Điều khiển và ghi nhận dữ liệu hệ quan trắc phóng xạ thông qua mạng Internet

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
29Số 49 - Tháng 12/2016
ĐIỀU KHIỂN VÀ GHI NHẬN
DỮ LIỆU HỆ QUAN TRẮC PHÓNG XẠ 
THÔNG QUA MẠNG INTERNET
Hệ thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường được sử dụng trong việc giám sát, 
cảnh báo những sự cố bất thường của phóng xạ đối với môi trường. Dữ liệu quan trắc được thiết bị 
ghi nhận và điều khiển thông qua mạng internet kết nối với trung tâm điều hành. Với khả năng xử lý 
theo thời gian thực, tốc độ cao và chính xác, phần mềm tại trung tâm cung cấp một cái nhìn tổng quan 
về dữ liệu của toàn hệ quan trắc, từ đó đưa ra những cảnh báo kịp thời với những biến động phóng xạ 
trong môi trường. Thông qua việc thực hiện đề tài cấp nhà nước mã số KC05.16/11-15, nhóm đề tài 
đã làm chủ được việc điều khiển và ghi nhận dữ liệu qua mạng internet. Thành công này mở ra khả 
năng làm chủ thiết bị, giải quyết vấn đề nội địa hóa thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ, đồng 
thời góp phần vào quá trình xây dựng và phát triển mạng lưới quan trắc cảnh báo phóng xạ quốc gia.
Đặt vấn đề
Thiết	bị	quan	trắc	và	cảnh	báo	phóng	xạ	
môi	trường	được	xây	dựng	với	mục	tiêu	là	có	thể	
kết	 nối	 thành	mạng	 lưới	 để	 góp	 phần	 vào	 việc	
xây	dựng	mạng	quan	trắc	phóng	xạ	quốc	gia.	Do	
đó,	yêu	cầu	tiên	quyết	là	phải	truyền	dẫn	được	dữ	
liệu	qua	internet.	Việc	lựa	chọn	phương	án	truyền	
dẫn	dữ	liệu	hệ	quan	trắc	qua	mạng	internet	và	xây	
dựng	phần	mềm	điều	khiển	cho	 trung	 tâm	điều	
khiển	là	khâu	quan	trọng	cuối	cùng	trong	thiết	kế	
chế	 tạo	 thiết	bị	cảnh	báo	phóng	xạ	môi	 trường.	
Lựa	chọn	phương	án	truyền	tốt	sẽ	đảm	bảo	việc	
liên	kết	giữa	thiết	bị	và	phần	mềm	điều	khiển	tại	
trung	 tâm	 điều	 hành,	 tận	 dụng	 tối	 đa	 cơ	 sở	 hạ	
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
30 Số 49 - Tháng 12/2016
tầng	mạng	tại	vị	trí	lắp	đặt,	tối	giản	chi	phí	duy	trì	
hoạt	động,	tạo	điều	kiện	thuận	lợi	trong	việc	bảo	
dưỡng	 thiết	 bị.	 Phần	mềm	 điều	 khiển	 tại	 trung	
tâm	có	nhiệm	vụ	điều	khiển	thu	nhận	và	chỉ	thị	
kết	quả	toàn	hệ	quan	trắc	theo	thời	gian	thực,	qua	
đó	mà	đưa	ra	những	cảnh	báo	kịp	thời	với	những	
biến	động	phóng	xạ	trong	môi	trường.
Nội dung nghiên cứu
Hệ	thiết	bị	quan	trắc	phóng	xạ	môi	trường	
nằm	trong	đề	tài	nhà	nước	mã	số	KC.05-16/11-15	
bao	gồm	hai	thiết	bị	chính:	một	là	thiết	bị	quan	
trắc	và	cảnh	báo	phóng	xạ	môi	trường;	hai	là	thiết	
bị	tự	động	hút	bụi	khí	và	đo	phổ	tự	động.	Hai	thiết	
bị	này	đều	phục	vụ	cho	mục	đích	quan	trắc	phóng	
xạ,	tuy	nhiên,	thiết	bị	tự	động	hút	bụi	khí	và	đo	
phổ	tự	động	được	sử	dụng	chủ	yếu	khi	xảy	ra	các	
sự	cố	 liên	quan	đến	hạt	nhân,	còn	 thiết	bị	quan	
trắc	và	cảnh	báo	phóng	xạ	môi	trường	hoạt	động	
24/7	 tại	 vị	 trí	 lắp	đặt	nhằm	quan	 trắc	 tình	hình	
biến	động	phóng	xạ	trong	môi	trường.
Hình 1: Sơ đồ khối hệ thiết bị quan trắc 
cảnh báo phóng xạ.
Đối	 với	 thiết	 bị	 quan	 trắc	 và	 cảnh	 báo	
phóng	 xạ	 môi	 trường,	 khi	 khởi	 động,	 bộ	 lựa	
chọn	đầu	đo	sẽ	mặc	định	bật	đầu	đo	GM	(hoặc	
Photodiode	nếu	 thiết	 bị	 sử	dụng)	 và	 tắt	 đầu	đo	
NaI	để	kiểm	tra	ngưỡng	suất	liều	phóng	xạ.	Nếu	
giá	trị	suất	liều	cao	hơn	một	ngưỡng	nào	đó	được	
đặt	trước,	hệ	thống	vi	xử	lý	sẽ	phát	cảnh	báo	và	
truyền	về	trung	tâm	điều	hành.	Ngược	lại	nếu	giá	
trị	suất	liều	thấp	hơn	ngưỡng	đó,	đầu	đo	GM	sẽ	
tắt	và	bật	đầu	đo	NaI	để	đo	suất	liều	môi	trường,	
ghi	nhận	phổ	năng	lượng,	tính	toán	suất	liều	và	
truyền	về	trung	tâm	điều	hành.	Ngoài	ra,	thiết	bị	
còn	ghi	nhận	 các	dữ	 liệu	về	môi	 trường	 từ	 các	
cảm	biến	nhiệt	 độ,	 độ	 ẩm,	 truyền	về	 trung	 tâm	
điều	hành.	Trong	trường	hợp	mất	điện,	hệ	thống	
sẽ	được	nuôi	bằng	nguồn	ắc-quy	dự	phòng,	khi	
có	điện	trở	lại	ắc-quy	sẽ	tự	động	được	sạc	đầy.
Hình 2: Sơ đồ khối thiết bị tự động hút bụi 
khí và đo phổ tự động.
Về	cấu	tạo	của	thiết	bị	tự	động	hút	bụi	khí	
và	đo	phổ	 tự	động	về	cơ	bản	 là	giống	với	 thiết	
bị	quan	 trắc	và	cảnh	báo	phóng	xạ	môi	 trường,	
thiết	bị	này	được	trang	bị	thêm	động	cơ	hút	và	hệ	
thống	chuyển	mẫu	tự	động.	Bụi	khí	được	thiết	bị	
hút	qua	tấm	lọc	PM10,	khi	đạt	được	lượng	khí	hút	
đã	định	trước,	thiết	bị	tự	động	chuyển	tấm	lọc	qua	
buồng	đo	để	ghi	nhận	phổ	phóng	xạ.
Cả	hai	hệ	thiết	bị	này	đều	được	nhóm	đề	
tài	 phát	 triển	 trên	 nền	máy	 tính	 nhúng	LINUX	
(ARM	TINY6410),	đây	là	một	hệ	thống	được	tích	
hợp	cả	phần	cứng	và	phần	mềm	để	phục	vụ	cho	
các	 bài	 toán	 chuyên	 dụng	 trong	 nhiều	 lĩnh	 vực	
công	nghiệp,	 tự	động	hóa	điều	khiển,	quan	trắc	
và	truyền	thông.	Việc	kết	nối	internet	tương	đối	
dễ	dàng	với	sự	hỗ	trợ	mặc	định	trên	bo	mạch	phát	
triển	ARM	TINY6410	(ethernet,	wifi,	GPRS/3G).	
Do	đó,	vấn	đề	chỉ	còn	là	dữ	liệu	sẽ	được	truyền	
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
31Số 49 - Tháng 12/2016
về	trung	tâm	điều	hành	thông	qua	hình	thức	nào.
Hiện	tại	có	rất	nhiều	phương	pháp	kết	nối	
và	truyền	dữ	liệu	qua	mạng	internet	có	thể	kể	đến	
như:	thuê	kênh	riêng,	mạng	riêng	ảo,	sử	dụng	IP	
tĩnh,	Các	phương	pháp	nói	trên	đều	có	ưu	điểm	
là	tốc	độ	rất	cao	nhưng	lại	phụ	thuộc	vào	hạ	tầng	
mạng	kết	nối	cũng	như	phải	duy	trì	chi	phí	hoạt	
động	hàng	tháng	cho	thiết	bị.	Với	mục	tiêu	vừa	
đảm	bảo	tốc	độ	kết	nối,	chi	phí	hợp	lý,	khả	năng	
hoạt	 động	 24/7,	 tối	 giản	 các	 bước	 bảo	 trì,	 bảo	
dưỡng	thiết	bị,	nhóm	thực	hiện	tiến	hành	nghiên	
cứu	và	sử	dụng	một	phương	pháp	truyền	rất	đang	
được	ưa	chuộng	nhất	hiện	nay,	đó	là	mô	hình	điện	
toán	đám	mây.
Với	sự	phát	 triển	mạnh	mẽ	của	 internet,	
mô	hình	điện	toán	đám	mây	ngày	càng	được	ưa	
chuộng,	được	các	doanh	nghiệp,	tổ	chức	và	người	
dùng	cá	nhân	sử	dụng	rất	rộng	rãi.	Thực	tế,	mô	
hình	này	chỉ	 là	một	bước	 tiến	 trong	cách	mạng	
công	nghệ	thông	tin,	là	mô	hình	điện	toán	sử	dụng	
công	 nghệ	máy	 tính	 dựa	 vào	 sự	 phát	 triển	 của	
internet.	Có	thể	hiểu	đơn	giản,	mô	hình	điện	toán	
đám	mây	chỉ	là	sự	ảo	hóa	các	tài	nguyên	tính	toán	
và	ứng	dụng,	các	dữ	liệu	có	thể	lưu	trữ	và	tải	về	
từ	nguồn	trên	internet	cũng	giống	như	các	trang	
mạng	xã	hội	trực	tuyến:	Facebook,	Youtube,	
Hình 3: Mô hình ghép nối internet truyền 
về trung tâm.
Ưu	điểm	 lớn	nhất	 của	việc	 sử	dụng	mô	
hình	 này	 so	 với	 các	 phương	 pháp	 truyền	 dẫn	
thông	 thường	 (IP	 tĩnh,	 thuê	 kênh	 riêng,	 mạng	
riêng	ảo,	)	là	chi	phí.	Chi	phí	ở	đây	là	chi	phí	
về	thiết	bị	truyền	dẫn	đầu	cuối,	chi	phí	duy	trì	và	
chi	phí	về	bảo	dưỡng.	Đặc	biệt	hơn	cả,	với	một	số	
hãng	cung	cấp	dịch	vụ,	họ	sẽ	hoàn	toàn	miễn	phí	
với	một	dung	lượng	nhất	định	khi	lưu	trữ	trên	hệ	
thống	đám	mây	(Google	-	15	GB;	Microsoft	–	5	
GB;).	Qua	 khảo	 sát	 thực	 tế,	 hệ	 thiết	 bị	 quan	
trắc	trong	một	ngày	sẽ	sử	dụng	khoảng	10	MB,	
như	vậy,	với	dung	lượng	miễn	phí	lên	đến	hàng	
GB,	kết	hợp	với	phần	mềm	điều	khiển	quản	 lý	
dữ	liệu	tại	trung	tâm	thì	con	số	thiết	bị	quan	trắc	
có	thể	ghép	nối	lên	đến	hàng	trăm	thiết	bị,	đây	là	
một	thuận	lợi	rất	lớn	trong	việc	duy	trì	hoạt	động	
cho	hệ.
Thiết	 kế	 phần	 mềm	 điều	 khiển:	 Phần	
mềm	với	nhiệm	vụ	thu	thập	dữ	liệu	của	hệ	quan	
trắc	qua	mạng	internet,	chỉ	 thị	các	kết	quả	 theo	
thời	gian	thực.	Phần	mềm	được	nhóm	thiết	kế	với	
hai	giao	diện	chính	và	ba	chế	độ	hoạt	động	khác	
nhau.	Về	 giao	 diện,	 bao	 gồm	giao	 diện	 bản	 đồ	
vị	trí	với	nhiệm	vụ	cung	cấp	cho	người	sử	dụng	
thông	tin	tổng	quan	về	vị	trí	và	giá	trị	suất	liều	tức	
thời	của	toàn	hệ	quan	trắc;	tiếp	theo	là	giao	diện	
về	việc	chỉ	thị	kết	quả	chi	tiết	cho	từng	thiết	bị	cụ	
thể:	phổ	phóng	xạ,	biểu	đồ	suất	liều,	biểu	đồ	nhiệt	
độ	-	độ	ẩm,	kèm	theo	đó	là	việc	thể	hiện	các	mức	
cảnh	báo	phóng	xạ.	Về	chế	độ	hoạt	động,	ngoài	
việc	chỉ	thị	các	kết	quả	theo	thời	gian	thực,	phần	
mềm	cũng	cung	cấp	chế	độ	làm	việc	ngoại	tuyến,	
nghĩa	là	chỉ	thị	lại	các	kết	quả	theo	thời	gian	tùy	
chọn	bởi	người	sử	dụng.
Dữ	liệu	mà	hệ	quan	trắc	gửi	về	là	tập	hợp	
các	mảng	 số	 thực:	mảng	giá	 trị	 suất	 liều,	 nhiệt	
độ,	độ	ẩm	và	mảng	giá	trị	phổ	năng	lượng.	Với	
kinh	nghiệm	từ	trước	về	chế	tạo	các	thiết	bị	điện	
tử	 hạt	 nhân,	 phần	mềm	 điều	 khiển	 được	 nhóm	
thực	hiện	trên	phần	mềm	LabVIEW	của	National	
Instruments	 (G)	kết	hợp	với	việc	sử	dụng	công	
cụ	Microsoft	Visual	Studio	2015	(C#).	Mỗi	phần	
mềm	có	thế	mạnh	riêng,	LabVIEW	rất	đơn	giản	
trong	 việc	 thể	 hiện	 giao	 diện	 đồ	 thị	 trực	 quan,	
Visual	Studio	lại	hỗ	trợ	trong	việc	thể	hiện	bản	đồ	
phóng	xạ.	Việc	kết	hợp	hai	phần	mềm	nhằm	đơn	
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
32 Số 49 - Tháng 12/2016
giản	hóa	 công	việc	 thiết	 kế	 và	 viết	mã	 chương	
trình.	Dưới	đây	là	mô	hình	hoạt	động	của	phần	
mềm	điều	khiển:
Hình 4: Mô hình hoạt động của phần 
mềm ERMS KC05.
Chương	trình	sau	khi	được	khởi	động	sẽ	
tiến	hành	khởi	 tạo	các	dữ	 liệu	 trong	bộ	nhớ	và	
tiến	hành	đọc	danh	sách	thiết	bị.	Danh	sách	này	
do	người	sử	dụng	quản	lý,	có	thể	thêm	hoặc	bớt	
bất	kì	một	thiết	bị	nào	nếu	không	muốn	hiển	thị.	
Dữ	liệu	hệ	quan	trắc	sau	đó	sẽ	được	 tải	vào	bộ	
nhớ	chương	trình,	 tiến	hành	khởi	tạo	vị	 trí	 theo	
danh	sách	đã	đọc,	hiển	thị	và	lưu	trữ	dữ	liệu.	Mặc	
định,	 khi	 khởi	 động,	 chương	 trình	 sẽ	 nhảy	 vào	
giao	diện	tổng	quan	chi	tiết	với	bản	đồ	vị	trí.	Nếu	
có	lệnh	từ	người	sử	dụng,	chương	trình	sẽ	nhảy	
vào	giao	diện	hiển	thị	kết	quả	chi	tiết	hay	không.	
Quá	trình	này	sẽ	được	lặp	lại	cho	đến	khi	người	
sử	dụng	thoát	khỏi	chương	trình	phần	mềm.
Kết quả và thảo luận
Độ	ổn	định	của	phương	pháp	truyền:	Hệ	
thiết	bị	quan	trắc	cảnh	báo	phóng	xạ	môi	trường	
bắt	đầu	hoạt	động	chính	thức	từ	đầu	năm	2016.	
Trong	vận	hành,	 thiết	bị	đôi	khi	bị	mất	kết	nối	
internet	 do	 đường	 truyền,	 còn	 việc	 lưu	 trữ	 dữ	
liệu	 trực	 tuyến	 thì	vẫn	hoạt	động	 tốt.	Theo	như	
cam	kết	nhà	cung	cấp	dịch	vụ	lưu	trữ	trực	tuyến	
thì	 hệ	 thống	máy	 chủ	 hoạt	 động	 24/7	 nên	 việc	
truyền	dữ	liệu	về	trung	tâm	luôn	được	đảm	bảo.	
Dưới	sự	điều	phối	dữ	liệu	thông	qua	phần	mềm	
mà	nhóm	thực	hiện	thiết	kế,	dung	lượng	lưu	trữ	
trên	internet	luôn	luôn	được	tối	ưu,	đảm	bảo	băng	
thông	 truyền	 tối	 đa	 và	 không	mất	 phí	 cho	 việc	
truyền	dữ	liệu,	đây	là	một	thuận	lợi	rất	lớn	trong	
việc	duy	trì	hoạt	động	của	thiết	bị.
Hình 5: Giao diện chính chương trình 
phần mềm điều khiển.
Phần	mềm	điều	khiển:	Hiện	 tại,	hệ	máy	
tính	 quan	 trắc	 kèm	 phần	 mềm	 điều	 khiển	 mà	
nhóm	thực	hiện	thiết	kế	được	đặt	tại	Viện	Khoa	
học	và	Kỹ	thuật	hạt	nhân.	Phần	mềm	gọn	nhẹ	(~4	
MB),	tiêu	tốn	ít	tài	nguyên	máy	tính	và	khả	năng	
tự	đồng	bộ	dữ	liệu	với	thiết	bị	khi	có	sự	kiện	dữ	
liệu	từ	hệ	quan	trắc	gửi	về.	Phần	mềm	thiết	kết	
hoạt	động	với	các	chức	năng	chính	như	sau:
-	Điều	khiển	thu	nhận	và	quản	lý	số	liệu	
toàn	hệ	quan	trắc,
-	Biểu	diễn	phổ	phóng	xạ	và	chỉ	thị	số	liệu	
toàn	hệ,
-	Cảnh	báo	phóng	xạ.
Hình 6: Giao diện chi tiết chương trình 
phần mềm điều khiển.
Dữ	 liệu	 ghi	 nhận	 được	giữa	 hai	 thiết	 bị	
ghi	nhận	được	có	dáng	điệu	và	kết	quả	tương	đối	
trùng	khớp	nhau.	Tuy	nhiên,	 tại	vị	 trí	xuất	hiện	
đỉnh,	do	hai	thiết	bị	có	cấu	tạo	khác	nhau,	thiết	
bị	của	Hàn	Quốc	được	làm	từ	nhựa,	con	thiết	bị	
do	nhóm	thực	hiện	chế	tạo	làm	từ	inox	nên	mức	
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
33Số 49 - Tháng 12/2016
độ	suy	giảm	bức	xạ	gamma	khi	đến	đầu	dò	sẽ	lớn	
hơn,	nhưng	sự	chênh	lệnh	này	là	không	đáng	kể.	
Tính	chính	xác	của	kết	quả	mà	hệ	thiết	bị	quan	
trắc	do	nhóm	thực	hiện	thiết	kế,	chế	tạo	hoàn	toàn	
tin	tưởng	và	chấp	nhận	được.
Hình 7: Giao diện chương trình điều 
khiển hút bụi khí và đo phổ tự động.
Hình 8: Kết quả ghi nhận suất liều tại ba 
vị trí: Hà Nội, Lào Cai và Hải Phòng.
Hình 9: Tương quan dữ liệu suất liều của 
hai thiết bị Việt Nam và Hàn Quốc.
Kết luận
Với	thời	gian	lưu	trữ	dữ	liệu	trên	internet	
như	 hiện	 tại,	 việc	 sử	 dụng	 phương	 thức	 truyền	
dữ	liệu	thông	qua	lưu	trữ	điện	toán	đám	mây,	hệ	
quan	 trắc	 có	 thể	 ghép	 nối	 với	 hơn	 200	 thiết	 bị	
(~2	GB)	mà	không	mất	phí.	Số	lượng	này	có	thể	
tăng	gấp	đôi	thông	qua	việc	cài	đặt	điều	khiển	thu	
nhận	dữ	liệu	dưới	phần	mềm	trung	tâm.	
Hình 10: Một vài hình ảnh triển khai thực 
tế hệ thiết bị quan trắc cảnh báo phóng xạ.
Với	khả	năng	làm	việc	theo	thời	gian	thực,	
phần	mềm	tại	trung	tâm	điều	khiển	cung	cấp	một	
cái	nhìn	tổng	quan	về	tình	hình	biến	động	phóng	
xạ	trong	môi	trường.	Thiết	kế,	chế	tạo	thành	công	
hệ	 thiết	 bị	mang	 thương	hiệu	Việt	Nam,	mở	 ra	
khả	năng	làm	chủ	thiết	bị,	giải	quyết	vấn	đề	nội	
địa	hóa	thiết	 thị,	góp	phần	xây	dựng	mạng	lưới	
quan	trắc	cảnh	báo	phóng	xạ	quốc	gia.
Nguyễn Thanh Hùng và Nguyễn Xuân Vịnh
Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội