对检测点进行定位，并且采集数据，借助单片机控制系统传输到可以下达操作指令的计算机中。利用计算机的谱数据处理系统把测量点的定位数据和测量信息储存在相同的文件内，满足了测量点定位要求。

    1.2 信号无线传输

    最近些年，无线通信协议与相关的无线通信产品快速发展，且获得了广泛的应用。短距无线通信上，蓝牙技术凭借其经济性、高速性、穿透性、全面性以及信号稳定性等优势获得了业内的肯定和大量的应用。蓝牙技术的相关产品在个人计算机、手提电脑、掌上电脑，、手机、汽车电子产品、家用电器产品以及工业机械设备等领域中获得了大量的应用。本文将重庆金瓯百米蓝牙内嵌模块安装到伽玛能谱仪中[1]，满足了能谱仪探头与主机彼此的无线通信功能。其属于一类线缆替代设计，此类蓝牙内嵌模块能够和单片机控制器直接相连，应用即插即用模式，使仪器彼此之间的无线信号传输变得更加透明。在蓝牙内嵌模块和系统连接无误的情况下，且在通电启动后，主从设备就会自主相连，同时对接入设备进行辨别和记忆。此后，用户设备能够如同应用一条串口线的方式应用该模块。能谱探头之中的单片机控制系统借助串口和内嵌模块实现连接，单片机控制系统串口传输与收到的信号借助蓝牙模块功能转化成蓝牙通信协议和对应设备实行信息交换。所以，要求主机设备必须要拥有蓝牙数据传输功能。

    当前，具备图像显示与信息处理能力的蓝牙系统设备为：手提电脑和掌上电脑。其中，手提电脑的功耗很高，通常情况下，持续运行时间为5小时左右，很难达到野外测量的长时间持续测量的标准需求。而掌上电脑在充满电的情况下，可以进行野外持续进行测量工作几天之久。且掌上电脑的体积更小，也更加便携。野外测量移动过程中，能够把掌上电脑装进口袋，非常便捷。此外，掌上电脑应用Windows Mobile（WM）系统，这种操作系统是微软针对嵌入条件进行研发的，其具备抢先式、多任务和多线程的系统，能够以这种系统平台为基础，使用Windows操作系统中的应用程序编程接口函数功能，研发出针对伽玛能谱仪的测量软件系统。所以，应用具备蓝牙功能的掌上电脑为能谱仪的主机，应用蓝牙传输协议和能谱探头之间进行信号交换。这种设计理念下的便携式伽玛能谱仪满足了主机与能谱仪探头之间的分离要求。与此同时，主机能够加装第三方研发的信号数据处理系统。在进行野外实地数据测量和信息处理的过程中，变得更加便捷，且数据测量和数据处理得到的结果更加精确可靠[2]。

    1.3 便携式伽玛能谱仪软件系统研发

    应用软件研发能够分成谱数据采集、设备谱线的处理、测量数据分析以及文件操作几方面。因掌上电脑能够提供蓝牙虚拟串口功能（这种蓝牙虚拟串口是寻优模型系统），如何和别的蓝牙模块（此处仅代表伽玛能谱仪的探头）相连，则能够应用串口模式实行蓝牙通信，并得到能谱信号数据。通过WM系统中的图形设备端口，能够实行谱线处理，在Windows操作系统下，进行谱数据的写入和读取也变得非常方便。在测量数据的分析方面，可应用原有的方式进行谱线处理，与标定方程相结合，计算出野外测点中的放射源理论值。

    2 便携式伽玛能谱仪各项技术指标检测

    2.1 便携式伽玛能谱仪的功耗检测

    原有的便携式伽玛能谱仪主要应用电池进行电力供应，能谱仪的功耗通常为主机处理系统与能谱仪探头的运行功耗两方面。所以，便携式伽玛能谱仪的功耗很高，通常持续运行时间≤8h，要频繁地换电池或者进行充电。而本文研制的便携式伽玛能谱仪主机应用掌上电脑，主要应用生产厂家配备的锂电池进行电力供应，能够不间断运行3天到5天。通过实际的检测，数字化便携式伽玛能谱仪探头的运行电流大约为180毫安，应用可充电的12Ah两节锂电池进行电力供应。在满电情况下不间断运行时间>60h，很大程度提升了野外不间断测量的时间，进而提升了测量效率。

    2.2 便携式伽玛能谱仪的通信距离和抗干扰能力检测

    蓝牙内嵌模块的通信距离通常小于10m，能够有效在野外测量空旷地区中应用。该研究中，在实验室对便携式伽玛能谱仪进行检测。实验结果可以看出，没有遮挡物的前提下，蓝牙模块的通讯距离为10m。把数字化便携式伽玛能谱仪探头放在房中，相隔一面墙的前提下，

    通讯距离为6-7m之间，长时间检测数据信号的传输无异常。蓝牙内嵌模块主要应用分散网络、短包以及跳频技术，可以进行点对点和点对多点的通讯连接。其主要运行在通用的2.4GHz ISM国际频段之中，和正常工作生活应用的各类设备之间无干扰影响。因此，这种便携式伽玛能谱仪的抗干扰性很高[3]。

    2.3 便携式伽玛能谱仪的其他技术指标检测[4]

    ① 便携式伽玛能谱仪的能量分辨率：8%；② 便携式伽玛能谱仪的检出限：铀为1 ppm， 钍为1.8ppm，钾为0.17%；③ 便携式伽玛能谱仪能量分析范畴：50keV -3MeV之间；④ 便携式伽玛能谱仪谱数据的存储量随着掌上电脑扩容的提升而提升；⑤ 便携式伽玛能谱仪的稳定性：有大约8h的稳定性，相对偏差不高于6%。

    3 便携式伽玛能谱仪未来的升级和改进方案

    便携式伽玛能谱仪的主机与探头之间实现了分离、实现了无线数据信号的传输和接收、

    实现了主机的微型化、实现了操作系统的完善，使便携式伽玛能谱的野外测量变得更加便捷。这种设计理念下的便携式伽玛能谱仪也能够在包含电磁干扰、高辐射和高放射性的检测环境中应用，降低或者避免了射线源对测量人员身体产生的放射损害。而由于电子通信科技的飞速进步，能谱仪依然要持续进行更新与完善，通常反映在如下几点：第一，故障远程判断功能，需要在便携式伽玛能谱仪出现问题的情况下，在远程控制中心实行远程故障判断与系统维护；第二，便携式伽玛能谱仪测量联网，采集数据通过互联网实时传送给数据处理部门，使其准确把握实际测量场地铀、钍和钾的分布特性；第三，便携式伽玛能谱仪采集数据的深度处理功能，当前时期，主机中的谱分析处理功能只可以对实际测量点的数据实行简单的分析处理，通过WM系统系统，研发出能够针对实际测量地区谱数据实行实时分析处理的软件，能够对野外测量工作进行实时指导[5]。

    4 总结

    综上所述，将无线通信技术应用到便携式伽玛能谱仪中，可以在保证各项基本测量功能的前提下，提升伽玛能谱仪使用的便捷性，降低能耗，并且提升了数据处理能力。进而在野外勘测的过程中，切实提升了工作效率和勘测数据的精确性。因此，基于无线通信技术的便携式伽玛能谱仪研制具备非常重要的意义。

    参考文献：

    [1] 高志滨，乐仁昌，张鑫煌，等.伽玛能谱仪远程控制系统的设计与实现[J].计算机工程与设计，2014（6）：2214-2217，2223.

    [2] 胡致远，宋洋洋，袁研根，等.微功率无线通信技术在电力线路中的适应性分析[J].电力系统自动化，2014（8）：113-118.

    [3] 王毅凡，周密，宋志慧.水下无线通信技术发展研究[J].通信技术，2014（6）：589-594.

    [4] 李苒，杨丽军.无线通信技术的发展趋势分析[J].产业与科技论坛，2014（5）：132-133.

    [5] 刁彩萍.现代无线通信技术的发展现状及未来发展趋势探析[J].电子制作，2015（1）：161.