RadSens - дозиметр для Arduino

Я приветствую Вас уважаемые радиофилы и радиофобы! Я в своем стремлении познать окружающий мир и измерить все, что можно измерить, конечно не мог обойти стороной такое явление как радиация. Это было лишь вопросом времени. Наверняка, всем читающим этот обзор в той или иной мере это явление знакомо, но для порядка приведу определение. Как гласит википедия, радиация, а если называть это явление правильно то следует использовать понятие ионизирующее излучение — это потоки фотонов и других элементарных частиц или атомных ядер, способные ионизировать вещество.

И радиофилам и радиофобам необходимы приборы, позволяющие измерять эту самую радиацию. В качестве датчиков ионизирующего излучения в быту и промышленности наибольшее распространение получили дозиметры на базе счётчиков Гейгера. Счётчик Гейгера — газоразрядный прибор, в котором ионизация газа излучением превращается в электрический ток между электродами. Как правило, такие приборы корректно регистрируют только гамма-излучение. Таким образом, дозиметр по сути своей довольно простой прибор включающий трубку Гейгера, источник высокого напряжения и схему обработки импульсов. В зависимости от своих конструктивных особенностей дозиметры могут регистрировать различные виды излучения. Мне, как человеку увлекающемуся электроникой, хотелось сделать дозиметр самостоятельно, как говорится, с преферансом и поэтессами делать я этого конечно не буду.

Тема дозиметров своими руками довольно популярна, поэтому на рынке есть множество модулей, включающих схему питания счетчика Гейгера и схему обработки импульсов для подключения к различным платформам для разработки.

Я уже давно купил трубку Гейгера СБМ-20-1 и высоковольтный источник напряжения, и дело оставалось за малым, но все же был соблазн купить один из доступных готовых наборов для самостоятельной сборки, отталкивала лишь цена этих наборов. И совсем недавно мне попался на глаза модуль дозиметра Radsens от отечественной компании Climateguard. О нем и пойдет речь.

Модуль RadSens — встраиваемый дозиметр-радиометр на основе газоразрядного счетчика Гейгера-Мюллера СБМ20-1 с интерфейсом I2C. Radseds может работать как автономно без подключения к микроконтроллеру, отображая уровень радиации миганием светодиода, так и в составе внешнего микроконтроллера Ардуино, STM или Raspberry или любого другого. В качестве выходных данных датчик формирует 3 значения:
— Интенсивность излучения (мкР/ч) c алгоритмом сильного осреднения
— Интенсивность излучения (мкР/ч) c алгоритмом регистрации локальных источников и загрязнений с динамическим диапазоном времени расчета
— Количество импульсов с момента последнего запроса

Radsens можно приобрести как в комплекте с трубкой, так и без нее. Кстати трубку дешевле можно купить на авито и подобных площадках. Я именно так и сделал. Трубка была в составе незаконченной платы для дозиметра.

У Climateguard есть две разновидности модулей для счетчика Гейгера СБМ-20-1 (v.1.2) и СБМ-20 (v.1.4), которые отличаются только размером и способом установки трубки на плату. Трубка СБМ-20 устанавливается в специальные разъемы, а СБМ-20-1 устанавливается посредством пайки.

Вот основные характеристики модуля дозиметра Radsens:

Radsens v.1.2	Параметр
Газоразрядный счетчик	СБМ20-1
Напряжение питания	3,0… 3,5 В
Ток потребления	(не более) 50 мА
Интерфейс подключения	I2C
Частота шины I2C	400 кГц
I2C адрес (по умолчанию)	0x66
Чувствительность СБМ20-1	105 имп/мкР
Светодиодный индикатор импульсов	да
Светодиодный индикатор питания	нет
Возможность точной подстройки чувствительности счетчика	да
Диапазон рабочих температур	-20°C… +60°C
Размеры	88 х 21 х 13 мм
Вес устройства	12 г

В комплекте сама плата и довольно длинный кабель для подключения по I2C. Не все продавцы столь щепетильны и порой приходится долго искать кабель с подходящим разъемом, поэтому за это отдельный маленький плюс. Разъем — XH-4P, шаг 2.54 мм.

Плата поддерживает работу с любым сенсором с анодным напряжением 380-400 вольт. Например, СБМ20, J305, M4011, СТС-5. По-умолчанию установлена чувствительность в 105 имп/мкР, которая подходит для СБМ-20-1. При использовании другой трубки необходимо настроить чувствительность сенсора через I2C.

Логическая часть схемы основана на базе микроконтроллера STM32. На плате есть контакты, очевидно, для прошивки STM32. При этом прошивка микроконтроллера, как и схема самого сенсора закрыты. Передача данных осуществляется по интерфейсу I2C. Поддерживается изменение адреса I2C и выключение генератора высокого напряжения для снижения энергопотребления.

Для установки трубки СБМ-20-1 я использовал проволоку, которую часто используют для фиксации проводов. Припаяв один конец проволоки, я немного натягивал её плоскогубцами чтобы зафиксировать трубку и затем припаивал второй конец. Немного пришлось повозиться с пайкой минусового контакта трубки. Так как трубка покрыта какой-то пленкой, к ней не прилипал припой, поэтому пришлось воспользоваться кислотой и слегка почистить трубку лезвием канцелярского ножа. Для проверки работоспособности модуль достаточно подать питание. При этом допустимым напряжением питания является только 3,6 вольт, подача превышающего напряжения может привести к выходу модуля из строя. После подачи питания о детектировании ионизирующего излучения сигнализирует синий светодиод.

Производитель предлагает библиотеку для работы Radsens в Arduino IDE. В составе библиотеки есть пример, который демонстрирует основные возможности модуля. Я в качестве управляющей платформы использовал TTGO T-OI, который построен на базе ESP8266, совместим по распиновке с Wemos D1 mini, имеет схему управления аккумулятором и groove-коннектор для подключения устройств по I2C. Следуя шелкографии я подключил сенсор к плате, залил пример, но меня ждало разочарование — данные от сенсора не поступали.

Еще раз проверил соединение сенсора и T-OI, запустил I2C-сканер — сенсор не обнаружен. Тут несколько вариантов, худший — неисправен сенсор, лучший — неверная маркировка разъема. Чтобы исключить возможную неправильную маркировку, я прозвонил разъем на T-OI — всё в порядке пин SDA соединен с выводом SDA grove-разъема, SCL с SCL соответственно. Но, возможно, маркировка перепутана на стороне сенсора, поэтому я поменял местами SDA и SCL на разъеме и после подачи питания всё заработало. Но, перед тем как заявлять о неправильной шелкографии на плате сенсора, я решил еще раз проверить распиновку T-OI, сравнив её с wemos D1 mini, и обнаружил, что пин D4 обозначен как SCL, а D5 как SDA, на Wemos наоборот, что соответствует аппаратному I2C ESP8266. Поэтому при подключении порой стоит обращать внимание не только на шелкографию и на схему устройства.

Фон ионизирующего излучения (или радиационный фон) — суммарное излучение от природных и техногенных источников. В России радиационный мониторинг окружающей среды осуществляют федеральная служба Росгидромет и государственная корпорация Росатом. По данным Росгидромета на территории Российской Федерации мощность экспозиционной дозы γ-излучения (МЭД) находится в основном в пределах колебаний естественного радиационного фона (9—16 мкР/ч). Несколько скорректировав код для вывода значений на график, можно отслеживать колебания фона во времени. Как видим, фон соответствует норме.

Вывод в монитор com-порта это конечно наглядно, но хочется не быть привязанным к компьютеру, поэтому я решил сделать автономную версию дозиметра с дисплеем. У меня есть несколько платформ для разработки на базе ESP32 с дисплеем. Изначально я хотел использовать платформу от Makerfabs, но её главный недостаток — отсутствие возможности питания от аккумулятора, поэтому в итоге я выбрал TGGO T-Watch, знакомую по моим прошлым обзорам. С подключением особых проблем не возникло, пришлось лишь в библиотеке изменить номера пинов шины I2C. Я немного увлекся и набросал простой интерфейс. На миниатюрном дисплее не удалось разместить все желаемые элементы интерфейса, но он получился достаточно информативным. В нижней части дисплея выводится график интенсивности излучения, выводится как динамическая так статическая интенсивность с неким подобием прозрачности. В центре дисплея выводится непосредственно значение динамической интенсивности, для этого используется приятный кастомный шрифт Orbitron. (Да, я уже знаю, что для обозначения «микро» нужно было использовать «u» а не «mk».) В верхней части выводится шкала текущего уровня динамической интенсивности, ограниченная максимумом в 20 мкР/ч, именно такое значение в некоторых источниках указано как допустимая норма. И при превышении этого значения появляется предупреждение в левой половине дисплея. Хотел ещё добавить гистограмму, но на дисплее уже не хватило места. Остались пока нереализованным функции сохранения значений на карту памяти и выключение дисплея для экономии энергии. Датчик потребляет порядка 50 мА, я специально не замерял, но при постоянно включенном дисплее заряда аккумулятора хватает не более чем на час. Код проекта доступен на гитхаб.

Я попытался найти у себя дома какой-либо источник с повышенным фоном, но такого не обнаружилось (и слава Богу!). Были проверены, строительные материалы, овощи-фрукты, соль. На самом деле я проверил это все ещё с дозиметром, подключенным к компьютеру, а автономную версию собрал чтобы взять её с собой на выходных к родителям. Я несколько лет назад собирал коллекцию минералов, которые выходили вместе с журналом «Минералы сокровища земли». А среди минералов довольно часто встречаются радиоактивные. И действительно при измерении фона рядом с коробкой, в которой собраны минералы, динамическая интенсивность немного превышала 20 мкР/Ч, но при повторном обследовании установить конкретный минерал — источник повышенного фона не удалось. Я взял несколько образов, чтобы отдельно замерить их фон. Потенциально радиоактивными из моей коллекции могли быть целестин (SrSO4) и берил Al2[Be3(Si6O18)], но измерение не показало какого-либо заметного превышения фона.

Ещё одним возможным источником повышенного радиационного фона в доме у родителей могли быть наручные часы, которых достаточно много, так как брат увлекается их ремонтом. И действительно проверяя небольшую коробку с часами я зарегистрировал заметное повышения фона до 40 мкР/ч. Я стал искать источник повышенного фона и выяснил, что это вовсе не часы, а хрустальная салатница, которая стояла рядом. Я слышал про урановое стекло, но эта салатница не обладает характерным для такого стекла зеленоватым оттенком. При помещении датчика в салатницу, динамическая интенсивность достигает 45 мкР/ч. (На тот момент еще не было реализовано масштабирование графика, поэтому он «наезжает» на другие элементы интерфейса.) Я не знаю насколько опасен такой фон, но рекомендовал родителям убрать подальше эту салатницу.

Уже после поездки к родителям я нашел оригинальный корпус для сенсора — прозрачную трубку, в которую были упакованы наушники из FixPrice. Модуль идеально поместился внутрь, кабель завел через гермоввод. В таком виде его можно использовать в качестве выносного сенсора, например, для метеостанции. В корпусе еще достаточно места и есть идея взять какую-нибудь Arduiono Pro Mini и уместить весь дозиметр внутрь этой трубки, но это пока только идея.

В видео наглядно показана работа «дозиметра».


В заключение отмечу что мне данный модуль понравился — невысокая цена и простота использования главные его плюсы. Есть подробная документация на русском языке, и хорошо работает техподдержка. Качество изготовления также на высоте. Я вижу несколько вариантов использования данного сенсора:
— мобильный дозиметр с выводом на дисплей;
— мобильный дозиметр с подключением к смартфону;
— стационарный онлайн-дозиметр с выводом данных в облако.
Конечно некоторые скажут, что это просто игрушка, я тем не менее считаю, что это ещё один доступный инструмент для познания окружающего мира. И этот инструмент порой может быть весьма полезен.

P.S.
Я надеюсь, в ближайшем будущем дозиметр не станет для нас тем прибором, без которого не выйти на улицу, и желаю всем мира и добра!