Самодельная метеостанция с радиационным мониторингом на базе ESP32 и LoRa

1 Окт в 12:05 Прокомментировать Просмотры: 1

Ежедневно мы отслеживаем метеорологические сводки — температуру воздуха, уровень осадков и силу ветра. Тем не менее, существует еще один критически важный показатель, которому часто уделяют недостаточно внимания, — фоновое ионизирующее излучение. Значительное превышение этого параметра, спровоцированное, например, техногенной аварией, не имеет мгновенных внешних проявлений, однако способно нанести серьезный урон организму.

В данном материале мы подробно разберем ключевые источники радиации и инструменты для её детектирования. В практической части будет представлена конструкция кастомной метеостанции, способной мониторить не только базовые климатические параметры, но и текущий радиационный фон.

Источники ионизирующего излучения

Наиболее распространенным естественным источником радиации выступает радон. Этот газ непрерывно выделяется из почвы и строительных конструкций (гранитных плит, некоторых видов бетона) и имеет свойство аккумулироваться в подвальных помещениях и на нижних этажах зданий при недостаточном воздухообмене.

Следующая категория — космическое излучение, поступающее из межзвездного пространства и от Солнца. Интенсивность этого потока возрастает с увеличением высоты над уровнем моря, поэтому на борту воздушных судов или в горных районах доза облучения заметно выше.

Кроме того, в окружающей среде присутствуют природные радионуклиды (уран, торий, калий-40), распределенные в земной коре, минералах и стройматериалах (кирпиче, бетоне).

К природным факторам добавляются антропогенные источники. Помимо масштабных техногенных катастроф, дополнительную лучевую нагрузку создают медицинские диагностические процедуры — рентгенография, компьютерная томография (КТ) и радиотерапевтические сеансы.

Отдельного упоминания заслуживает технологически измененное природное излучение. Отдельные виды строительного сырья и фосфорных удобрений изготавливаются из материалов с повышенной концентрацией естественных радионуклидов, в результате чего готовая продукция может значительно превосходить фоновые значения.

В быту слабое фоновое излучение могут испускать винтажные компасы, часы или приборы со светомассой постоянного действия на основе радия или трития.

Виды ионизирующего излучения

Традиционно классифицируют альфа- (α), бета- (β), гамма- (γ) излучение, а также поток нейтронов. Все они обладают принципиально разной проникающей способностью (рис. 1).

Рис. 1. Проникающая способность разных видов излучения (источник) — **Рис. 1. Проникающая способность разных видов излучения (источник**)

Наименьшей проникающей способностью характеризуется альфа-излучение, представляющее собой поток ядер гелия (α-частиц). Оно полностью блокируется обычным листом бумаги или роговым слоем кожи, преодолевая по воздуху всего несколько сантиметров. Тем не менее, при попадании внутрь организма альфа-частицы представляют огромную опасность из-за высокой плотности ионизации тканей.

Бета-излучение (поток электронов или позитронов) беспрепятственно проходит сквозь бумагу, но задерживается алюминиевым экраном толщиной в несколько миллиметров, проникая в биологические ткани на глубину 1–2 см. Данный тип излучения находит применение в лучевой терапии, однако при длительном воздействии способен вызывать тяжелые ожоги и поражения органов зрения.

Гамма-излучение представляет собой высокоэнергетические электромагнитные волны (поток фотонов) с колоссальной проникающей способностью. Для эффективной защиты от него требуются массивные свинцовые или бетонные преграды. Гамма-лучи пронизывают человеческое тело насквозь и используются в дефектоскопии, стерилизации медицинских изделий и радиохирургии, представляя угрозу для всего организма в целом.

Чрезвычайно опасно нейтронное излучение, обладающее исключительной проникающей способностью. Для его экранирования используют водородосодержащие среды (воду, парафин, специализированный бетон). Кроме того, нейтроны индуцируют наведенную радиоактивность в облучаемых материалах.

Открытие радиоактивности и первые методы измерения

Существует множество исторических и современных метрик радиации. Чтобы систематизировать эти данные, обратимся к истокам открытия явления и первым способам его регистрации.

В 1896 году французский физик Анри Беккерель, исследуя люминесцентные свойства урановых солей, зафиксировал почернение фотопластинки под их воздействием. Это событие ознаменовало открытие радиоактивности.

Продолжая изыскания, супруги Пьер и Мария Кюри (рис. 2) выделили из урановой руды новые элементы — полоний и радий, причем Мария Кюри предложил сам термин «радиоактивность».

Рис. 2. Супруги Пьер и Мария Кюри (источник) — **Рис. 2. Супруги Пьер и Мария Кюри (источник**)

Вскоре стало очевидно деструктивное влияние лучей на живую плоть. В 1901 году Беккерель заметил на собственном теле покраснение и последующее изъязвление кожи после того, как некоторое время носил в кармане ампулу с препаратом радия.

В качестве примитивного индикатора ионизации воздуха изначально применялся электроскоп (рис. 3).

Рис. 3. Лепестковый электроскоп (источник) — **Рис. 3. Лепестковый электроскоп (источник**)

Под влиянием ионизации воздушной среды лепестки прибора разряжались и опускались тем быстрее, чем выше была интенсивность излучения.

Для прецизионных замеров разработали ионизационную камеру (рис. 4).

Рис. 4. Ионизационная камера (источник) — **Рис. 4. Ионизационная камера (источник**)

Конструкция представляет собой герметичный резервуар с электродами под напряжением. Образующиеся ионы движутся к ним, формируя слабый электрический ток, фиксируемый измерителем. Полученная величина получила название экспозиционной дозы, измеряемой в рентгенах (Р).

Позднее ввели понятие поглощенной дозы (энергия излучения на единицу массы вещества), измеряемой в греях (Гр) или внесистемных радах.

Для оценки биологического эффекта используют эквивалентную дозу в зивертах (Зв) — главную современную единицу радиационного контроля. Один зиверт эквивалентен одному джоулю энергии на килограмм ткани с учетом коэффициента качества излучения.

Бытовые приборы отображают мощность дозы (скорость набора облучения) в микрозивертах в час (мкЗв/ч). Более продвинутые устройства также вычисляют интегральную накопленную дозу за определенный интервал времени (в мЗв или мкЗв).

В современной практике параллельно используются как рентгены (по ионизации воздуха гамма-лучами, характерные для старой советской аппаратуры), так и зиверты, отражающие биологические риски и зафиксированные в нормативах.

Для пересчета гамма-излучения мягких тканей применяются следующие соотношения:

1 Р ≈ 10 мЗв
1 мкЗв/ч ≈ 100 мкР/ч

Важно помнить о принципиальной физической разнице между рентгеном и зивертом. Встречается также термин амбиентный эквивалент дозы, характеризующий гипотетическую дозу в конкретной точке пространства.

Безопасные уровни излучения

В сфере радиационной безопасности принято исходить из концепции отсутствия абсолютно безопасного порога. Любое облучение статистически повышает вероятность онкопатологий и мутаций.

На практике применяются следующие ориентиры фоновых значений:

до 0,2 мкЗв/ч (около 20 мкР/ч) — безусловно безопасный фон;
около 0,3 мкЗв/ч — допустимая санитарная норма;
до 0,5 мкЗв/ч (до 50 мкР/ч) — верхняя граница приемлемых значений.

Нормативные требования в РФ регламентируются документами НРБ-99/2009 и ОСПОРБ-99/2010.

Дозиметры из прошлого века

По назначению дозиметры делятся на бытовой и профессиональный классы.

Бытовые модели компактны, фиксируют гамма-, бета- и рентгеновское излучение и оперативно оповещают о превышении порогов, хотя и не определяют тип частиц.

Профессиональные приборы способны детектировать альфа-излучение, вести учет накопленной дозы и оснащаются выносными зондами для поиска локальных очагов, но отличаются более высокой ценой и габаритами.

В качестве детекторов применяются счетчики Гейгера — Мюллера, сцинтилляционные датчики с фотоумножителями и полупроводниковые кристаллы.

Ярким историческим примером служит советский радиометр-рентгенометр ДП-5А (рис. 5), укомплектованный выносным датчиком и переключателем диапазонов для работы в широком спектре мощностей доз.

Рис. 5. Радиометр-рентгенометр ДП-5А (источник) — **Рис. 5. Радиометр-рентгенометр ДП-5А (источник**)

На рис. 6 изображена усовершенствованная модификация ДП-5В, измеряющая гамма-излучение до 200 Р/ч. На рис. 7–8 показан польский комплект DP-11B с телескопическим зондом, а на рис. 9 — переносной рентгенометр ДП-63А.

Рис. 6. Рентгенометр ДП-5В (источник) — **Рис. 6. Рентгенометр ДП-5В (источник**)

Рис. 7. Радиометр DP-11B в упакованном виде (источник) — **Рис. 7. Радиометр DP-11B в упакованном виде (источник**)

Рис. 8. Радиометр DP-11B собран для работы (источник) — **Рис. 8. Радиометр DP-11B собран для работы (источник**)

Рис. 9. Радиометр ДП-63А (источник) — **Рис. 9. Радиометр ДП-63А (источник**)

Сцинтилляционные детекторы и счетчики

Сцинтилляционные датчики работают на принципе преобразования энергии попавшей частицы в световую вспышку с последующей ее трансформацией в электрический импульс с помощью фотоумножителя. Их главное достоинство — высокая чувствительность, существенно превосходящая счетчики Гейгера. Кроме того, амплитуда сигнала пропорциональна энергии частиц, что позволяет осуществлять гамма-спектрометрию.

Полупроводниковые детекторы

В полупроводниковых детекторах (на базе кремния, германия или арсенида галлия) энергия ионизации напрямую формирует пары «электрон–дырка». Под действием встроенного поля создается токовый импульс. Эти компактные приборы обладают отличным энергетическим разрешением и незаменимы в спектрометрии и научных исследованиях.

Счетчик Гейгера — Мюллера

Классический дозиметр у большинства ассоциируется именно со счетчиком Гейгера — Мюллера, издающим характерные щелчки при попадании частиц. Разработанный в 1928 году Гейгером и Мюллером газоразрядный прибор (рис. 10) стал стандартом для фиксации единичных событий.

Рис. 10. Устройство счётчика Гейгера — МюллераГейгера-Мюллера (источник) — **Рис. 10. Устройство счётчика Гейгера — МюллераГейгера-Мюллера (источник**)

Конструкция представляет собой заполненную инертным газом трубку с гасящей добавкой, внутри которой натянута нить анода при высоком напряжении. Проникшая частица ионизирует газ, вызывая лавинообразный электрический разряд. Амплитуда импульса не зависит от энергии частицы, поэтому прибор лишь считает их количество в секунду.

Существует «мертвое время» после каждого разряда, в течение которого счетчик нечувствителен к новым частицам. Для разделения изотопов такие трубки не подходят, однако благодаря надежности и простоте они повсеместно используются в бытовых и профессиональных дозиметрах, часто дополняясь интерфейсами связи с микроконтроллерами вроде Arduino или ESP32.

Примером классического советского датчика является СТС-5 (рис. 11), стальные стенки которого не пропускают альфа-излучение.

Рис. 11. Счётчик СТС-5 (источник) — **Рис. 11. Счётчик СТС-5 (источник**)

Для регистрации альфа-частиц применяют торцевые счетчики со слюдяным окном (например, «Бета-1»), а для нейтронов — камеры с гелием-3 или трифторидом бора.

Подключение счётчика RadiationD-v1.1(CAJOE)

Для создания измерительного контура был выбран готовый модуль RadiationD-v1.1 (CAJOE), укомплектованный трубкой M4011. Встроенный высоковольтный преобразователь генерирует рабочее напряжение около 400–500 В, преобразуя каждый разряд в выходной импульс (рис. 12).

**Рис. 12. Модуль RadiationD-v1.1(CAJOE)**

Питание модуля составляет 5 В. Сигнал снимается с вывода VIN (являющегося выходом несмотря на название) и объединяется по земле с микроконтроллером.

Осциллограмма сигнала на выходе VIN представлена на рис. 13.

**Рис. 13. Импульсы на выходе VIN счётчика RadiationD-v1.1(CAJOE)**

Для согласования уровней с микроконтроллером ESP32 использован преобразователь CD4050BCN (рис. 14).

**Рис. 14. Импульсы на выходе преобразователя CD4050BCN**

Детектор интегрирован в метеостанцию, описанную в материале «Метеостанция на LoRa и ESP32, которая годами работает от батарейки» (рис. 15).

**Рис. 15. Собранный макет погодной станции со счётчиком Гейгера — Мюллера**

Схема подключения датчика BME280 к плате HTIT‑WB32LAF V3:

SDA — GPIO41;
SCL — GPIO42;
VIN/GND BME280 — к выводу VE и земле микроконтроллера.

Подключение модуля CAJOE через CD4050BCN:

пин 1 — 3.3В (микроконтроллера);
пин 2 — GPIO5;
пин 3 — VIN (CAJOE);
пин 8 — GND.

Метеостанция собирает данные климата и радиационного фона, транслируя их по протоколу LoRa.

Программа передатчика

Скетч LoRa_Station_Sender_LBT.ino для платы Heltec HTIT-WB32LAF V3 (ESP32-S3 + LoRa SX1262) непрерывно обрабатывает импульсы счетчика и ежесекундно опрашивает BME280.

Каждые 10 секунд пакет отправляется по радиоканалу с предварительной проверкой свобосы канала (LBT). Передатчик не переходит в глубокий сон во избежание потери импульсов.

Прерывание по спадающему фронту обрабатывается функцией:

void IRAM_ATTR onGeigerPulse() {
  uint32_t now = micros();
  if (now - lastPulseMicros < GEIGER_DEBOUNCE_US) {
    return;
  }
  lastPulseMicros = now;
  geigerPulseCount++;
  geigerTotalCount++;
}

Атрибут IRAM_ATTR размещает обработчик в оперативной памяти, предотвращая сбои во время работы с флеш-памятью.

Функция updateCPM рассчитывает показатель CPM (Counts Per Minute) в скользящем окне за последние 60 сглаживая случайные колебания распада.

Мощность дозы вычисляется умножением CPM на калибровочный коэффициент трубки (для M4011 принят коэффициент 153.8):

usvh = currentCPM * GEIGER_CONVERSION_FACTOR

Информация на дисплее циклически меняется каждые 3 секунды:

Страница 1: погода и CPM (рис. 16);

**Рис. 16. Данные о температуре, давлении, влажности и CPM**

Страница 2: доза в мкЗв/ч, суммарные импульсы и статистика отправки (рис. 17).

Программа приёмника

Код приемника LoRa_Station_Receiver обрабатывает входящий радиопакет и выводит параметры на OLED-экран (рис. 18).

**Рис. 18. Полученные данные на экране приёмника**

Структура пакета StationPacket:

#pragma pack(push, 1)
typedef struct {
  uint32_t packetId;
  float    temperature;   // °C
  float    pressure;      // гПа (hPa)
  float    humidity;      // %RH
  uint32_t cpm;
  uint32_t totalCounts;
  float    usvh;
} StationPacket;
#pragma pack(pop)

Приёмник с веб-интерфейсом

Для удобства мониторинга приемник может функционировать как точка доступа Wi-Fi с веб-сервером (LoRa_Station_Receiver_WiFi.ino).

Подключившись к сети «LoRa-Station» (пароль 12345678), пользователь может просматривать данные в браузере по адресу http://192.168.4.1 (рис. 19).

**Рис. 19. Просмотр данных через веб-интерфейс**

Страница автообновляется каждые две секунды. Дублирующая информация отображается на локальном дисплее (рис. 20).

**Рис. 20. Данные о погоде и радиоактивном фоне на экране микрокомпьютера**

Итоги

Комбинация двух плат Heltec HTIT-WB32LAF V3 и модуля CAJOE позволяет трансформировать метеостанцию в полноценный комплекс радиоэкологического контроля. Устройство фиксирует метеопараметры и радиационный фон, передавая их по LoRa-каналу для отображения на экране или в веб-интерфейсе.

Стоит учитывать, что данное решение не заменяет сертифицированный прибор из-за особенностей регистрации частиц трубкой и применения справочных коэффициентов, однако оно отлично справляется с задачей оперативного обнаружения аномального роста радиации.

Автор @AlexandreFrolov

Промокод для читателей блога:
-15% на заказ нового VDS — HABRFIRSTVDS.

Положение об акции

Источник