Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra informatiky

(1)

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky

Katedra informatiky

Autonomní senzor pro měření radiace Autonomous Senzor for Radiation Detection

Rok 2015 Bc. Jiří Otáhal

(2)

.

(3)

………..………

podpis studenta

(4)

Poděkování

Rád bych poděkoval Ing. Danielu Stříbnýmu za odbornou pomoc a konzultaci při vytváření této bakalářské/diplomové práce.

(5)

Abstrakt

Předkládaná práce se zabývá návrhem autonomního senzoru pro měření radiace na platformě Raspberry Pi. Tento senzor má být schopen pomocí bezdrátové technologie vytvořit senzorovou síť pro měření zamořené oblasti. První část práce se zabývá druhy ionizujícího záření a způsoby jeho měření pomocí elektrických detektorů. V druhé části je potom popsáno připojení zvoleného detektoru na platformě Raspberry Pi. Vytvoření sítě mezi senzory pro sběr naměřených hodnot, dále je v této části popsán způsob řešení úspory energie při provozu na baterii. Konec druhé části práce je věnován popisu programové části senzoru. Třetí a poslední kapitola je potom věnována zhodnocení výsledného senzoru a jeho porovnání s komerčním detektorem.

Klíčová slova

Raspberry Pi; mesh; síť; radiace; Geiger-Müller; detektor; Arduino; Python; ionizující záření;

(6)

Abstract

This Master's thesis deals with design of an autonomous sensor for measuring radiation on the platform of the Raspberry Pi. This sensor has to be capable of using wireless technology to create a sensor network for the measurement of the contaminated area. The first part of the thesis deals with the types of ionizing radiation and the methods of its measurement by electrical detectors. The second part is focused on connection of the selected detector on the platform of the Raspberry Pi, the creation of a network between the sensors for the acquisition of measured values and a way of solving the energy storage when system runs on battery. The end of the second part is devoted to the description of the programming of the sensor. In the third and the last chapter is devoted to the evaluation of the final sensor and its comparison with the commercial detector.

Key words

Raspberry Pi; mesh; network; radiation; Geiger-Müller; detector; Arduino; Python;

ionizing radiation;

(7)

Seznam použitých zkratek

Zkratka Význam Popis

DNS Domain Name System hierarchický systém doménových jmen LXDE Lightweight X11 Desktop

Environment

grafické uživatelské rozhraní pro unixové systémy

DOS Disk Operating System operační systém Mac OS Macintosh Operating

System

operační systém od firmy Apple

C /C++ programovací jazyk

API Application Programming

Interface

rozhraní pro programování aplikací

ARM Ashton Raggatt

McDougall

typ architektury procesorů GPU graphic processing unit grafická výpočetní jednotka

SD Secure Digital typ paměťové karty

GPIO General Purpose Input/Output

označení skupiny pinu na desce Raspberry Pi počítače

HDMI High-Definition Multimedia Interface

typ grafického portu

RCA typ konektoru pro připojení audia a videa

DSI Display serial interface rozhraní pro připojení displeje CSI Camera Serial Interface rozhraní pro připojení kamery MCU Microcontroller unit mikrokontrolér

ICSP In-Circuit Serial Programming

protokol firmy Microchip pro sériové programování mikrokontrolérů.

PWM Pulse Width Modulation pulzně šířková modulace

TRRS audio konektor pro mobilní telefony

USB Universal Serial Bus univerzální sériová sběrnice I²C Inter-Integrated Circuit typ počítačové sériové sběrnice SPI Serial Peripheral Interface typ sériové sběrnice

(8)

UART universal asynchronous receiver transmitter

univerzální asynchronní sériová komunikace

Wifi wireless fidelity standard pro lokální bezdrátové sítě specifikace IEEE 802.11.

ZigBee bezdrátová komunikační technologie

popsaná v standardu IEEE 802.15.4 WiMAX Worldwide

Interoperability for Microwave Access

bezdrátová komunikační technologie popsaná v standardu IEEE 802.16

ISO/OSI referenční model počítačových sítí

IPv4 Internet Protocol version 4 internetový protokol verze 4 IPv6 Internet Protocol version 6 internetový protokol verze 6 DHCP Dynamic Host

Configuration Protocol

automatické přidělení IP adresy cpm Counts per minute udává počet impulzu za minutu

SQL Structured Query

Language

dotazovací jazyk pro práci v relačních databázích

ad-hoc peer to peer dočasná bezdrátová síť mezi dvěmi a více zařízeními

multi-hop bezdrátová síť používající dvou nebo více přeskoků pro předání informace ze zdroje do místa určení.

V Volt jednotka elektrického napětí

A Ampér jednotka elektrického proudu

Sv Sievert jednotkou ekvivalentní dávky ionizujícího

záření

eV Elektronvolt jednotka energie

R Rentgen jednotka expozice ionizujícího záření

W Watt jednotka výkonu

B Bajt označuje velikost dat v informatice

APT Advanced Packaging Tool balíčkovací systém používaný v Debian GNU/Linuxu a jeho derivátech

(9)

Obsah

Úvod ... - 1 -

1 Radioaktivita a její detekce ... - 2 -

1.1 Druhy radioaktivního záření ... - 2 -

1.1.1 Záření alfa... - 2 -

1.1.2 Záření beta ... - 2 -

1.1.3 Záření gama ... - 3 -

1.2 Biologické účinky záření ... - 4 -

1.2.1 Dávkové limity ... - 6 -

1.3 Principy detekce ... - 6 -

1.4 Elektronické detektory ... - 7 -

1.4.1 Ionizační komory ... - 7 -

1.4.2 Geiger-Müllerovy detektory ... - 8 -

1.4.3 Scintilační detektory ... - 9 -

1.4.4 Polovodičové detektory ... - 10 -

1.5 Výběr detektoru ... - 12 -

2 Návrh řešení a jeho implementace ... - 13 -

2.1 Volba programovacího jazyku a operačního systému ... - 13 -

2.1.1 Python ... - 13 -

2.1.2 Wiring ... - 14 -

2.2 Použité platformy ... - 14 -

2.2.1 Raspberry Pi ... - 14 -

2.2.2 Arduino ... - 16 -

2.3 Detektor záření ... - 18 -

2.3.1 Radiation Detector DIY Kit ver. 3.00 ... - 18 -

2.3.2 Připojení Raspberry Pi k detektoru ... - 19 -

2.4 Řízení spotřeby ... - 20 -

2.5 Bezdrátová komunikace ... - 25 -

2.5.1 Mesh síť ... - 25 -

2.5.2 Batman-avd ... - 26 -

(10)

2.5.3 Konfigurace sítě ... - 27 -

2.6 Implementace programu ... - 28 -

2.6.1 Modul geigercont ... - 29 -

2.6.2 Modul radlog ... - 30 -

2.6.3 Modul arduinoKom ... - 30 -

2.6.4 Modul klient ... - 31 -

2.6.5 Modul radlogser ... - 32 -

2.6.6 Modul server ... - 33 -

2.6.7 Modul server_klient ... - 34 -

2.6.8 Komunikační schéma ... - 34 -

2.6.9 Klientská aplikace ... - 34 -

3 Zhodnocení senzoru ... - 36 -

Závěr ... - 37 -

Použitá literatura ... - 38 -

(11)

Úvod

- 1 -

Úvod

Cílem této práce je sestavit autonomní senzor pro měření radiace. Vzhledem k tomu že v minulosti došlo k několika závažným nehodám jaderných elektráren a k jedné došlo v nedávné době, proto je otázka jaderné ochrany pořád důležitá. Z toho důvodu je zajímavá myšlenka na vytvoření levného detektoru, který by byl dostupný každému a zároveň by umožňoval kolektivní sdílení naměřených údajů. Takový senzor by měl být postaven na dostupné platformě s dostupným detektorem. Právě vytvoření takového senzoru bude popsáno v této práci.

První část této práce je zaměřena na seznámení se s radioaktivitou a způsoby její detekce. Jsou zde popsané druhy radioaktivity, jejích účinky na hmotné prostředí a způsob šíření. Dále je zde kapitola věnována účinkům radioaktivního záření na živý organizmus. Další kapitola se věnuje principu detekce radioaktivního záření, kde jsou podrobněji popsány elektrické detektory. Konec první části je věnovaný výběru vhodného detektoru. Kde jsou vyhodnoceny aspekty, jako jsou výhody a nevýhody vybraného detektoru oproti konkurenčním typům.

Druhá část je věnována samotné implementaci senzoru pro měření radioaktivity.

Nejprve jsou představeny vybrané platformy jak softwarové tak hardwarové. Je zde popsán vybraný operační systém a důvod jeho výběru. Následuje výběr hlavního programovacího jazyku, pomocí něhož bude vytvořena programová část práce. Po této kapitole jsou představeny hardwarové platformy jejich parametry, možnosti a omezení. Další kapitola je věnována seznámení s vybraným detektorem radioaktivního záření. Jsou popsány jeho parametry a způsob připojení k hlavní platformě. Následně je popsán způsob řízení spotřeby snímače a popis implementace bezdrátové komunikace. Kde je seznámení se sítí typu mesh, vybraným protokolem a způsob jakým ji můžeme vytvořit na síti wifi. Konec této části je věnován popisu vytvořeného programu. Jsou zde popsány jednotlivé části programu a jejich funkce.

Poslední část je věnována zhodnocení hotového senzoru. Kde je provedeno porovnání naměřených hodnot s komerčním typem senzoru. A zhodnocena možnost uplatnění a případné další vylepšení

(12)

Radioaktivita a její detekce

- 2 -

1 Radioaktivita a její detekce

Radioaktivita je přeměna nestabilního jádra určitého prvku ve stabilní jádro jiného prvku, nebo v jádro prvku takového, který ke stabilnímu jádru jiného prvku vede. Tato přeměna je doprovázena emisí radioaktivního záření. Radioaktivita se dělí na přirozenou a umělou radioaktivitu.

Přirozená radioaktivita je samovolná přeměna jádra prvku v jiné. Dochází k ní u prvků volně se vyskytujících v přírodě, tyto prvky jsou označované jako radioaktivní.

Umělá radioaktivita je podmíněná přeměna jádra prvku v jiné. Prvky mohou získat umělou radioaktivitu pomocí jaderné reakce. V přírodě se prvky s umělou radioaktivitou běžně nevyskytují, bývají vytvářeny uměle v laboratořích. Umělá radioaktivita se řídí stejnými zákonitostmi jako přirozená.[6]

1.1 Druhy radioaktivního záření

Při radioaktivitě vznikají tři druhy záření: alfa, beta, gama 1.1.1 Záření alfa

Záření alfa je tvořeno tokem jader helia nazývaných částice alfa. Při průchodu částic alfa hmotným prostředí dochází k ionizaci. Při srážce částic alfa s atomy jsou vytvořeny kladné a záporné ionty tím, že vyrazí z elektronového obalu elektron. Vzhledem k tomu, že částice alfa při ionizaci ztrácí velmi rychle svojí energii, je jejich dosah velmi malý. V plynech je to v řádech několika centimetrů, v kapalinách a pevných látkách jsou to zlomky milimetru. Proto pro zastavení šíření částic alfa do prostředí postačí hrubší vrstva papíru.[6]

1.1.2 Záření beta

Záření beta je tvořeno elektrony nebo pozitrony, které vznikají při beta rozpadu jádra prvku. Pozitrony vznikají při přeměně protonu na neutron uvnitř jádra a elektrony při přeměně neutronu na proton. Při průchodu beta částic hmotným prostředím mohou nastat tři jevy:

 Elastický rozpad - vlivem elektrických sil dochází k rozptylu beta záření na jádrech a na elektronech v obalech. Výsledkem tohoto jevu je změna směru beta záření.

Tento jev se projevuje převážně u pomalých elektronů.

 Ionizace - stejně jako u alfa záření i u beta záření dochází při průchodu hmotným prostředím k ionizaci. Ionizace je hlavní příčina ztráty energie u beta záření, ale oproti alfa záření je ionizační schopnost beta záření nižší.

 Brzdné (rentgenové) záření - vzniká bržděním rychle letících elektronů beta záření při průchodu elektrickým polem jádra. Takto vzniklé brzdné záření má mnohem větší pronikavost něž původní beta záření. Energie brzdného záření záleží na energii beta záření a na atomovém čísle absorbujícího prvku. U těžkých prvků je tato

(13)

- 3 - energie větší než u lehkých. Z tohoto důvodu je nutno brát zřetel při výběru vhodného stínicího materiálu.

Záření beta oproti záření alfa ztrácí při průchodu hmotným prostředí znatelně méně energie, proto je dosah beta záření mnohem větší. Dosah beta záření zaleží na jeho počáteční energii a složení prostředí (lehké/těžké prvky). Nejlepším stíněním proti beta záření je materiál z lehkých prvků, například plexisklo.[6]

1.1.3 Záření gama

Záření gama tvoří elektromagnetické záření takzvané fotony s velmi krátkou vlnovou délkou v řádu 10⁻¹¹ až 10⁻¹³ m. Vzniká při jaderných reakcích nebo při radioaktivním rozpadu, kdy přechází jádro prvku z vyššího energetického stavu na nižší. Zářičů, jenž produkují čisté gama záření je velice málo. Většinou je s gama zářením produkováno i alfa a beta záření. Průchod gama záření hmotným prostředím způsobuje vytváření elektricky nabitých částic s dostatečnou energií, takovou že mohou prostředí ionizovat a excitovat. Gama záření je tedy záření nepřímo ionizující a vyvolává tři interakce s hmotným prostředím.

 Fotoefekt - částice gama záření předá veškerou svou energii elektronu v atomovém obalu prvku. Je-li takto předaná energie větší než výstupní práce daného elektronu, dojde k uvolnění tohoto elektronu z elektronového obalu. Pokud tímto způsobem dojde k uvolnění elektronu z vnitřního orbitu obalu, je tento elektron nahrazen elektronem z vyššího orbitu a přebytečná energie je vyzářená ve formě fotonu. Takto vyzářený foton má však velmi nízkou energii, takže je většinou hned pohlcen v okolním materiálu. Z tohoto důvodu představuje foto efekt prakticky úplné pohlcení gama záření. Pravděpodobnost výskytu fotoefektu klesá s rostoucí energii gama záření a naopak stoupá s atomovým číslem prvku absorbující gama záření.

Obrázek 1.1: Fotoefekt.

 Comptonův rozptyl - jedná se o interakci částic gama záření s volným nebo velmi slabě vázaným elektronem v obalu atomu. Při této interakci předá částice gama záření část své energie elektronu a posune ho. Po této interakci pokračuje částice s nižší energií (větší vlnovou délkou) dále v pohybu, avšak odlišným směrem.

(14)

- 4 - Obrázek 1.2: Comptonův rozptyl

 Tvorba páru elektron - pozitron - k tomuto jevu dochází, když má částice gama záření energii větší než 1,02 MeV. Při této energii může být částice gama záření zcela pohlcena v elektrickém poli atomového jádra a přitom vznikne dvojice elektronů a pozitronů. Případná přebytečná energie částic gama záření, která nebyla spotřebována na vytvoření páru, je tomuto páru předána v podobě kinetické energie.

Obrázek 1.3: Tvorba párů

Oproti částicím alfa a beta záření pronikají částice gama záření snadněji přes materiály a je velmi těžké je odstínit. V dnešní době se pro stínění nebo alespoň částečného odstínění používá vrstva olova. [6]

1.2 Biologické účinky záření

Účinky záření na živou hmotu se nejprve řídí obecnými zákony, které platí i pro neživou hmotu. Stejně jako u neživé hmoty i v hmotě živé dochází k ionizaci a excitaci, přičemž je absorbována energie záření. Na tyto fyzikální procesy navazuje řada dalších dějů podmíněných složitou organizací živé hmoty. Pozorovatelné účinky ionizujícího záření mají svůj počátek vždy v dějích, které vyvolává ionizující záření v buňkách. Tyto děje můžeme rozdělit do dvou skupin, a to smrt buňky nebo její neschopnost se dále dělit a změna cytogenetické informace.

 Smrt buňky - jeden z případů usmrcení buňky může nastat již v klidovém období, což je interval mezi dvěma buněčnými děleními. Tento účinek však předpokládá úplnou změnu buněčných složek, tedy vystavení relativně vysoké dávce záření.

(15)

- 5 - o Dalším a významnějším typem buněčné smrti je zánik vázaný na buněčném dělení.

Poškození buňky se neprojeví okamžitě, ale tím, že buňka není schopna se dále dělit.

Tento druh smrti buňky se pozoruje při menších dávkách, které nestačí na vyvolání smrti v klidovém období. Z toho lze odvodit, že smrtící účinek záření na buňky se nejvíce projeví ve tkáních, ve kterých probíhá rychlé buněčné dělení.

 Změna cytogenetické informace - druhou skupinou buněčných poruch jsou změny, které bezprostředně nenarušují průběh buněčného dělení. Jedná se o změny v genetických informací buňky, uložených v jejím jádře, takzvaných genech. Záření vyvolává mutace genetické, týkající se zárodečných žláz a propagují se do dalších generací. Ty jsou odpovědné za genetické účinky záření. Dalším typem mutace jsou mutace somatické, které se týkají ostatních orgánů a tkání. Důsledky somatické mutace se projevují u jejího nositele v ozářené tkáni a mají vztah ke vzniku rakoviny.

Biologické účinky záření dále závisí na dávce záření, to je celková energie, kterou záření předalo buňkám. Buňky však mají jistou schopnost opravit poškození pomocí reparačních mechanizmů. Tyto mechanizmy se však mohou projevit jen tehdy, není-li přísun energie do buněk příliš rychlý. Proto účinek záření závisí také na dávkovém příkonu.

To znamená, je-li buňka ozářena dávkou, která je rozprostřena kontinuálně na delší dobu, nebo je rozdělena na několik menších dávek s časovými prodlevami. Mohou buňky uplatnit za takových podmínek své reparační procesy.[6]

Dalším faktorem ovlivňující biologické účinky záření na živou hmotu je míra radiosenzitivity dané živé hmoty. Obecně platí, že největší radiosenzitivitu vykazují tkáně, v nichž probíhá rychlé buněčné dělení.

Biologické účinky záření dále rozdělujeme na dva typy, a to na stochastické a deterministické:

 Deterministické účinky: jde o účinky, k nimž dochází v důsledku smrti části ozářené buněčné populace. Jejich závažnost vzrůstá s dávkou od určitého dávkového prahu a mají charakteristický klinický obraz. Do této skupiny patří například akutní nemoc z ozáření nebo radiační zánět kůže.

 Stochastické účinky: jde o účinky vyvolané mutacemi a předpokládá se pro ně bezprahový lineární vztah mezi dávkou a účinkem. Závislost těchto účinků na dávce má statistický charakter, proto se nyní označují jako účinky stochastické. Velikost dávky záření nemění závažnost poškození, ale zvětšuje pravděpodobnost výskytu poškození v ozářené populaci. Klinický obraz těchto účinků není typický, to znamená, že ho nelze odlišit od účinku vzniklých jiným vlivem. Do této skupiny patří zhoubné nádory a genetické změny.

(16)

- 6 - 1.2.1 Dávkové limity

Dávkové limity představují nejvyšší přípustné dávky, které mohou radiační pracovníci i jednotlivci z obyvatelstva obdržet. Jsou to závazné kvantitativní ukazatele, jejichž překročení není z hlediska radiační ochrany přípustné.

Tabulka 1.1: Dávkové limity Obecné limity Efektivní dávka

 za kalendářní rok

 za dobu pěti po sobě jdoucích kalendářních roků Ekvivalentní dávka

 v oční čočce za kalendářní rok

 v 1 𝑐𝑚² kůže za kalendářní rok

1 mSv 5 mSv 15 mSv 50 mSv

Limity pro radiační pracovníky Efektivní dávka

 za kalendářní rok

 za dobu pěti po sobě jdoucích kalendářních roků Ekvivalentní dávka

 v oční čočce za kalendářní rok

 v 1 𝑐𝑚² kůže za kalendářní rok

50 mSv 100 mSv 150 mSv 500 mSv

1.3 Principy detekce

Radiometrické přístroje a měřící metody jsou založeny na vlastnostech ionizujícího záření a na jeho interakci s hmotným prostředím. Základní blokové schéma radiometrického přístroje je na obr 1.4.

Obrázek 1.4: Blokové schéma radiometrického přístroje

Radiometrický přístroj může pracovat na dvou principech, a to měřením střední hodnoty proudu na detektoru nebo registrací jednotlivých impulsů z detektoru. Podle účelu měření lze přístroje rozdělit na:

 Radiometry - sloužící ke stanovení úrovně radioaktivity v daném prostoru

 Spektrometry - měřící energii ionizujícího záření

 Průmyslová radiometrická zařízení - jsou určena k nejrůznějšímu využití radionuklidů v průmyslu, obsahují vhodný zdroj záření a měřicí aparaturu.

(17)

- 7 - Dále můžeme přístroje pro měření radioaktivity rozdělit podle způsobu měření, a to na kontinuální a integrální. Kontinuální přístroje informují průběžně o okamžité hodnotě radiačního pole, takže pokud není kontinuální přístroj momentálně ozařován, je jeho výstup nulový. Naproti tomu u integrálního přístroje se hodnota signálu zvětšuje s dobou ozařování.

Informace o naměřené hodnotě zůstává v integračním přístroji trvale uložená i po konci měření.

Mezi integrační přístroje patří například osobní dozimetry.

Posledním způsobem, jak můžeme přístroje na měření radiace rozdělit je dle principu detekce. V tomto dělení rozdělujeme přístroje pro měření radiace do tří hlavních skupin, elektronické detektory, fotografické detektory a materiálové detektory. Vzhledem k zaměření diplomové práce budou popsány pouze elektronickými detektory.[1][6][12]

1.4 Elektronické detektory

Jedná se o detektory, které převádí zachycenou energii ionizačního záření na proud nebo impulzy. Mezi nejpoužívanější detektory v této kategorii patří: ionizační komory, scintilační detektory a polovodičové detektory.

1.4.1 Ionizační komory

Jedná se o nejjednodušší elektronický detektor. Pro svoji funkci využívá ionizačních účinků radioaktivního záření. Ionizační komora, obr 1.5, se sestává ze dvou elektrod (anody a katody) různého tvaru, které jsou umístěny ve vhodné plynové náplni. Tyto elektrody se připojují k elektrickému obvodu, který jim dodává napětí v řádech stovek voltů.

Detekce ionizujícího napětí probíhá následovně: není-li ionizační komora vystavena záření, neprotéká jejím elektrickým obvodem žádný proud, protože plyn mezi elektrodami funguje jako izolant. Vnikne-li ale do prostoru mezi elektrodami ionizační záření, dojde k uvolňování iontů z atomů plynů. Tyto ionty jsou přiváděny k elektrodám ionizační komory a elektrickým obvodem komory, začíná protékat proud způsobený iontovou vodivostí. Tento proud je přímo úměrný intenzitě ionizačního záření.

Obrázek 1.5: Ionizační komora

(18)

- 8 - Podle druhu měřeného zářiče rozlišujeme jeho umístění vůči ionizační komoře.

Při měření alfa zářičů umísťujeme vzorek přímo do ionizační komory. Vzorky musí být velmi tenké vzhledem k silné samoabsorpci alfa záření. Zářiče beta vkládáme buďto přímo dovnitř ionizační komory, anebo je komora opatřena vstupním okénkem z materiálu o nízkém absorpčním koeficientu. V plynové náplni komory je absorbována pouze část energie beta záření, zbývající část je pohlcena stěnami komory a k ionizačnímu proudu nepřispívá. Proto je pro měření beta zářiče důležité zvolit komoru s vhodnými rozměry a tvarem. Ionizační komory pro měření gama záření využívají sekundární ionizace způsobené elektrony, které se uvolňují interakcí gama záření s náplní a stěnami ionizační komory. U silnějších zářičů je možno k měření ionizačního proudu použít velmi citlivé galvanometry, většinou se však používají elektrometry. [1][6][12]

Ionizační komory se nejvíce využívají v dozimetrii při stanovení dávky. Nenahraditelné jsou v provozech s vysokými teplotami, kde ostatní detektory nemohou spolehlivě pracovat.

1.4.2 Geiger-Müllerovy detektory

Jedná se vlastně o hermeticky uzavřenou ionizační komoru trubicovitého tvaru, jejíž obal je povětšinou tvořen z kovu, případně z plastu. Vnitřek je vyplněn zředěným plynem o nižším tlaku, jako je atmosférický. Tato komora je dále připojena k elektrickému obvodu, který dodává na elektrody komory napětí. Dodávané napětí je zvoleno tak, aby komora pracovala v oblasti Geiger-Müllerově oboru, obr 1.6 (oblast IIIB). To je oblast napětí (400V - 1000V), při kterém je sekundární ionizace, vzniklá nárazem iontu na atom, již tak velká, že dochází k lavinovitému zmnožení elektronů a iontů. Dochází tak k takzvanému lavinovému výboji.

Obrázek 1.6: Ionizační obory

Detekce záření pomocí Geiger-Müllerového detektoru probíhá následovně: při průchodu každé nabyté částice detektorem vznikne v detektoru lavinový výboj, který se rozšíří po celém objemu detektoru. Tento výboj vyvolá na detektoru připojeném k zátěžovém odporu R napěťový impulz, který je zpracován v příslušné elektronice elektrického obvodu. [1][6][12]

Po každé detekci je ale nutné vzniklý výboj v co nejrychlejším čase přerušit, jinak nelze detekovat nové částice. Na ukončení výboje se podílejí dva faktory. Jednak je to úbytek napětí

(19)

- 9 - na odporu R, tím se sníží napětí na elektrodách detektoru, to má za následek snížení produkce sekundárních elektronů. Dalším faktorem je použití samo zhášecího media uvnitř detektoru.

Nejčastěji to bývají páry metylalkoholu nebo bromu. Časový interval pro obnovení detektoru po detekci nabité částice se nazývá mrtvá doba (Dead-Time). [1][6][12]

Obrázek 1.7: Schéma Geiger- Müllerovýho detektoru

Využití Geiger-Müllerových detektorů v dnešní době je velmi rozsáhlé. Vděčí tomu díky své finanční dostupnosti a své jednoduchosti. Používají se především v aplikacích pro méně náročné měření, jako jsou například: měřiče kontaminace v radiační ochraně, hlásiče radiace a monitorovací systémy.

1.4.3 Scintilační detektory

Využívají pro detekci záření vlastnosti některých látek takzvanou scintilaci. Jedná se o vlastnost, při které dopadající ionizační záření v látce vyvolá slabé světelné záblesky.

Scintilace jsou podmíněny existencí luminiscenčních center, která vznikají vniknutím iontů cizího prvku do krystalové mřížky iontového krystalu. Takto vzniká aktivovaný scintilátor, například jodid sodný aktivovaný thaliem NaJ(Tl), používaný k detekci gama záření. Vedle této uvedené látky lze samozřejmě využít i scintilačních vlastností dalších druhů látek. Používají se scintilátory anorganické, organické, kapalné a plastické. Scintilační detektor se sestavuje ze scintilátoru, fotonásobiče a registračního zařízení, jeho schéma je na obr 1.8.

(20)

- 10 - Iontové záření dopadá na scintilátor a vyvolává v něm scintilace. Jelikož je směr pohybu fotonů vyvolaných scintilací náhodný, musí být scintilátor obklopen reflektorem, který odráží unikající fotony zpět do krystalu. Sebrané fotony ze scintilátoru dopadají po průchodu optickým kontaktem na fotokatodu fotonásobiče a uvolňují z ní elektrony, které se po urychlení elektrickým polem dostávají na první elektrodu fotonásobiče. Zde se fotoelektron znásobí a pokračuje k další katodě fotonásobiče, kde je děj opakován. Následkem toho, každý násobící proces vyvolává 10⁵− 10⁹elektronů, které následně dopadnou na anodu. Na připojeném zatěžovacím odporu tak vznikne napěťový impuls, který se dá dále zpracovat v registračním bloku. [1][6][12]

Obrázek 1.8: Scintilační detektor schéma

Scintilační a Geiger-Müllerovy detektory jsou si velice podobné. Scintilační detektor má však tři výhody oproti Geiger-Müllerovému. První výhodou je vysoká detekční schopnost, další je krátká mrtvá doba a poslední výhodou jsou spektrometrické vlastnosti.

1.4.4 Polovodičové detektory

Svým principem využití ionizačních účinků záření se polovodičový detektor podobá ionizačním komorám s tím rozdílem, že jako citlivé médium je použit místo plynu vhodný polovodičový materiál. Z elektronického hlediska se jedná v podstatě o diodu zapojenou v závěrném směru do elektronického obvodu o vysokém napětí. Tento obvod dosahuje napětí v rozmezí 1000V až 2000V a polovodičový detektor je do něj připojen přes rezistor s velkým ohmickým odporem obr 1.9.

(21)

- 11 - Jakmile se nabitá částice dostane do aktivní části polovodičového detektoru, dojde k ionizaci atomu křemíku nebo germania. Podle pásmové teorie přejde elektron v procese ionizace z valenčního pásma do vodivostního pásma. V důsledku toho se vytvoří pár elektron- díra. Tyto elektrony a díry se volně přemisťují pod vlivem vnějšího napětí k anodě, resp. ke katodě. Přitom elektrické pole od vnějšího zdroje a pole samotného přechodu P-N způsobuje rychlý sběr elektronů a děr na elektrodách. Tím dojde k uzavření elektrického pole obvodu.

Krátce ním bude protékat elektrický proud I a na připojeném zátěžovém odporu vznikne napěťový impuls, který je dále zesílen pomocí zesilovače. Amplituda impulsu na výstupu zesilovače je přímo úměrná celkovému sebranému náboji, a tedy energii detekovaného záření.

Amplitudovou analýzou výstupních impulsů můžeme tedy provádět spektrometrickou analýzu energie detekovaného záření, podobně jako u scintilačních detektorů. Kromě proudu I bude přes polovodič ustavičně protékat i šumový proud Iš. Nabitou částici lze zaregistrovat pouze tehdy, pokud Iš << I. Tato podmínka je splněna při Si detektorech, již při pokojové teplotě.

U Ge detektorů pouze při jejich chlazení kapalným dusíkem. [1][12]

Obrázek 1.9: Polovodičový detektor blokové schéma

Polovodičové germaniové detektory mají velmi dobrou energetickou rozlišovací schopnost pro záření gama. Avšak oproti scintilačním detektorům, mají nižší detekční účinnost pro záření gama a delší mrtvou dobu. Polovodičové detektory se využívají především pro účely, u kterých potřebujeme dosáhnout co nejlepší energetické rozlišovací schopnosti.

K detekci záření gama, X a vysokoenergetických částic se používají driftové detektory Si (Li) a Ge (Li), takzvané P-I-N detektory. V těchto materiálech jsou příměsi kompenzovány ionty lithia. Lithiové ionty (donory) poměrně snadno driftují do Si a Ge a kompenzují akceptory v materiálech typu P. Tloušťka P-N přechodu v takovém detektoru závisí na podmínkách driftu (teplota, napětí atd.). V současnosti se zhotovují například krystaly Ge (Li) s objemem citlivé vrstvy desetiny až stovky cm³. Tyto detektory musí pracovat, a také být skladovány, při teplotě kapalného dusíku. Detektory z velmi čistého germania (HPGe - High Purity Germanium) bývají používány pro detekci měkkého záření gama a X s vysokým rozlišením. Výhodou těchto

(22)

- 12 - detektorů je možnost tepelného cyklování, takže nevyžadují chlazení kapalným dusíkem při skladování. [1][12]

Pro detekci záření alfa a beta, které mají v látkách krátký dolet, se používají polovodičové detektory s povrchovou bariérou. Jsou vytvořeny tak, že na přední stranu vyleštěné křemíkové destičky polovodiče typu N je nanesena velmi tenká kovová vrstvička například ze zlata, která slouží zároveň jako elektroda i vstupní okénko detektoru. Zadní stěna bývá většinou poniklována a slouží jako druhá elektroda. Na takovou detekční diodu s P-N přechodem se přes pracovní odpor připojuje napětí cca 100-200V. Impulzy vzniklé detekcí částic se zpracovávají běžným způsobem pro polovodičové detektory. [1][12]

1.5 Výběr detektoru

Z výše uvedených druhů detektorů je pro účel této práce vybrán systém ionizační komory, a to konkrétně její speciální varianta Geiger-Müllerův detektor. Pro tento výběr mluví hned několik faktorů. Prvním je velmi velká rozšířenost tohoto detektoru a s tím související finanční dostupnost. Zvlášť Geiger-Müllerovy trubice pocházející z Ruska jsou velmi dostupné.

Dalším faktorem je jednoduchost tohoto detektoru, pro nějž jde najít více schémat zapojení či zakoupit přímo hotové plošné desky či jejich stavebnice. Posledním faktorem je, že není potřeba pro tento druh detektoru zvláštního druhu zacházení, jako je například chlazení dusíkem a podobně. Nevýhodou je menší přesnost detekce záření, neschopnost rozlišit druh záření a vyšší mrtvá doba. Tyto nevýhody ale pro účel této práce nejsou podstatné.

(23)

Návrh řešení a jeho implementace

- 13 -

2 Návrh řešení a jeho implementace

2.1 Volba programovacího jazyku a operačního systému

Vzhledem k tomu, že autonomní senzor pro měření radiace má být postaven na platformě Raspberry Pi, je zvolen operační systém a programovací jazyky tak, aby byly touto platformou podporovány.

Za operační systém je vybrán Raspbian, který je nejdéle vyvíjenou distribucí systému Linux pro Raspberry Pi. Raspbian je vlastně upravenou distribucí operačního systému Debian Wheezy armhf, která je optimalizována pro běh na platformě Raspberry Pi. Z důvodu omezení velikosti systému pro použití i na menších paměťových kartách obsahuje distribuce Rasbianu jen část softwaru, která je obsažena v distribuci pro stolní počítač. V základní distribuci Raspbianu jsou obsažené nástroje pro procházení webu, textový editor, nástroje pro programovací jazyk Python a Scratch a grafické uživatelské prostředí LXDE. Kromě předem připravených balíčků softwaru si může uživatel případné, chybějící balíčky doinstalovat pomocí správce balíčku APT. Tento systém je volně dostupný na oficiálních stránkách projektu Raspberry Pi a to buďto ve formě image, nebo v instalačním balíčku pro začátečníky. [2][11]

Pro řešení softwarové části práce je zvolen programovací jazyk Python, který má širokou podporu pro platformu Raspberry Pi a je v něm napsána většina projektů pro tuto platformu. Dalším faktorem, který je primární pro výběr, je velká základna knihoven napsaných pro tento jazyk a přímo určených pro Raspberry Pi, například knihovna pro práci s GPIO.

Další využitou platformou je Wiring. Jedná se o open-source framework pro programování mikroprocesorů. Wiring je využitá k naprogramování vývojové platformy Arduino pro potřeby řízení spotřeby, viz kapitola 2.1.2.

2.1.1 Python

Python je vysokoúrovňový objektově orientovaný programovací jazyk používající efektivní vysokoúrovňové datové typy, přičemž jednoduše a elegantně řeší otázku objektově orientovaného programování. Samotný interpret jazyka je spustitelný na velkém množství platforem včetně Linuxu, Windows, MacOS a DOS. Zdrojové kódy interpretů a standardní knihovny jazyka Pythonu jsou volně ke stažení z domovské stránky Pythonu, viz odkaz v závorce (http://www.python.org/). Jelikož jazyk python spadá pod open source licenci, lze tyto kódy volně modifikovat a distribuovat. Na této stránce lze nalézt také předkompilované instalační balíčky pro většinu podporovaných systémů a dále zde lze najít množství odkazů na další moduly, programy a nástroje usnadňující vývoj programu v Pythonu.[2][5][7]

Prostředí jazyka Python je snadno rozšiřitelné pomocí funkcí a datových typů napsaných v jazycích C/C++. Python lze také použít jako skriptovací jazyk pro aplikace v jiných jazycích.[5]

(24)

- 14 - 2.1.2 Wiring

Wiring umožňuje psát multiplatformní software pro ovládání zařízení připojených k široké škále mikrokontrolérů a vývojových desek všech druhů. Umožňuje vývoj kreativních aplikací na těchto zařízení. Framework Wiring byl vytvořen s ohledem na to, aby podpořil komunitu vývojářů a umožnil odborníkům z celého světa sdílet nápady, znalosti a jejich kolektivní zkušenosti pro začátečníky. Samotný framework Wiring je napsaný v jazyce C/C++

a programy napsané v tomto jazyce se převádí do C/C++ pro spuštění na mikrokontrolérech.

V psaní kódu je mezi C/C++ a Whring určitý rozdíl. Díky Whring API a knihovnám je dosaženo zjednodušeného programovacího stylu, který nevyžaduje, aby uživatelé hlouběji pochopili více pokročilé koncepty, jako jsou třídy, objekty a ukazatele. Výsledný kód je proto kratší a čitelnější.

2.2 Použité platformy

V rámci této práce jsou využity dvě platformy a to Raspberry Pi a Arduino.

Raspberry Pi je použita jako hlavní platforma pro vývoj autonomního senzoru pro měření radiace. Další platformu, využitou ve spolupráci s Raspberry Pi, je vývojová platforma Arduino.

Popis obou platforem bude uveden v následujících podkapitolách.

2.2.1 Raspberry Pi

Do dnešních dnů vzniklo několik variant tohoto mikropočítače. Jako první přišli varianty označené jako A a B. Tyto varianty byly postaveny na procesoru Broadcom BCM 2835. V roce 2014 přišly na trh vylepšené varianty původních modelů označené jako A+ a B+.

Poslední model Raspberry Pi přišel v roce 2015 označený jako Raspberry Pi 2 Model B.

Zde došlo k výměně původního procesoru BCM2835 za nový typ BCM2836.

Procesor BCM2835 i novější BCM2836 jsou typu SoC, to znamená, že většina hlavních systémových komponentů jako je CPU, GPU, zvukový a komunikační hardware jsou integrovány do jednoho čipu. Tento čip je na desce počítače ukryt pod operační pamětí, to platí pro všechny starší varianty. Poslední model Raspberry Pi 2 má paměťový čip umístěn zvlášť na desce. Operační paměť se liší dle modelu. Modely A a A+ disponují 256 MB, varianty B a B+

512 MB a nejnovější varianta Raspberry Pi 2 je vybavena čipem o kapacitě 1GB.

Procesor BCM2835 vychází z návrhu procesoru typu ARM, která se označuje jako ARM11. Tato varianta je navržená podle architektury instrukční sady ARMv6. V procesoru BCM2835 je obsaženo jedno ARM jádro typu ARM1176JZFS, které je taktované na 700Mhz nebo v přetaktovaném stavu na 800Mhz. Grafická část čipu má modelovou řadu VideoCore IV GPU. Tato jednotka je schopna přehrávat video BluRay kvality o rychlosti 40Mbits/s při použitém kódování videa H.264. Dále podporuje knihovny OpenGL ES2.0 a OpenVG.

Procesor BCM2836 zachovává architekturu předchozího BCM2835. Jedinou podstatnou změnou je odstranění ARM1176JZFS z procesoru a jeho nahrazení quad-core

(25)

- 15 - Cortex-A7 jádrem. Jak název napovídá, jedná se o čtyři ARM jádra postavená na architektuře instrukční sady ARMv7. Každé jádro pracuje při taktu 900Mhz. Grafický čip se nezměnil a jedná se stále o typ VideoCore IV GPU.

Základní konektorové vybavení je společné pro všechny modely. Skládá se z HDMI konektoru pro připojení k monitoru nebo TV, k připojení starších zobrazovacích zařízení slouží kompozitní výstup RCA. Další konektor, který lze využít pro připojení zobrazovacího zařízení je DSI pro připojení displeje podporující tento formát (od verze A+, B+ má podporovat i dotykové ovládaní). Pro zvukový výstup slouží u všech variant 3,5 mm konektor. Dále se na desce nachází CSI konektor pro připojení kamery a GPIO sloužící pro připojení různých periferií, jako jsou různé snímače, tlačítka, kontrolky a podobně. Součásti GPIO jsou i sběrnicové piny, pomocí níž se můžeme připojit k: I²C , SPI nebo UART. Poslední periferie společné pro všechny modely jsou USB port, microUSB port pro napájení a slot pro SD kartu.

Tato karta v Raspberry Pi slouží jako hlavní úložiště, na kterém je i nahrán operační systém.[3][11]

Rozdíly mezi jednotlivými verzemi:

Model A:

 Základní model s jedním USB portem a nízkou spotřebou a 256MB RAM Model B:

 Zvětšená paměť RAM oproti modelu A z 256MB na 512MB

 Přidán RJ45 konektorem se síťovím čipem

 Oproti modelu A přidán na desku USB hub a konektor s dvojicí USB portů

 Kvůli této dodatečné výbavě vzrostla spotřeba energie Model A+:

 Revizi modelu A

 Vylepšen napájecí obvod o spínaný zdroj, to má za následek zlepšení spotřeby v rozmezí 0.5 až 1 W.

 Rozšířen GPIO port z 26 pinu na 40 uspořádání, prvních 26 pinů zůstalo stejných jako u předchozí varianty kvůli zpětné kompatibilitě modulů pro tento port

 Další změnou je sloučení konektorů pro zvukový výstup a RCA konektoru do jednoho kombinovaného 3.5 mm konektoru

 Nahrazen slot pro SD kartu slotem pro microSD kartu, nyní už vložené karty nepřečnívají přes okraj desky

 Oproti původní verzi došlo ke zmenšení rozměru desky o 2 cm Model B+:

 Revize modelu B

 Obsahuje všechny změny provedené u verze A+ kromě změny rozměru desky, ty zůstávají stejné jako u modelu B

(26)

- 16 -

 Kromě těchto změn došlo u B+ k navýšení USB portů z dvou na čtyři, u kterých byl navýšen maximální dodávaný proud na více jak 1.2 A.

Pi2 model B:

 Vybavení je stejné jako u modelu B+.

 Hlavní změna je v použitém procesoru Broadcom BCM2836 a navýšení pěti RAM z 512MB na 1GB.

Všechny Raspberry Pí používají k napájení microUSB konektor na okraji desky.

Požadované napětí zdroje je 5V a minimální dodávaný proud se liší podle modelu.

U modelu A to je 500mA a u modelu B to je 700mA. Pro nejnovější Pi2 model B, pokud chceme naplno využít napájecí potencionál USB port, je doporučen adapter který poskytuje proud 2A. Další podstatnou informací je dodávaný proud USB porty na modelech A a B, který je omezen na 150mA. Po překročení této hranice dojde k aktivaci vratné pojistky a port se odpojí. Toto omezení je nutno brát na zřetel při potřebě připojit energeticky náročnou periferii, jako je například wifi USB adaptér. Řešení tohoto omezení je v podobě využití napájeného USB hubu. Poslední důležitou informací ohledně napájení je použitá napěťová úroveň 3,3V na GPIO portech. Tohle je důležité při připojování různých snímačů, kde velké množství z nich pracuje s napětím 5V.[3][11]

2.2.2 Arduino

Jak už bylo řečeno, jedná se o vývojové desky postavené na mikrokontrolérech od firmy Atmel. Kromě mikrokontroléru obsahuje většina desek ještě čip s převodníkem, který umožňuje komunikaci mezi deskou a dalším zařízením přes USB port. U desek, kde tento čip chybí je buď přímou součástí hlavního čipu, nebo nebyl nainstalován z důvodu rozměrů desky. V tomto případě je nutné pro spojení s deskou použít externí převodník.

V rámci projektu Arduino vzniklo několik typů desek. Ty se od sebe liší rozměry, výbavou desky a druhem použitého procesoru Atmel. Desky můžeme rozdělit podle velikosti na malé, které najdou uplatnění v projektech, u kterých je kladen požadavek na co nejmenší rozměry. V této kategorii najdeme desky Mini, která je nejmenší oficiální deska. Tato deska postrádá USB port, Nano a Micro. Do střední kategorie desek spadají desky Uno a jeho předchůdci, dále Leonardo a jako poslední Yún, jenž disponuje i ethernet portem. V kategorii největších desek najdeme Mega2560 a Due. Jedná se o největší řešení s nejvyšším počtem vstupně/výstupních pinů. Kromě oficiálních desek je možné zakoupit i mnoho klonů a napodobenin.

Základní vybavení jednotlivých desek je možné dále rozšiřovat. K rozšíření desek o nové funkce a periferie slouží shieldy, které jsou navrženy přímo pro daný typ desky. Mezi rozsáhlou nabídkou shieldu můžeme najít wifi shield, ethernet shield, motor shield (obr. 2.1) a mnoho dalších.

V této práci jsem využil Arduino Duemilanove, jenž je předchůdcem dnes nabízeného modelu Uno. Tento model byl představen v roce 2009. Je založen na mikrokontroléru

(27)

- 17 - ATmega168 nebo ATmega328, který je nainstalovaný na používané desce. Další součástí desky je 14 digitálně vstupních/výstupních pinů. Z toho 6 lze použít jako výstupy PWM. Na desce nechybí ani 6 analogových vstupů a 16Mhz krystalový oscilátorů. Desku lze propojit s počítačem pomocí USB portu typu B. Pro připojení k programátoru slouží na desce umístěné ICSP piny. Napájet desku můžeme prostřednictvím USB portu. Další možností je stejnosměrný zdroj připojený k napájecímu jacku nebo pomocí zdroje stejnosměrného napětí připojeného k VIN pinu. Doporučené rozmezí elektrického napětí pro napájení pomocí jacku nebo VIN pinu je 7 až 12 V. V tomto rozmezí bude napěťový regulátor, umístěný na desce, správně pracovat a dodávat stabilních 5 V na výstupy. [9][10]

Obrázek 2.1: Eternet shield Arduino Uno

Na desce se dále nachází čtveřice LED diod. Tyto LED diody označené Tx a Rx slouží k signalizaci komunikace přes sériovou linku. LED dioda značena PWR svítí, když je Arduino zapnuté. LED dioda označená písmenem L indikuje vysokou úroveň na vstupně/výstupní digitálním pinu 13. Poslední součástkou, kterou je nutné zmínit je tlačítko označené S1, které slouží k resetování mikrokontroléru.

Obrázek 2.2: Arduino Duemilanove

(28)

- 18 - Mikrokontrolér ATmega328 poskytuje paměť pro uložení programu o velikosti 32 KB, z toho 2 KB využívá zavaděč programu. Kromě této paměti je ještě k dispozici 2 KB SRAM a 1 KB EEPROM paměti.

2.3 Detektor záření

V kapitole věnované detekci záření je vybrán Geiger-Müllerův detektor. Na internetu lze nalézt několik druhů zapojení s tímto detektorem i s navrženou deskou plošných spojů pro dané zapojení. Další možností je vybrat z nabídky, již hotových řešení nebo stavebnic. V rámci této práce je vybrána druhá variantu. Výběr měl hned několik důvodů. Prvním důvodem je to, že se zde pracuje se zapojením, které generuje vysoké napětí v řádu stovek voltů. To by mohlo vést při chybě k zničení samotné Raspberry Pi. Další důvod pro druhou variantu je nesnadný přístup k speciálním měřicím přístrojům, jako je například osciloskop, který je zapotřebí pro změření parametrů hotového zapojení. Posledním důvodem je složitost desky plošných spojů těchto zapojení, která by musela být vyrobena u specializované firmy.

Na internetu lze najít několik firem, jenž mají ve své nabídce hotové Geiger-Müllerové detektory pro připojení k různým zařízením. Důležitým parametrem je, aby detektor byl možný připojit k Raspberry Pi pomocí GPIO pinů. Z dostupných řešení je pro tuto práci vybrán kit detektoru od společnosti RH elekctronic, který lze zakoupit na jejích stránkách, viz odkaz v závorce (http://www.rhelectronics.net). Tento kit je ze všech, nejlevnější i s Geiger- Müllerovou trubicí typu SBM-20, stojí 51,2$ (21,20$ kit + 30$ trubice). Drobným problémem tohoto kitu je jeho provozní napětí, které je 5 V, protože je primárně určen pro připojení k Arduinu. Tento problém lze jednoduše vyřešit pomocí převodníku napětí, který je využit ještě k dalšímu účelu, více o něm bude napsáno v kapitole 2.3.1. Jinou alternativou je kit od společnosti Mightyohm, viz odkaz v závorce (http://mightyohm.com). Tento kit pracuje přímo s napětím 3.3 V, takže ho lze přímo připojit k Raspberry Pi. Menší nevýhodu představuje jeho vyšší cena, která je 95.95 $ i s Geiger-Müllerovou trubicí SBM-20. Cenu kitu je možno snížit v případě, když si objednáte zvlášť kit za 39,95 $ a Geiger-Müllerovou trubici koupíte levněji v jiném obchodě.

2.3.1 Radiation Detector DIY Kit ver. 3.00

Tato část je věnována popisu vybraného kitu detektoru, který je označen jako Radiation Detector DIY Kit ver. 3.00. Jak už název napovídá, jedná se již o třetí revizi tohoto kitu. Tvůrci tohoto kitu se zaměřili především na jeho co nejmenší energetické nároky. Při zachytávání radiace na pozadí je spotřeba pouhých 30 až 60 uA (zachycení různých kosmických záření a podobně). Výhodou této desky je i podpora vícero Geiger-Müllerových trubic o různých provozních napětí. Podporované trubice jsou SBM-20, STS-5, J305 a LND-712. Pro které lze zvolit jedno ze dvou napájecích napětí a to 400V nebo 500V. Toto napájení se volí pomocí jumperu na desce. Navíc je na desce HV ochrana proti přepětí vzniklém na trubici, které zabraňuje zničení trubice. Maximální míra radiace, kterou lze pomocí tohoto detektoru detekovat je 1 mSv/h. Lze naměřit i vyšší hodnoty, ale zde již dochází k velkým chybám měření.

(29)

- 19 - Tento kit také nabízí možnost připojení k různým MCU pomocí pinu INT, nebo pomoci konektoru TRRS lze přímo připojit zařízení od Apple. Napájení detektoru je možné řešit několika způsoby. Buď připojením zdroje napětí 5 V na piny v okolí pinu INT, nebo připojením baterie či zdroje dodávající také 5 V ke svorkovnici na desce. Při připojování zdroje napětí ke svorkovnici je důležité dávat pozor na polaritu. Nepájet detektor můžeme pomocí čtyř baterií AA nebo pomocí dvou či jedné AAA baterie. Při použití dvou nebo jedné baterie musíme ale k desce detektoru připojit obvod pro zvýšení napětí typu NCP1402.

Obrázek 2.3: 2.3.1 Radiation Detector DIY Kit ver. 3.00 2.3.2 Připojení Raspberry Pi k detektoru

Zmíněný zvolený detektor, je primárně vyvinut pro Arduino. Proto je nutné nejprve zjistit, jaké napětí se vyskytuje na INT pinu, aby po jeho připojení nedošlo k zničení Raspberry Pi vlivem vyššího napětí, než je dovoleno. Z prostudovaného schématu zapojení samotného detektoru lze vyčíst, že na INT pinu bude napětí nejspíše stejné jako v celém obvodu, tedy 5 V. Tato domněnka je následně ověřena přeměřením pinu INT pomocí voltmetru, když je detektor zkušebně připojen k Arduinu. Vyřešení tohoto problému je možné dvěma způsoby. První způsobem je připojení pomocí napěťového děliče. Tento způsob je nevhodný, protože není moc bezpečný a při nestandartních situací jako je start nebo vypnutí zařízení by mohlo dojít k jeho poškození. Proto je vybrána druhá možnost, která je z hlediska ochrany zařízení více bezpečná. Touto možností je k převodu úrovní napětí signálu využít převodník.

V této práci konkrétně BBS138. Převodník BSS138 je čtyř kanálový převodník pracující s napěťovými úrovněmi 3,3 V a 5 V. Díky tomu, že zvládá převádět i rychle se měnící signály je pro tuto práci úplně dostačující. Tento převodník je využit i pro propojení sériové linky mezi Arduinem a Raspberry Pi. Schéma použitého zapojení je na obr. 2.4.

(30)

- 20 - Obrázek 2.4: Zapojení detektoru a sériové linky

2.4 Řízení spotřeby

Jelikož cílem této práce je vytvoření autonomního senzoru pro měření radiace, bylo by příhodné, aby mohl pracovat na napájení z baterie. Z tohoto důvodu je nutné prostudovat možnosti úspory energie u platformy Raspberry Pi. Z dostupných materiálů je patrné, že možnosti úspory energie jsou skoro nulové. Raspberry PI nepodporuje žádné úsporné režimy a ani na to nemá na desce nainstalované zařízení. Možnosti podtaktování nejsou žádné, proto je nutné nalézt řešení, jak dosáhnout úspory energie. Jako možnost, jak ušetřit energii, by bylo vypínat a zapínat Raspberry Pi v určitých časových intervalech. Kdyby se Raspberry Pi uvedla do provozu jen na kratší časový úsek, v kterém by provedla měření a předání naměřených dat.

Pro tento účel je tedy nutné sestavit zařízení, které by plnilo funkci programovatelného časového spínače. Pro tento účel je využito již zmiňované Arduino jako řídicí prvek, který bude komunikovat s Rasberry Pi a bude plnit funkci časovače. Pro tento účel je k arduinu připojen ještě obvod DS1307, který po nastavení poskytuje aktuální datum a čas. Tento obvod má jako záložní zdroj baterii, takže funguje, i když je Arduino vypnuto. Aby Arduino fungovalo jako spínač napájení pro Raspberry Pi, je nutné k němu připojit obvod, který tuto funkci bude plnit.

Není totiž možné napájet Raspberry Pi pomocí pinů z Arduina, protože tyto piny jsou schopné dodávat jen 30 mA. To je o dost nižší proud než 500 mA pro model A.

(31)

- 21 - Z dostupných řešení je zvolen spínací obvod, kde spínací funkci plní polovodičový tranzistor. Zapojení s tranzistory, jako spínači, je několik druhů a liší se podle typu použitého tranzistoru. Všechny tyto zapojení mají své výhody a nevýhody. Pro účely spínání zdroje napětí Raspberry Pi, je potřeba obvod, který bude schopen být spínán napětím 5 V s minimálním proudem a nebude mít velký úbytek napětí. Poslední požadavek je velmi důležitý, protože vstupní napětí do obvodu je 5 V a výstupní nesmí klesnout pod 4,8 V při zátěži. V případě poklesu napětí pod 4,8 V dojde k vypínání Raspberry Pi. Tyto všechny parametry nejlépe splňuje obvod, kde spínací funkci plní tranzistor typu MOSFET s P kanálem. Tento tranzistor má i výhodu v tom, že spíná kladný pól. Tento způsob spínání je doporučený pro připojování elektrických zařízení k napájení.

Obrázek 2.5: Schéma zapojeni spínacího obvodu

Obvod pro spínání zdroje napájení můžete vidět na obr. 2.5. Pro tento obvod je nejdůležitější vybrat vhodný spínací tranzistor. Nejdůležitějším parametrem je co nejmenší hodnota odporu mezi "drain" a "source" vývody tranzistoru. Tato hodnota je stanovena podle rovnice 2.1, kde úbytek napětí U_DS(th) je 0,2 V a maximální proud I_max , který bude protékat přes tranzistor je stanoven na 2 A. Po dosazení těchto hodnot do rovnice vychází, že maximální odpor R_SD(on) nesmí být větší než 0,1 Ω. Další parametr, který tranzistor musí splňovat je velikost spínacího napětí nejvýše 5 V.

𝑅_{𝑆𝐷(𝑜𝑛)}=^𝑈^{𝐷𝑆(𝑡ℎ)}

𝐼_𝑚𝑎𝑥 (2.1)

𝑃 = 𝐼_𝑚𝑎𝑥∗ 𝑅_𝐷𝑆 (2.2)

Z dostupných tranzistorů je zvolen typ IRF7220, jehož parametry plně splňují zadané požadavky. Při jeho výběru je nutno propočítat ztrátový výkon, aby nedošlo k jeho zničení.

(32)

- 22 - Tento ztrátový výkon je stanoven podle rovnice 2.2 a vyšel 24 mW. Tento výsledek je o dost menší, než maximální ztrátový výkon 2,5 W. Proto by nemělo dojít k jeho zničení, ani by nemělo docházet k teplotním driftům při provozu. Díky tomu není nutné řešit jeho chlazení pomocí přídavného chladiče.

Tabulka 2.1: Hodnoty IRF7220

Max Jednotky

R_SD(on) 0,012 Ω

U_DS 14 V

I_DS 11 A

U_gs 12 V

P 2.5 W

Po výběru tranzistoru, je provedena ještě kontrola výsledného zapojení pomocí simulačního programu Multisim. V tomto programu je provedeno zapojení dle obrázku 2.5.

Toto zapojení je ještě upraveno pro potřeby simulace. Úprava spočívá v nahrazení vstupních konektorů za zdroje napětí a výstupního konektoru za zátěž. Dále jsou do obvodu přidány měřicí přístroje pro kontrolu výsledných parametrů. Jako zátěž slouží 10 W žárovka na 5 V, díky ní by měl obvodem protékat proud o velikosti 2 A. Celý tento obvod napájí stejnosměrný zdroj dodávající napětí 5 V s nulovou tolerancí. Pro ovládání obvodu slouží simulátor digitálního kontaktu. Parametry obvodu při simulaci jsou změřeny pomocí ampérmetru a voltmetru. Výsledky měření zobrazuje tabulka 2.2.

Tabulka 2.2: Naměřených hodnot simulace Měření výstupu zavřeného tranzistoru

U 13µV

I 5µA

Měření výstupu otevřeného tranzistoru

U 4,976V

I 1.99A

(33)

- 23 - Obrázek 2.6: Simulace obvodu v programu Multisim

Z naměřených hodnot simulace vyplívá, že se hodnoty vešly do dané tolerance. Proto z daného zapojení se přejde k návrhu desky plošného spoje. Pro výrobu desky je použita metoda známa jako negativní fotocesta. Pro tuto cestu je nejprve nutné vytvořit předlohu v programu Eagle obr2.7.

Obrázek 2.7: Předloha plošného spoje

Hotová předloha je následně natištěna na průhlednou fólii. Potištěná fólie musí být přiložena potisknutou stranou na fotocitlivou vrstvu cuprextitové desky. Po umístění a zarovnání folie na desce je nutné ji zabezpečit proti pohybu. Takto připravená deska se umístí

(34)

- 24 - do osvitového zařízení, kde se prosvituje ultrafialovým zářením po dobu danou technologickým postupem. Po této fázi následuje vyvolání prosvícené desky v roztoku uhličitanu sodného Na2CO3 zředěného ve stanoveném poměru ve vodě. Po vyvolání v roztoku se provede vizuální kontrola, zda je deska správně vyvolána. Musí být odhalena vrstva měděného povrchu v místech určených pro odleptání. Vyvolaná deska se následně vloží do roztoku chloridu železitého FeCl3 s koncentrací v rozmezí 30 – 50 %. Zde se ponechá po dobu několika minut, než dojde k odleptání nežádoucí vrstvy. Hotová deska se po vytažení z lázně očistí vložením do acetonu či strippru. Před dokončením desky je nutné vyvrtání děr pro vývody součástek. Vyvrtání příslušných otvorů je provedeno na stojanové vrtačce s použitím vrtáků vhodných velikostí.

Poslední fází při výrobě této desky je napájení jednotlivých součástek na příslušná místa podle návrhu. Na obr. 2.8 je vyfotografována hotová deska s napájenými součástkami.

Obrázek 2.8: Hotová deska pro spínání zdroje Raspberry Pi

Poslední fází tvorby obvodu pro úsporu energie je zapojení všech jeho částí a vytvoření obslužného programu pro Arduino. Jednotlivé části, jež tvoří Arduino, spínací deska, obvod DS1302 a Rapberry Pi, jsou zapojeny tak, jak ukazuje obr. 2.9. Pro komunikaci mezi Arduino a Raspberry Pi je použito sériové linky, jejíž zapojení je na obr. 2.4

Obrázek 2.9: Zapojení spínacího obvodu

(35)

- 25 - Program pro Arduino, jak bylo již zmíněno, je napsán ve Wringu. Skládá se ze dvou hlavních částí. První část tvoří metoda setup(). Tato metoda má na starost inicializaci všech používaných pinů a zahájení sériové komunikace. Druhá část je tvořena metodou loop(), jedná se o hlavní metodu, která běží v nekonečné smyčce. V této metodě se provádí čtení dat ze sériové linky, jejích zpracování a kontrola času pro vypnutí či zapnutí. Program dále tvoří několik pomocných metod. Z těchto metod jsou dvě důležité void kontrola(tmElements_t tm) a void zpracujZpravu(char zp[], tmElements_t tm).

 void kontrola(tmElements_t tm) slouží ke kontrole času a podle stavu buď spíná, nebo vypíná pin ovládající spínač zdroje.

 zpracujZpravu(char zp[], tmElements_t tm) slouží ke zpracování příchozí zprávy ve tvaru FHH:MM, kde F je funkce, H jsou hodiny a M minuty. Mezi rozeznávané funkce patří 'C' pro zaslání aktuálního času po sériové lince a 'V' pro nastavení času zapnutí a vypnutí. Čas vypnutí je nastaven automaticky na 5 min po přijetí zprávy.

Pro připojení a komunikaci s obvodem DS1302 je využita knihovna DS1302RTC.h, která poskytuje potřebné metody pro nastavení a čtení aktuálního času.

2.5 Bezdrátová komunikace

Aby mohly mezi sebou jednotlivé senzory komunikovat, je zapotřebí vytvořit mezi nimi komunikační síť. Tato síť by měla být vybudována na bezdrátové technologii, aby při aplikování senzorů nemusela být vystavěna složitá infrastruktura, která je zapotřebí v případě drátových komunikačních sítí. Díky použité bezdrátové technologii můžou být senzory do určité míry mobilní, rozsah mobility je dán dosahem signálu bezdrátové technologie.

Pro vybudování bezdrátové komunikační sítě pro senzory se nejlépe hodí síť typu mesh, proto je vybrána i pro tuto práci. Jako základ pro komunikaci mezi senzory je použita technologie Wifi. Pro vytvoření samotné mesh sítě na technologii Wifi je použito modulu pro jádro linuxu Batman-adv. [8]

2.5.1 Mesh síť

Jedná se o decentralizovanou síť typu peer-to-peer. Mesh síť využívá principu funkce ad-hoc sítě doplněné o funkcí multi-hop. Tato funkce přidává do sítě typu ad-hoc směrovací mechanizmus, který umožňuje směrování paketů i na uzly sítě, které nejsou přímo viditelné.

Mezi hlavní vlastnosti mesh sítě patři dynamická samo-organizace a samo-konfigurace. Tyto dvě vlastnosti přináší pro sítě typu mesh několik výhod. První výhodou jsou nízké náklady na vybudování sítě. Další výhoda spočívá v úspoře šířky pásma a snadné údržbě této sítě. Popis standartu mesh sítě je popsán ve specifikaci IEEE 802.11s. Alternativními technologiemi podporující mesh sítě jsou ZigBee (IEEE 802.15.4) a WiMAX (IEEE 802.16). Typická topologie mesh sítě je na obr. 2.10

(36)

- 26 - Obrázek 2.10: Topologie mesh sítě

2.5.2 Batman-avd

Tento modul implementuje směrovací protokol Batman na druhé vrstvě ISO/OSI.

Ostatních implementací směrovacího protokolu Batman, jako je například Batman daemon, pracují na třetí vrstvě. To znamená, že si vyměňují informace o směrování pomocí odesláním UDP paketů a směrování provádí tím, že manipulují se směrovacími tabulkami v jádře systému.

Batman-adv pracuje výhradně na druhé vrstvě ISO / OSI, kde Batman-adv řeší nejen předávání informace o směrování pomocí základních ethernetových rámců, ale i datový provoz. Modul zapouzdřuje a směruje veškerý provoz v síti. Zapouzdřené rámce jsou směrovány až do cíle pomocí virtuálních přepínačů, jež vytváří modul batman-adv na všech zařízeních, kde je aplikován. Tato konstrukce nese některé zajímavé vlastnosti:

 na síti batman-adv můžeme provozovat libovolný protokol vyšší vrstvy: IPv4, IPv6, DHCP a podobně

 Uzly se mohou podílet na tvorbě sítě, aniž by měly přidělenou IP

 snadná integrace non-mesh klientů

 roaming non-mesh klientů

 optimalizaci datového toku přes síť

 spolehlivý běh protokolů závislých na broadcast/multicast zprávách posílaných přes klienty mesh a non-mesh (části Windows, mDNS, streaming, atd)

Kvůli podpoře běhu i na méně výkonných zařízení, jako je například Raspberry Pi, je modul batman-adv implementovaný jako řadič jádra. To zajišťuje minimální zátěž pro procesor při zpracovávání paketů i při velké zátěži. Pro diagnostiku a konfiguraci samotného modulu se využívá nástroj batctl. Pomocí něho lze zobrazit směrovací tabulku a podrobnosti o síti.

Směrovaní protokolu modulu batman-adv vychází z batman, který je implementován pro třetí vrstvu. Na začátku vyšle uzel zprávu originator message (OGM) všem sousedícím