TXD RXD RXD TXD GND GND 3.1. THIẾT KẾ PHẦN MỀM
Bước thiết kế cơ sở trình bày trong mục 3.3 trên đây đã hoàn tất cơ sở phần cứng của toàn bộ hệ thống. Phần đo tín hiệu lúc này cần một lưu đồ thuật toán để có thể hoạt động ổn định, và cho ra kết quả đo, trong khi khối IP Modem đã sẵn sàng gửi dữ liệu (sau những thiết lập thực hiện ở mục IP Modem). Nhiệm vụ của các phần mềm bao gồm:
- Thiết lập hoạt động cho Vi xử lý nhận thông số từ đầu đo và truyền thông số đến IP Modem
- Xây dựng phần mềm máy tính có nhiệm vụ nhận, dữ liệu qua Cổng đã thiết lập (Chi tiết trong mục 3.3.5, Cổng 8686), sau đó giải mã và xử lý các tín hiệu đó Các bước thiết lập được trình bày dưới đây
3.1.1. Lập trình Vi điều khiển ATmega 8
Lưu đồ thuật toán của khối vi xử lýđo và phát tín hiệu (hoạt độ phóng xạ) được đưa ra ở các hình dưới đây
66
Phương pháp lập trình code Vi điều khiển là sử dụng ngôn ngữ C# bằng phần mềm biên soạn Codearvision. Ưu điểm của phương pháp này là có thể sử dụng những khối có sẵn, biên soạn nhanh chóng, hiệu quả và chính xác. Phần Code C được trình bày trong phụ lục.
3.1.2. Lập trình phần mềm hiển thị hoạt độ phóng xạ
Vấn đề đầu tiên với phần mềm này là lựa chọn loại giao thức liên lạc. Giao thức lựa chọn cho đề tài là TCP/IP (thiết kế của IP Modem), về cơ bản không hẳn là giao thức, mà là cụm giao thức, Giao thức điều khiển truyền (TCP), và Giao thức Internet (IP).
67
Hình 3-18 Bốn (4) lớp TCP/IP
TCP/IP có bốn lớp: Application, Transfer, Internet và Network. Những chương trình nói chuyện với lớp Application. Trong lớp Application sẽ tìm thấy những giao thức Application như: SMTP (cho Email ), FTP ( để truyền file ) và HTTP ( cho duyệt Web ). Sau khi chương trình xử lí yêu cầu, giao thức trong lớp Application sẽ nói chuyện tới giao thức khác từ lớp Transfer, thông thường là TCP. Lớp này có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ lớp trên gửi xuống, chia chúng thành những gói (Packet) và gửi tiếp những gói này xuống lớp phía dưới, Internet. Trong lớp Internet chúng ta có giao thức IP (Internet Protocol) mà lấy những gói được nhận từ lớp Transport và thêm thông tin địa chỉ ảo, có nghĩa là thêm địa chỉ của máy tính mà đang gửi dữ liệu và địa chỉ của máy tính sẽ nhận dữ liệu này. Những địa chỉ ảo này được gọi là địa chỉ IP. Sau đó gói được gửi tới lớp thấp hơn, Network Interface. Trong lớp này dữ liệu được gọi là Datagram. Network Interface sẽ lấy những gói được lớp Internet gửi đến và gửi chúng lên mạng (hoặc nhận chúng từ mạng, nếu máy tính đang nhận dữ liệu).
Dưới đây đề cập đến một số hình thức gửi nhận dữ liệu khác, và khái quát so sánh chúng với phương án đã chọn (IP Modem). Chính những so sánh này là một trong những nguyên nhân chính lựa chọn IP Modem thực hiện chức năng truyền phát dữ liệu không dây cho đề tài.
i) So sánh TCP/IP với một số phƣơng án lựa chọn giao thức khác:
- UDP (User Datagram protocol) dễ mất dữ liệu, TCP gửi nhiều gói nhưng bảo mật và đảm bảo. UDP phục vụ những dịch vụ yêu cầu tốc độ cao, ví dụ game online, tốc độ cao và bỏ qua bước kiểm tra lỗi, trong khi TCP phục vụ ứng dụng yêu cầu độ ổn định, đảm bảo truyền dữ liệu chính xác tuyệt đối. Trong khi TCP đảm bảo kết nối an toàn song phương (giữa hai thiết bị), thì UDP có thể gửi đi nhiều gói dữ liệu cùng lúc.
68
ii) So sánh mạng GPRS với một số phƣơng án lựa chọn mạng trao đổi dữ liệu khác:
- RF (Radio Frequency) là phương án hoàn toàn không phù hợp với đề tài, do phạm vi hoạt động hạn chế (~40km, so với lựa chọn GPRS phủ sóng rộng khắp)
- Zigbee có tính bảo mật thậm chí còn cao hơn, tốn ít tài nguyên hệ thống (4- 32kB, so với tối thiểu 16MB của GPRS). Một ưu điểm nổi trội nữa của Zigbee là chi phí sản xuất thấp, là lợi thế rất lớn để sản xuất thiết bị số lượng lớn trong công nghiệp. Thế nhưng Zigbee có những hạn chế khiến nó không phù hợp với đề tài, là tốc độ đường truyền thấp (20-150kb/s, trong khi GPRS có thể vượt 128kB/s tùy hạ tầng nhà mạng), phạm vi truyền hẹp (hiệu quả trong 10-75m, rõ ràng không thích hợp với hệ thống đo phóng xạ đòi hỏi đảm bảo an toàn cho người giám sát)
Mặc dù trong tương lai những cải tiến công nghệ trong lĩnh vực truyền thông có thể khiến những nhận định và so sánh ở trên không còn chính xác, vẫn có thể kết luận tương đối rằng phương án truyền dữ liệu sử dụng cho đề tài là hoàn toàn phù hợp.
Quay trở lại với hệ thống đo lường và giám sát phóng xạ, sau khi qua truyền thông RS232, tín hiệu đo nồng độ phóng xạ được truyền qua giao thức TCP/IP và được truyền đến Trung tâm thông tin (Data Center- trong trường hợp này là máy tính cá nhân). Giao diện máy tính được lập trình trên phần mềm Visual Studio 2012.
Phần mã chương trình được trình bày hoàn chỉnh trình bày trong Phụ lục. Ở đây đề cấp đến các chức năng chính được lập trình cho phần mềm này bao gồm:
- Khai báo thư viện, tạo cổng, mở cổng, tạo biến timer để vẽ đồ thị
- Giải mã dữ liệu từ IP Modem gửi về. Phần này được thực hiện với thông tin cung cấp của nhà sản xuất IP (Ví dụ thông số đo là 59, IP Modem sẽ mã hóa và gửi đi dưới dạng HT593CS. Có thể thấy có ký tự mã hóa được thêm vào đầu và cuối của số liệu đo)
- Alarm hiển thị ba mức, trong thực tế thường sẽ là mức: điều kiện bình thường, điều kiện phóng xạ cao, điều kiện nguy hiểm. Các thông số thiết lập này có thể thay đổi tùy theo nhu cầu sử dụng, khuyến cáo tham khảo các tiêu chuẩn an toàn phóng xạ cho khu vực liên quan. (Các mức cảnh báo được thể hiện bằng các đèn màu khác nhau. Đây là dạng cảnh báo đơn giản nhất. Trong thực tiễn
69
các phương pháp cảnh báo cần được mở rộng như loa, còi, gửi tin nhắn (tham khảo mục giới thiệu IP Modem))
- Lưu dữ liệu dạng .txt, hỗ trợ lưu lược sử (history) và trích xuất (export) phục vụ thông số vận hành điện hạt nhân
- Đồ thị ứng dụng Zed Graph, dữ liệu thời gian thực, các thao tác liên quan đến đồ thị, Zoom, lưu ra file ảnh. Có thể mở rộng sau này như thêm thuật toán để tính giá trị trung bình, so sánh các thời điểm…
- Nhận biết và hiển thị thông báo trong trường hợp mất tín hiệu, trường hợp đầu đo gặp sự cố hoặc nguyên nhân khác dẫn đến việc gửi và nhận tín hiệu bị gián đoạn
- Sau này có thể mở rộng đẩy dữ liệu lên Internet, giao diện phần mềm có thể nhúng trên web để công chúng có thể truy cập và theo dõi
Hình 3-19 Giao diện phần mềm hiển thị trên máy tính
Phần mềm chạy trên nền Windows, tương thích các phiên bản và không đòi hỏi cài đặt. Các bước khởi động phần mềm rất đơn giản (các bước thiết lập trước đó, bao gồm mở cổng và thiết lập IP Modem phát tín hiệu, đã trình bày trong mục trước)
70 - Nhập cổng đã thiết lập (port forward) ở phần trước (Mục 3.3.6)
- Bắt đầu thao tác xử lý dữ liệu hiển thị
- Thao tác xử lý trong trường hợp sự cố
3.2. HỆ THỐNG HOÀN CHỈNH – THIẾT LẬP VẬN HÀNH
Khối đo phóng xạ được hoàn chỉnh dựa trên lý thuyết được trình bày ở những phần trên
71
Hình 3-21 Thiết lập hệ thống giám sát và truyền phát dữ liệu hoàn chỉnh
Trong đó khối đo phóng xạ được kết nối với khối phát dữ liệu qua RS232 dạng 2 đầu âm đối xứng
Hình 3-22 Kết nối IP Modem với MAX232
Kết quả nồng độ phóng xạ được đo hiển thị lên giao diện máy tính như hình dưới đây (Máy tính đặt ở khoảng cách xa hơn 30km đến điểm đo)
72
73
CHƢƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Để có các biện pháp giảm thiểu và kiểm soát bức xạ môi trường hiệu quả, đầu tiên chúng ta cần đặt ra các giới hạn, tiêu chuẩn phát thải phóng xạ và các hệ đo bức xạ môi trường tiêu chuẩn. Các phương án áp dụng hệ thống giám sát vào thực tiễn cũng như các mở rộng, nghiên cứu bổ sung cần được đề xuất với mục tiêu đưa hệ thống vào hoạt động thực tế.
4.1. THÀNH QUẢ ĐẠT ĐƢỢC
Qua quá trình thực hiện luận văn học viên rút ra các kết luận sau:
- Nắm được các phương pháp sử dụng đầu đo phóng xạ khác nhau, bao gồm đầu đo buồng ion, đầu đo bán dẫn và đầu đo tinh thể nhấp nháy. Đề xuất lựa chọn đầu đo phù hợp thực tiễn là đầu đo SBM-20
- Thiết kế được mạch đo nồng độ phóng xạ dùng vi điều khiển ATMega8 - Thiết lập được hệ thống truyền thông không dây dùng bộ IP Modem GPRS
F2103
- Xây dựng phần mềm cho Vi điều khiển dùng ngôn ngữ: CodeVisionAVR - Viết được phần mềm trên máy tính giám sát dùng Visual Studio 2012.
4.2. ÁP DỤNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT PHÓNG XẠ PHỤC VỤ NMĐHN
Ngày nay có rất nhiều loại hệ thiết bị được sử dụng để đo kiểm tra bức xạ môi trường. Có thể phân loại chúng theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau, thí dụ:
- Hệ đo được đặt ở trạm cố định hay có thể di động. - Hệ đo ở trên không hay ở trên mặt đất.
- Hệ được sử dụng để đo loại bức xạ.
- Hệ chỉ cho biết số xung tổng cộng đếm được trong một khoảng thời gian nhất định hay còn cho biết cả phổ năng lượng của bức xạ.
- Hệ dùng để phân tích phổ năng lượng hay phổ khối lượng của hạt bức xạ.
- Hệ có thể dùng để đo liều hoặc suất liều bức xạ, hay chỉ đo được tốc độ đếm trung bình của các xung điện gây bởi bức xạ.
- Đầu dò được sử dụng nhạy với từng loại bức xạ. - v.v…
Tùy thuộc vào mục đích cụ thể mà lựa chọn loại hệ thiết bị phù hợp. Có thể thấy rõ hơn điều này qua trường hợp cụ thể sau đây.
74
Khi cần dò quét để kiểm tra nhanh một bề mặt rộng lớn thì nên dùng hệ đo di động trên mặt đất hoặc trên không. Nếu hệ di động trên mặt đất thì phụ thuộc nhiều vào hệ thống đường xả. Trong trường hợp này hệ do di động được trên không tỏ ra có ưu thế hơn vì không phụ thuộc vào hệ thống đường xá, song, vì nó cách mặt đất xa hơn nên độ nhạy của nó có thể sẽ bị kém hơn.
Ở Pháp, người ta đã sử dụng hệ đo di động đặt trên máy bây lên thẳng, có khả năng đo phóng xạ mặt đất với tốc độ chuyển động 70km/h ở độ cao 40m, với đầu ghi bức xạ bằng chất nhấp nháy NaJ đã đạt được độ nhạy như sau :
- Đối với 137Cs : * 1-2 kBq/m2 (nguồn rải trên bề mặt 2000m2). * 20 MBq (nguồn điểm).
- Đối với 60Co : * 1kBq/m2 (nguồn rải trên bề mặt 2000m2). - Đối với 241Am : * 15kBq/m2 (nguồn rải trên bề mặt 2000m2).
Để vẽ được bản đồ phóng xạ đầu tiên cho vùng diện tích mặt đất rộng (5-10) km2 bằng hệ thiét bị này chỉ cần khoảng 4 giờ.
Ngoài việc lựa chọn hệ thiết bị với tính năng thích hợp, việc xét tới giá tiền của hệ đo cùng những chi phí phát sinh là vấn đề không thể tránh khỏi và thường đòi hỏi một sự tính tảo lạnh lùng.
Song, một hệ thiết bị dù tinh xảo và hoàn hảo đến đâu cũng không thể là vạn năng được. Các hệ đo có thể được xây dựng trên những nguyên tắc hoạt động khác nhau, có những tính năng và công dụng khác nhau, nhưng có thể bổ sung cho nhau tốt. Do đó sử dụng cả một tập hợp các hệ đo là điều rất cần được chú ý, và thậm chí nên được coi là một nguyên tắc linh hoạt (tuỳ theo khả năng tài chính) khi xây dựng cơ sở thiết bị để thực hiện nhiệm vụ đo đạc, kiểm tra, theo dõi nhằm kiểm soát bức xạ môi trường.
4.2.1. Giới hạn phát thải và tiêu chuẩn phát thải hiện hành
Đặc tính kỹ thuật các điều kiện giới hạn trong vận hành lò phản ứng của nhà máy điện Nguyên tử được thống kê trong chỉ dẫn các đặc điểm kỹ thuật đảm bảo rò rỉ phát thải ở mức thấp nhất cho phép. Các tiêu chuẩn này bao gồm các mục sau :
Nếu sự rò rỉ thực tế các chất phóng xạ trong vòng 3 tháng vượt quá số liệu theo thiết kế hàng năm hoặc là lượng rò rỉ thực tế trong vòng 12 tháng vượt quá 4 lần số liệu thiết kế, thì uỷ ban an toàn phải có hành động đối phó ngay.
Bảng 4-1 Lƣợng rò rỉ phóng xạ cho phép theo thiết kế
Loại rò rỉ Số liệu
Lỏng
Tổng hoạt tính (trừ Trium và khí trơ hoà tan) (tính cho 1 tổ máy cơ sở
75
Tổng liều tại nhà máy cho toàn thể lò 5mrem/năm Khí trơ (cho tất cả các loại lò)
Tổng liều cơ thể 5 mrem/năm
Tổng liều chiếu trong 15mrem/năm
Bụi
Tổng hoạt tính 1 cur/năm/lò
Tổng liều chiếu trong của các đồng vị phóng xạ
15mrem/năm
Bảng 4-2 Đặc tính kỹ thuật liên quan đến môi trƣờng - rò rỉ phóng xạ
Rò rỉ Giới hạn cho phép rò rỉ Hành động ứng phó Trong vòng 3 tháng Trong vòng 12 tháng Chất lỏng 2,5 - 10 cur - Xác định nguyên nhân
Khí trơ * 5-10 mrem/tại chỗ - Hiệu chỉnh lại
I ốt 7,5-30mrem/tại chố - Xác định trong vòng 30 ngày
0,5-1 cur - -
Chất lỏng
> 10 cur > 20 cur Ngăn chặn rò rỉ
4.2.2. Áp dụng vào các hệ thống giám sát môi trƣờng quanh NMĐHN
Các hệ thống giám sát môi trường xung quanh NMĐHN sẽ đóng góp một phần quan trọng trong việc giảm thiểu tác hại cuả chu trình năng lượng hạt nhân tới môi trường. Hệ thống giám sát phóng xạ với các mục tiêu mở rộng có thể ứng dụng cho những nhiệm vụ sau đây
i) Hệ thống kiểm soát bức xạ
Hệ thống kiểm soát bức xạ (bên trong phạm vi cơ sở phóng xạ) sẽ thực hiện những nhiệm vụ như sau
- Bảo quản tình trạng sẵn sàng làm việc chính xác của các dụng cụ đo.
76 - Nhanh chóng đo sơ bộ kiểm soát bức xạ môi trường.
- Đo kiểm soát nhiễm xạ qua đường tiêu hoá.
- Lấy mẫu môi trường và phân tích.
- Đánh giá dữ liệu.
- Kiểm soát xu hướng nhiễm xạ.
ii) Hệ thống đánh giá liều bức xạ ở ngoài phạm vi nhà máy
- Kiểm tra thành phần của nguồn bức xạ.
- Kiểm tra các dữ liệu về khí tượng.
- Kiểm tra các dữ liệu chiếu xạ.
- Xem xét tương quan giữa các dữ liệu ở trong nhà máy và ở môi trường bên ngoài.
iii) Hệ thống kiểm soát và đánh giá liệu bức xạ cá nhân
- Xử lý các dụng cụ đo liều bức xạ cá nhân.
- Đánh giá liều bức xạ
- Kiểm soát và cho phép chiếu xạ.
- Cấp giấy phép cho làm việc.
- Các biện pháp đặc biệt để bảo vệ an toàn bức xạ.
iv) Hệ thống phân tích tai nạn (sự cố)
- Đánh giá tình trạng của các hệ thống an toàn chính và của các lớp chắn sản phẩm phân hạch.
- Xếp loại tai nạn.
v) Hệ thống thông tin công cộng
Nhanh chóng cảnh báo cho dân chúng trong khu vực lân cận chịu ảnh hưởng và công chúng trong nước bằng các phương tiện cảnh báo khác nhau
4.3. ĐỀ XUẤT MỞ RỘNG
Thực tế trong chương III, song song với lựa chọn phương án tối ưu để thiết lập phần cứng hệ thống, luận văn này cũng chú ý đề cập đến những công việc cần tiếp tục