Flipper Zero 集成盖革计数器：嵌入式 C 实现实时辐射检测与警报
详细说明如何在 Flipper Zero 固件中集成盖革-穆勒管，实现辐射实时监测、SD 卡数据记录以及基于阈值的警报机制。
在嵌入式系统中，实时监测辐射水平是一个实用且重要的功能，尤其是在便携式设备如 Flipper Zero 上。Flipper Zero 是一款开源的多功能开发板，基于 STM32WB55 微控制器，支持自定义固件开发。本文聚焦于将盖革-穆勒管（Geiger-Muller tube）集成到 Flipper Zero 的固件中，使用嵌入式 C 语言实现辐射的实时检测、数据通过 SD 卡记录，以及基于阈值的警报系统。这种集成不仅适用于教育和业余爱好者，还可扩展到环境监测或紧急响应场景。
硬件集成基础
盖革-穆勒管是一种经典的辐射检测传感器，主要响应 β 和 γ 射线（α 射线通常需特殊设计才能检测）。典型管如 J305 类型，需要 400-500V 的高压供电，并通过脉冲输出信号表示辐射事件。Flipper Zero 的 GPIO 引脚（如 A7）可用于捕获这些脉冲，而高压部分需外部电路提供，例如使用 DC-DC 升压模块从 3.3V 升至所需电压。
连接方案简单：盖革管的输出引脚连接到 Flipper Zero 的 GPIO A7（配置为输入中断模式）。SD 卡槽已内置，支持 FAT 文件系统。电源管理至关重要，因为高压电路会增加功耗；建议使用外部电池供电，并监控电压以避免管子误触发。测试时，可短接 A4 到 A7 模拟脉冲，频率每秒变化，用于验证软件逻辑，而无需实际辐射源。
在实际部署中，选择低功耗管子，并添加屏蔽以减少电磁干扰。辐射阈值设定需参考标准：正常环境背景辐射约 0.1-0.2 μSv/h，高于 1 μSv/h 可能需警报。
嵌入式 C 软件实现：中断驱动的计数
Flipper Zero 的固件基于 C 语言，使用 libopencm3 或官方 SDK 开发。核心是中断服务程序（ISR）来处理盖革管脉冲。STM32 的 EXTI（外部中断）模块适合此任务。
首先，初始化 GPIO 和中断：
#include <furi.h>
#include <furi_hal.h>
#include <gpio.h>
#define GEIGER_PIN GPIOA, 7 // A7 引脚
void geiger_init() {
nrf_gpio_cfg_input(GEIGER_PIN, NRF_GPIO_PIN_NOPULL); // 输入，无上拉
// 配置中断：下降沿触发（脉冲为负脉冲）
nrf_gpiote_int_enable(GEIGER_PIN, NRF_GPIOTE_POLARITY_HITOLO, true);
NVIC_EnableIRQ(GPIOTE_IRQn); // 启用中断
}
中断处理函数中递增计数器，并记录时间戳：
volatile uint32_t count = 0;
volatile uint32_t last_time = 0;
void GPIOTE_IRQHandler(void) {
if (nrf_gpiote_event_is_set(GEIGER_PIN)) {
nrf_gpiote_event_clear(GEIGER_PIN);
count++;
last_time = furi_get_tick(); // 获取系统 tick
}
}
实时检测依赖 CPS（每秒计数）和 CPM（每分钟计数）的计算。使用定时器每秒中断更新：
void timer_callback(FuriTimer* timer) {
uint32_t now = furi_get_tick();
uint32_t cps = (now - last_time > 1000) ? 0 : count; // 简化 CPS
count = 0; // 重置计数
// 转换为剂量率：μSv/h ≈ CPM * 0.0057（针对 J305 管校准因子）
float dose = cps * 60 * 0.0057;
// 更新 UI 或日志
if (dose > THRESHOLD_HIGH) { // e.g., 1.0 μSv/h
buzzer_beep(); // 警报
vibrate();
}
}
定时器初始化：furi_timer_start(timer, 1000);（1 秒间隔）。这种中断驱动方式确保低延迟响应，即使在主循环处理 UI 时也不会丢失脉冲。注意：STM32 的 64MHz 时钟提供高精度时间戳，用于后续哈希随机数生成（如原子骰子应用）。
数据记录：SD 卡日志
Flipper Zero 支持 SD 卡通过 SPI 接口访问，使用 FATFS 库记录数据。辐射事件需持久化，便于后期分析或绘图。
实现日志函数：
#include <fatfs.h>
FIL file;
char filename[32];
uint32_t epoch = 0;
void log_init() {
f_get_time(&ftime); // 获取时间
sprintf(filename, "/geiger-%04d-%02d-%02d--%02d-%02d-%02d.csv",
year, month, day, hour, min, sec);
f_open(&file, filename, FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);
f_puts("epoch,cps,dose_usv_h\n", &file); // CSV 头
}
void log_data(uint32_t cps, float dose) {
char buf[64];
sprintf(buf, "%lu,%lu,%.2f\n", epoch++, cps, dose);
f_puts(buf, &file);
f_sync(&file); // 确保写入
}
在定时器回调中调用 log_data(cps, dose);。文件名为时间戳格式，便于排序。SD 卡容量限制下，建议每分钟同步一次，或检测高辐射时立即写入。功耗优化：仅在记录模式启用日志，长按按钮切换（UI 通过 LVGL 或官方 GUI 实现）。
对于大容量记录，可添加压缩或仅存异常事件。但基础版已支持数小时连续监测，CSV 易导入 Excel 或 Python 绘图。
警报阈值与可落地参数
警报系统是安全核心。定义多级阈值：
-
低警报：0.5 μSv/h（黄色 LED 闪烁）
-
高警报：1.0 μSv/h（蜂鸣器 + 振动）
-
紧急：10 μSv/h（连续警报 + 屏幕大字体显示）
在 C 代码中：
#define TH_LOW 0.5f
#define TH_HIGH 1.0f
#define TH_EMERG 10.0f
void check_alert(float dose) {
if (dose > TH_EMERG) {
// 紧急：全屏警报
gui_draw_text(canvas, 10, 10, "EMERGENCY RADIATION!", 20, &font);
buzzer_beep(1000, 500); // 1kHz, 500ms
notification_message(VIBRO_ON);
} else if (dose > TH_HIGH) {
notification_message(LED_YELLOW_BLINK);
buzzer_beep(800, 200);
} else if (dose > TH_LOW) {
notification_message(LED_YELLOW_ON);
}
}
阈值基于 IAEA 标准调整，针对盖革管校准（β/γ 灵敏度）。参数落地：
-
采样率：1 秒 CPS 更新，平衡精度与功耗（STM32 低功耗模式下 <10mA）。
-
滤波：使用移动平均平滑 CPS，避免噪声：
avg_cps = 0.8 * avg_cps + 0.2 * new_cps;。 -
校准：用已知源（如烟雾探测器中的 Am-241）测试，调整转换因子（典型 0.0057 μSv/h per CPM）。
-
回滚策略：若 SD 写入失败，回退到内存缓冲（环形队列 100 条记录）。中断优先级设高，确保不被 UI 阻塞。
-
监控点：日志中添加电压、温度（若集成传感器）；固件版本检查兼容性。
潜在风险与优化
集成风险包括高压安全（避免短路）和假阳性（宇宙射线或 EMI）。建议添加死时间补偿（管子脉冲后 100μs 忽略），公式：真实 CPS = 记录 CPS / (1 - 记录 CPS * 死时间)。
电源：Flipper Zero 电池续航约 8 小时监测；优化中断唤醒模式。扩展：集成 BLE 传输数据到手机，或与 GPS 模块结合定位辐射热点。
测试用例：环境背景（~10 CPM）、铀矿样品（数百 CPM）。应用如“原子骰子”利用辐射熵生成真随机数，哈希时间戳（CRC32 或 MD5）。
此集成展示了嵌入式 C 在硬件-软件协同中的威力。通过 Unleashed 或 Momentum 固件，可快速原型。开发者需注意辐射法规，仅用于合法教育目的。
（字数：约 1250 字）
参考：Flipper Zero 官方文档；第三方固件如 Unleashed（GitHub）。实际部署前，验证硬件兼容性。