基于无线传感器网络的放射性核素水土污染监测定位系统

摘要

本发明公开了一种基于无线传感器网络的放射性核素水土污染监测定位系统，包括定位监测节点、基站节点及综合处理服务器；基站节点用于与定位监测节点进行通信；综合处理服务器通过有线网络连接基站节点；定位监测节点与基站节点之间采用ZIGBEE标准通信；定位监测节点包括信标节点及非信标节点，信标节点包括GPS定位模块，第一微处理器模块、第一存储模块、第一ZIGBEE模块、第一传感器模块、第一模数转换模块及第一电源模块。本发明能使监测定位系统的实用性大大提高；基于GPS和ZIGBEE的双模定位技术，平台扩展性极强，可同时加载多个节点，还可以加载各种传感器；具有低耗能、超长待机、体积小、重量轻、便于携带和适应各种恶劣环境的特点。

说明书

技术领域

本发明属于放射性铀尾矿库污染监测领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的放射性 核素水土污染监测定位系统。

背景技术

放射源能够放射出穿透力很强的射线，应用范围广泛：医疗上它可照射人体肿瘤，杀死 癌细胞；农业上它可照射农产品，灭菌防腐；金属工业上它可用来寻找焊接金属的瑕疵，进 行工业探伤；用放射源制成的料位计、核子秤等计量仪表受温度、湿度等环境因素影响的程 度较小，运行可靠；但放射源也是一柄双刃剑，如果在应用过程中操作或保管不当，就有可 能发生事故，造成放射性污染，将对环境造成严重危害，且必将影响人的健康和安全。

铀作为重要的核原料被广泛应用于核电站、军工等许多领域，近年来核电和军工的快速 发展，也加快了铀矿资源的开采，产生了大量铀尾矿，在其周边存在放射性核素水土污染问 题。因此，对放射性核素水土污染程度的监测和污染范围的定位等实时管理就显得非常重要， 目前国内对铀尾矿库放射性核素水土污染的在线无线实时监测定位还没有成熟的方法及相应 的设备，传统的有线监测放射性核素水土污染的方法繁琐、低效、成本高。

GPS是GloblePositioningSystem的缩写，意思为全球定位系统，它是由美国政府历经20 多年，耗资120亿美金而实施的一项庞大的宇宙及航天工程。该系统可以在全球范围内全天 候地为地面目标提供信息，从而确定该目标在地面上的精确位置、速度、运行方面等参数。

现在，人们越来越意识到GPS作用的重大及其应用领域的广阔，除军事应用外，它已被 广泛应用于航天、航空、航海、测量、勒探等诸多领域，随着GPS接收板价格的不断下降和 其性能的不断提高，GPS适用范围越来越广。

目前，现有的GPS定位装置的结构包括：计算机与控制单元，计算机与控制单元控制 GPS芯片，GPS芯片与卫星接收天线相连，另外计算机与控制单元还设有外部控制与各种接 口、LED显示器和电源。其工作原理是：首先卫星接收天线接收到卫星信号，然后把信号传 递给GPS芯片得到具体的坐标信息，坐标信息再由计算机与控制单元转换，显示在LED显 示器上。其缺点在于：传统GPS只能工作于卫星信号较好的场合，一旦信号衰减，或者信号 丢失，GPS也就失效了。

发明内容

本发明的目的之一是为解决现有技术中存在的问题，提供一种能实时监测、定位放射性 污染的基于无线传感器网络的放射性核素水土污染监测定位系统。

本发明提供一种基于无线传感器网络的放射性核素水土污染监测定位系统，包括定位监 测节点、基站节点及综合处理服务器；所述基站节点用于与所述定位监测节点进行通信；所 述综合处理服务器通过有线网络连接所述基站节点；所述定位监测节点与基站节点之间采用 ZIGBEE标准通信；

所述定位监测节点布设在铀尾矿库及其周边区域，包括少量的信标节点和大部分非信标 节点。信标节点含有GPS定位模块、第一微处理器模块、第一存储模块、第一ZIGBEE模块、 第一传感器模块、第一模数转换模块及第一电源模块；所述GPS定位模块与所述第一微处理 器模块串口相连，用于将接收的定位数据发送给所述第一微处理器模块进行处理；所述第一 微处理器模块连接所述第一ZIGBEE模块，将所述定位数据通过第一ZIGBEE模块传输至其 它非信标节点；所述第一微处理器模块通过所述第一模数转换模块连接所述第一传感器模块； 所述第一微处理器模块还连接所述第一电源模块及第一存储模块；所述第一电源模块为所述 GPS定位模块，第一微处理器模块、第一存储模块、第一ZIGBEE模块、第一传感器模块及 第一模数转换模块进行供电，提供节点正常运行所需的能量；所述非信标节点包括第二微处 理器模块、第二存储模块、第二ZIGBEE模块、第二传感器模块、第二模数转换模块及第二 电源模块，所述非信标节点通过接收周边少数信标节点的GPS定位信息，由ZIGBEE无线传 感器网络定位算法来定位自身位置。

进一步的，所述第一ZIGBEE模块上还设有接收天线及发送天线；用于建立ZIGBEE无 线传感器网络，与其他节点进行数据的接收及发送。

进一步的，所述第一传感器模块及第二传感器模块均包括核辐射传感器、湿度传感器及 温度传感器。

进一步的，所述的第一存储模块及第二存储模块内存储有与其位置唯一对应的位置编码 信息。

进一步的，所述的第一电源模块及第二电源模块电压范围在6V～12V。

本发明的有益效果在于，本发明提供的基于无线传感器网络的放射性核素水土污染监测 定位系统，布设多个定位监测节点覆盖整个监测区域形成无线传感器网络，使系统实现了实 时在线核素污染放射性监测定位，无需人员去现场检测，降低了成本又方便，相比传统技术 大大提高了监测系统的时效性、安全性；基于GPS和ZIGBEE的双模定位技术，平台扩展性 极强，可同时加载多个节点，还可以加载各种传感器；由于ZIGBEE标准为免费使用的无线 通信标准，因此节省了大量许可使用费，进而降低了成本。同时具有低耗能、超长待机、体 积小、重量轻、无线布设方便和适应各种恶劣环境的特点。

附图说明

图1所示为本发明基于无线传感器网络的放射性核素水土污染监测定位系统的网络拓补 图。

图2所示为本发明中信标节点模块示意图。

图3所示为本发明中非信标节点模块示意图。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的 技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的 技术效果。

如图1所示，本发明提供一种基于无线传感器网络的放射性核素水土污染监测定位系统， 包括定位监测节点3、基站节点2及综合处理服务器1；基站节点2用于与定位监测节点3进 行通信；综合处理服务器1通过有线网络连接基站节点2；定位监测节点3之间、定位监测 节点与基站节点2之间均采用ZIGBEE标准通信；

如图2及图3所示，定位监测节点3分为信标节点4和非信标节点5，少量的信标节点4 和大部分非信标节点5布设在铀尾矿库及其周边区域，信标节点4包括有GPS定位模块450、 第一微处理器模块410、第一存储模块430、第一ZIGBEE模块460、第一传感器模块420、 第一模数转换模块470及第一电源模块440；GPS定位模块450与第一微处理器模块410串 口相连，用于将接收的定位数据发送给第一微处理器模块410进行处理；第一微处理器模块 410连接第一ZIGBEE模块460，将定位数据通过第一ZIGBEE模块460传输至其它节点；第 一微处理器模块410通过第一模数转换模块470连接第一传感器模块420；第一微处理器模 块410还连接第一存储模块430；第一电源模块440为GPS定位模块450、第一微处理器模 块410、第一存储模块430、第一ZIGBEE模块460、第一传感器模块420及第一模数转换模 块470进行供电，提供节点正常运行所需的能量。非信标节点5包括第二微处理器模块510、 第二存储模块530、第二ZIGBEE模块550、第二传感器模块520、第二模数转换模块560及 第二电源模块540，非信标节点5通过接收周边少数信标节点4的GPS定位信息，由ZIGBEE 无线传感器网络定位算法来定位自身位置。

进一步的，第一ZIGBEE模块460上还设有接收天线及发送天线；用于建立ZIGBEE无 线传感器网络，与其他节点进行数据的接收及发送。

进一步的，第一传感器模块420及第二传感器模块520均包括核辐射传感器423、湿度 传感器422及温度传感器421。

进一步的，第一存储模块430及第二存储模块530内存储有与其位置唯一对应的位置编 码信息。

进一步的，第一电源模块440及第二电源模块540电压范围在6V～12V。

首先，GPS定位模块450将接收到的位置信号进行分析及解码，解码的信号再送给第一 微处理器模块410处理，第一微处理器模块410对信号处理，让其符合ZIGBEE的传输协议。 同时，传感器模块将采集得到的放射性参数、环境参数的模拟信号经模数转换模块转变为数 字信号后传输给微处理器模块，微处理器模块将放射性参数、环境参数及位置信号传输给 ZIGBEE模块；ZIGBEE模块通过接受天线及发送天线将信号发送，靠近基站节点2的定位监 测节点3直接发送给基站节点2，否则转发到其他节点经过多次转发后，信号传送给基站节 点2，上位机把传送过来的信息，经过比对，排序，定位计算，最终显示在显示器上。

当无法接收到卫星信号的情况下，ZIGBEE定位系统自动启动，首先，综合处理服务器1 发送请求给基站节点2，基站节点2接到请求后开始上报周围的定位监测节点3，定位监测节 点3可把自身的位置编码上传发送至综合处理服务器1。

在实际操作中，监测定位系统中的基站节点2接收综合处理服务器1通过有线通信网络 发来的命令，验证、解析成功后再经由定位监测网络将命令传送给每个定位监测节点3，定 位监测节点3的微处理器模块唤醒节点端程序，传感器模块开始监测、采集放射源及其环境 温度、湿度及放射量信息，并通过模数转换模块将采集的信息转换为数字信息，微处理器模 块再对此数字信息进行加密处理，并存储至存储模块，以保证数据的完整性，ZIGBEE模块 可与其他定位监测节点3和基站节点2之间进行无线通信，将接收或采集的信息发送给基站 节点2，基站节点2再将信息传送回综合处理服务器1，综合处理服务器1通过专用的接口设 备接收发送来的信息，并将其经解密后汇总处理。

在整个监测定位系统中，每个定位监测节点3都能与其相邻节点通讯，形成多跳自组网， 定位监测节点3上的数据可被相邻节点多跳转发，即使某一个定位监测节点3失效，其他定 位监测节点3仍能够直接的或间接地监测、采集网络中每一个区域的放射性污染信息并将其 传送给基站节点2，实现对整个放射性核素水土污染区域的有效监控；所述的基站节点2都 有一定容量的内存，可在基站节点2与综合处理服务器1失去连接的情况下，接收并暂存来 自定位监测节点3的数据信息，确保数据信息的安全传输。

本发明提供的基于无线传感器网络的放射性核素水土污染监测定位系统，布设多个定位 监测节点覆盖整个监测区域形成无线传感器网络，使系统实现了实时在线核素污染放射性监 测定位，无需人员去现场检测，降低了成本又方便，相比传统技术大大提高了监测系统的时 效性、安全性；基于GPS和ZIGBEE的双模定位技术，平台扩展性极强，可同时加载多个节 点，还可以加载各种传感器；由于ZIGBEE标准为免费使用的无线通信标准，因此节省了大 量许可使用费，进而降低了成本。具有低耗能、超长待机、体积小、重量轻、无线布设方便 和适应各种恶劣环境的特点。

本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离 本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本 文的实施例作为本发明权利范围的限定。