НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Фомичев Борис Георгиевич,

средняя школа ╧ 187, 11 класс

Научный руководитель:

Цибизова Татьяна Юрьевна,

кандидат философских наук,

доцент кафедры «Системы автоматического управления»

МГТУ имени Н.Э.Баумана

Введение

Работа посвящена сбору и наладке работы Охранной сигнализации (ОС) для бытовых целей, а также повышению надежности данного устройства за счет использования разнообразных дополнительных датчиков и Цифрового кодового замка (ЦКЗ). Изучены способы использования Инфракрасного барьера (ИКБ)

Объектом работы является Охранная Сигнализация дом / магазин

Целью работы является создание универсального устройства, c повышенной степенью секретности и высокой степенью надежности, способного выявлять посторонние тела и нарушения заданной обстановки. Данное устройство будет оповещать о каких-либо нарушениях с помощью звуковых и световых датчиков. Включение / Выключение системы производится с помощью специального цифрового замка с уникальным кодом, заданным с помощью программирования.

Актуальность работы заключается в том, что с развитием экономики и ростом благосостояния населения также, к сожалению, возрастает и необходимость защиты помещений от несанкционированного проникновения посторонних лиц. Используемые ОС должны постоянно совершенствоваться, но при этом важным остается вопрос о сочетании качества / доступности по цене. Поэтому многофункциональная модернизация уже существующих надежных ОС различными современными датчиками и дополнительными носителями кодированной информации, безусловно, актуальна.

Общее описание. В последнее время только многофункциональные охранные устройства могут обеспечить надежную защиту помещений. При этом особую актуальность приобретает сочетание надежности и качества устройства. Современные охранные сигнализации должны работать с любыми датчиками: с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами. В системе должны быть предусмотрены устройства для регулирования временных промежутков включения / выключения задержки срабатывания сигнализации, интервала повторного включения продолжительности звучания сирены. Для экстренного включения сигнализации предусматривается "тревожная" кнопка. В случае отключения сетевого напряжения в устройстве обычно устанавливается автоматическая подача резервного питания. Кроме того, важно, чтобы отключение сигнализации осуществлялось только с помощью дополнительного устройства с кодовой информацией (например, электронным цифровым замком). Наличие световых индикаторов позволяет сразу определить, какой из датчиков охранной сигнализации сработал,  и обнаружить причину подачи сигнала.

Постановка задачи

Для достижения заявленных целей предусматривается решение следующего комплекса задач:

•         Сборка и тестирование ОС

•         Сборка и тестирование ЦЗ, ИКБ

•         Модернизация собранного ОС путем подключения датчиков и ЦЗ

•         Программирование ЦЗ

•         Экспериментальные исследования возможностей и надежности созданного устройства.

•         Оценка целесообразности и эффективности применения модернизаций в  ОС.

Источниками для создания устройства являются:

•         Охранная Сигнализация дом / магазин  НАБОР МАСТЕР КИТ NS173

•         Цифровой электронный замок НАБОР МАСТЕР КИТ NK112

•         Инфракрасный барьер НАБОР МАСТЕР КИТ NK083

•         Датчики для охранных систем (Герконы) НАБОРЫ МАСТЕР КИТ  AK109, AK110

Результатом работы является создание экономичной ОС, обладающей высокой степенью надежности.

1. Принципы реализации Охранной сигнализации

1.1. Охранные сигнализации, их смысл и свойства

1.1.1. Значение Охранных сигнализаций

Система охранной сигнализации – неотъемлемая часть любой системы безопасности. Именно поэтому, выбору оборудования для охранной сигнализации следует уделять особое внимание. Наиболее важными характеристиками систем является их надежность, удобство установки, настройки и эксплуатации, гибкость и масштабируемость системы. Кроме того, в последнее время одним из основных требований к системам охранной сигнализации является возможность работы оборудования с персональным компьютером в рамках интегрированной системы безопасности.

1.1.2. Типы Охранных сигнализаций

Все виды охранных сигнализаций можно разделить на стационарные (устанавливаемые в каком-то определенном месте в помещении) и мобильные (которые можно переносить с места на место). Простейший пример стационарного устройства - тревожная кнопка. Вы нажали ее, и охрана в курсе, что на вас совершено нападение. Примером мобильного устройства может служить маленькая сирена, установленная под дверь.

Другим типом ОС являются аналоговые охранные панели. Отличие этого оборудования, прежде всего в том, что оно контролирует положение шлейфа и различает состояние «норма», «тревога», «повреждение шлейфа». Эти особенности делают этот класс охранных панелей более защищенным, устойчивым к интеллектуальному взлому.

Также в последние годы все чаще используются цифровые охранные панели. Они защищают не только от повреждений линий связи, но и от подмены аналогичными устройствами. Опрос каждого шлейфа происходит 180 раз в секунду.

Еще один тип ОС – это радиоохранные сигнализации - сигнализации, действующие с помощью радиоканала. Основное их преимущество - высокая мобильность, отсутствие строительно-монтажных работ, возможность использования при охране объектов, требующих минимального вмешательства (памятники архитектуры, музеи и т.д.).

Конструкция и дизайн извещателей позволяют устанавливать многие из них скрытно, а при открытой установке не портить своим внешним видом интерьеры внутренних помещений и архитектуру коттеджей.

Вместе с тем наиболее востребованными являются комбинированные ОС, сочетающие в себе по возможности качества всех вышеперечисленных типов сигнализаций. Поэтому, в разрабатываемой в данной работе ОС, мы использовали эти принципы

1.1.3. Состав системы охранной сигнализации

Задача системы защиты заключается в том, чтобы отметить факт вторжения и сообщить о нем с целью задержания или отпугивания случайного вора. Электронная охранная система должна дополнять минимальный набор средств механической защиты. Кроме того, если вы находитесь дома, такая система может функционировать частично и обеспечивать безопасность, к примеру, ночью.

Классическая охранная система, предназначенная для предотвращения вторжения или воровства, состоит из следующих элементов:

А. Контрольная панель.

Б. Устройства управления (клавиатура и т.п.).

В. Сигнальные устройства (сирена и т.д.).

Г. Датчики.

Центром любой охранной системы является контрольная панель, которая производит обработку данных с датчиков, клавиатур и активирует сигнальные устройства в случае тревоги.

А. Контрольная панель охранной сигнализации

Основными задачами контрольной панели являются:

·         обработка информации, полученной датчиками;

·         питание датчиков при необходимости (проводной пульт);

·         наблюдения за должным функционированием датчиков и соединений;

·         управление звуковыми, световыми  и дистанционными сигналами тревоги.

Если система находится на охране и один из подключенных датчиков переходит в режим «тревога», контрольная панель активирует подключенные сигнальные устройства по заданному алгоритму.

Современные контрольные панели позволяют подключенные датчики программно объединять в зоны. Ниже представлены основные типы охранных зон:

·         Зона входа / выхода. В эту зону включаются охранные датчики, расположенные на пути входа и выхода из помещения. Контрольная панель активирует сигнальные устройства по сигналу от датчиков из этой зоны только после временной задержки, которая необходима для постановки или снятия системы сигнализации с охраны.

·         Проходная зона. Так же формирует тревожный сигнал после временной задержки. В эту зону включаются датчики, расположенные по пути движения владельца охраняемого помещения к пульту управления (клавиатуре). Задержка тревоги происходит только в том случае, если порядок полученных сигналов от охранных датчиков соответствует заданному. Например, 1-й сигнал от датчика двери, 2-й от датчика в прихожей, 3-й от датчика в коридоре, где установлена клавиатура. Если же датчик в коридоре сработал раньше, чем датчик открытия двери, то активация сигнальных устройств происходит немедленно.

·         Мгновенная зона. При получении контрольной панелью сигнала от датчиков из этой зоны, запуск сигнальных устройств происходит незамедлительно.

·         24-х часовая круглосуточная зона. Если контрольная панель сигнализации получает тревожный сигнал от датчика из этой зоны, то сигнальные устройства активизируются незамедлительно вне зависимости, стоит сигнализация «на охране» или нет. Как правило, в эту зону включаются так называемая тревожная кнопка, применяемая для вызова служб реагирования.

·         Тамперная зона. В эту зону включаются не датчики, а их специальные контакты - тамперы. Тревожный сигнал формируется при попытке демонтажа или вскрытия датчика. Тамперные контакты так же могут подключаться от клавиатур, сирен и любых других устройств системы охранной сигнализации.

Обычно охранные системы позволяют ставить под охрану помещение раздельно по зонам, что бывает очень удобно. Простой пример: датчики, располагающиеся по периметру охраняемого объекта, объединяются в одну зону. Такая зона может быть поставлена на охрану в то время, когда Вы находитесь дома. При этом, датчики, установленные внутри помещений, будут отключены, позволяя Вам одновременно быть под защитой и спокойно перемещаться из помещения в помещение. Поэтому в данной работе мы использовали комбинированные датчики периметра / контура (ИКБ), что позволило значительно расширить возможности разрабатываемой ОС

Б. Устройства управления сигнализацией

Для постановки и снятия охранной сигнализации с охраны используются различные устройства управления. Это могут быть:

·         Сенсорная клавиатура. Может располагаться непосредственно на корпусе контрольной панели или устанавливаться отдельно, как правило, не далеко от входа в охраняемое помещение. Постановка/снятие с охраны осуществляется набором цифрового кода.

·         Носимый радио-брелок. Удобное средство управления охранной сигнализацией.

·         Электронные ключи. Чаще всего используются пластиковые проксимити-карточки или ключи Touch Memory («таблетки»).

В. Сигнальные устройства

Сигнализационные средства охранных систем применяются с целью: привлечь внимание случайных лиц, оказавшихся поблизости (соседи, патруль); оказать психологическое воздействие на нарушителя, который, испугавшись, бросится бежать.

Типы сигнальных устройств:

·         Звуковые сирены. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические и динамические сирены.

·         Строб-вспышки. Являются световыми оповещателями о тревоге посредством световых попеременных ярких вспышек.

·         Комбинированные:  звуковая сирена плюс строб.

·         Голосовые дозваниватели. При активации передают заранее записанное голосовое сообщение (например: «охранная тревога в офисе компании «Рога и Копыта», примите меры») на телефонные номера доверенных лиц. Передача осуществляется по проводным телефонным линиям.

·         GSM модемы. Применяются для передачи тревожных и технологических SMS сообщений или в качестве каналообразующего оборудования там, где отсутствует проводная телефонная линия.

·         Цифровые коммуникаторы. Передают информацию о состоянии на объекте охраны на централизованный пульт наблюдения.

Г. Датчики охранные

Датчики являются своеобразными сенсорами системы. В настоящее время на рынке представлено большое разнообразие различных типов датчиков, некоторые из них являются узкоспециализированными.

Для обеспечения охраны большинства объектов обычно обходятся четырьмя следующими типами охранных датчиков:

1. Магнитоконтактные. Применяются для защиты дверей и окон от несанкционированного открытия. Состоят из 2-х элементов, один устанавливается на подвижную часть окна или двери, второй на неподвижную дверную коробку или раму. Существуют исполнения для поверхностного и скрытого монтажа.

Преимущества:

o        Низкая стоимость;

o        Возможность скрытой установки;

o        Высокая защита от ложных тревог.

Недостатки:

o        Сложность скрытого монтажа, особенно на оконные рамы;

o        Защита только от несанкционированного открытия двери или окна. Не помогают при проломе или разбитии стекла.

2. Пассивные инфракрасные (ИК). Принцип действия таких датчиков основан на контроле за инфракрасным (тепловым) излучением в защищаемом помещении. При изменении инфракрасного фона в помещении, что происходит в момент перемещения человека, датчик формирует сигнал тревоги. Еще такие датчики называют датчиками движения.

Существуют инфракрасные пассивные датчики с различными диаграммами обнаружения: объемной, круговой, типа «штора» или «коридор». Наибольшее распространение получили объемные датчики, которые, как правило, устанавливаются в углу защищаемого помещения под потолком. Дальность обнаружения в среднем 10-15 м.

Преимущества:

o        Низкая стоимость;

o        Простота монтажа;

o        Высокая защита от ложных срабатываний в нормальных условиях.

Недостатки:

o        Крупные животные могут быть причиной ложных тревог, даже в случае применения специальных линз;

o        Вероятность ложных тревог при циркуляции воздушных масс в охраняемом помещении.

3. Активные инфракрасные датчики. Инфракрасный датчик активного типа состоит из излучателя и приемника инфракрасного света, невидимого человеческим глазом. Их разрешается устанавливать как снаружи, так и внутри, но при использовании в помещениях искусственное освещение создает им помехи, особенно свет люминесцентных ламп. Исходя из этого, необходимо применять соответствующие по качеству пассивные и активные фильтры. При использовании снаружи следует исключить возможность появления росы и инея на оптике датчиков.

Труднопреодолимый барьер можно сформировать из нескольких инфракрасных пучков (перед большой витриной, или с помощью многократного отражения одного луча между двумя стенами (коридор))

Преимущества:

o        Высокая степень защиты от несанкционированного проникновения;

o        Простота монтажа.

Недостатки:

o        Частые помехи, связанные с искусственным освещением и повышенной влажностью.

4. Комбинированные датчики ИК+СВЧ. Такие датчики контролируют охраняемую зону одновременно по двум параметрам: инфракрасному и микроволновому излучению. Инфракрасная составляющая датчика следит за изменением теплового фона, а микроволновая излучает короткие волны и анализирует изменение их отражения. Тревожный сигнал формируется только при одновременном обнаружении движения по обоим каналам.

Преимущества:

o        Очень высокая степень защиты и надежности.

Недостатки:

o        Высокая себестоимость.

1.1.4. Использование Охранных Сигнализаций

Система охранной сигнализации должна быть выполнена на основе сертифицированных и рекомендованных к применению охранных станций, которые обеспечивают:

·         контроль за неисправностью извещателей, попытки вскрытия, самотестирование системы;

·         указание конкретного места проникновения в охраняемые помещения;

·         передачу тревожного извещения на Центральный пост охраны;

·         централизованную постановку и снятие с охраны каждой зоны сигнализации с поста охраны, а так же возможность самостоятельного снятие и постановку отдельных зон пользователями, с использованием электронных кодоносителей;

·         фиксация информации на посту охраны;

·         использование различных типов извещателей (ИК пассивные или активные, ИК+СВЧ, акустические разбития стекла, магнитно-контактные, вибрационные, ультразвуковые и т.д.).

Охрана периметра участка.

Наиболее приемлемый и сравнительно недорогой тип периметровых датчиков для защиты периметра приусадебного участка - активные ИК-датчики, работающие по принципу прерывания невидимого инфракрасного луча. Используются, как правило, для защиты периметра при наличии жесткого бетонного или кирпичного ограждения. Одна пара датчиков может защитить участок периметра длиной до 200м. Возможной альтернативой могут быть системы с датчиками вибрационного и трибоэлектрического типов. В таких системах в качестве датчика используется специальный кабель, чувствительный к механическим или вибрационным воздействиям, прокладываемый по ограждению участка. Один датчик контролирует участок периметра длиной до 250 м. Ограничением к применению таких систем является необходимость запретной зоны вдоль ограждения шириной в несколько метров. В противном случае возрастет вероятность ложных тревог.

Проанализировав литературные данные мы выбрали для работы наиболее доступные, эффективные и распространенные в охране помещений стандартные герконы (наружний и скрытный), но при увеличении площади охраняемого помещения возрастает необходимость в установке дополнительных датчиков, и мы остановили свой выбор на активных ИК датчиках (дальность действия до 50 м.). Несмотря на относительную доступность, эти датчики весьма эффективны, т.к. работают с различными типами отражения лучей (см. экспериментальную часть).

1.2. Система Охранной сигнализации NS173

В качестве центральной панели нашего охранного устройства мы выбрали комбинированную охранную сигнализацию из наборов лаборатории «Мастер Кит», которую мы выполнили методом пайки на печатной плате. Многофункциональное охранное устройство является удачным сочетанием надежности и качества. Эта охранная сигнализация может работать с любыми датчиками: с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами. В устройстве предусмотрены регулировки времени включения/выключения, задержки срабатывания сигнализации, интервала повторного включения, продолжительности звучания сирены.

Для экстренного включения сигнализации имеется «тревожная» кнопка. В устройстве предусмотрена автоматическая подача резервного питания в случае отключения сетевого напряжения. Для работы системы необходим понижающий сетевой трансформатор 220В/10В. Мощность трансформатора и тип аварийного аккумулятора зависит от мощности используемой сирены. В работе мы использовали понижающий трансформатор 220В / 9В. Схема подключения датчиков к ОС (рис. 1).

Рис. 1.

S1 - замок – выключатель, S2 - тревожная кнопка (мгновенное срабатывание системы),

S3 - выключатель (непрерывная тревога), S4 ‑ выключатель (прерывистый сигнал)

Технические характеристики охранной сигнализации:

напряжение питания - 9В, максимальный ток нагрузки - 2А

1.2.1. Принцип работы ОС

Система охранной сигнализации NS173 питается с помощью источника постоянного питания и способна работать бесперебойно долгое время. На плате находится 6 контактов для датчиков, как нормально-замкнутых, так и для нормально-разомкнутых. Первые 4 контакта предназначенны для мнгновенного реагирования на какие-либо изменения в нормальной работе устройства. 2 последних являются контактами с задержкой, время задержки можно регулировать от 30 секунд до 9 минут 59 секунд.

В случае реагирования какого-либо из датчиков, происходит подача импульса и срабатывает звуковой оповещатель. В данной ОС использовали звуковой тип оповещателя. Работа модернизирована 2 герконовыми датчиками (скрытным и наружним), инфракрасным барьером модели (50 метрового диапазона действия) и цифровым кодовым замком, обеспечивающим дополнительную степень безопасности устройства.

Если просходит размыкание герконов, или какой – либо объект пересекает инфракрасный барьер, в зависимости от настроек датчиков, происходит незамедлительное / замедленное срабатывание звукового оповещателя (ЗО), отключить который, можно только с помощью цифрового замка, набрав уникальный код, запрограмированный заранее. В случае неправильного набора кода – устройство не отключится. Если код был набран верно – произойдет незамедлительное выключение системы. ОС и ИКБ снабжены раздельными источниками питания, так что в случае отказа питания ИКБ – система ОС не прекратит свою работу, но подаст тревожный сигнал о нарушении процесса.

1.2.2. Разбор принципиальной  электрической  схемы

Принципиальная электрическая схема ОС NS173 изображена на рис. 2. В зависимости от заданной программы переменный резистор Р1 регулирует время звучания сирены от 30сек до 9мин 50сек. Переменный резистор Р2 регулирует время задержки срабатывания сигнализации после ее включения по ЦКЗ от 1мин до 3мин, необходимое для выхода из помещения. Переменный резистор Р3 регулирует время задержки срабатывания системы от 9мин до 3мин 50сек.

Переменный резистор Р4 регулирует интервал между первым и повторным включением сирены от 30сек до 9мин 50сек. Если переключатель не замкнут, то сирена прозвучит только один раз, затем будет молчать до следующего срабатывания сигнала от датчиков.

В зависимости от положения S4, сирена звучит непрерывно или прерывисто. Если S4 соединяет точки 13 и 11 сирена звучит непрерывно, до тех пор пока не  будет выключена с помощью ЦКЗ.

Принципиальная электрическая схема ОС (рис. 2).

Рис. 2.

Датчики, подключенные к точкам с 23 по 30, запускают работу схемы без временных задержек, а подключенные к точкам с 19 по 22, - с временной задержкой.

2. Устройства модернизации работы ОС

Как указывалось выше, в качестве датчиков в ОС нами были выбраны герконы AK109 и AK110 из наборов «Мастер Кит», активный ИКБ (50м.) NK083 того же производителя. Для повышения секретности ОС мы использовали ЦКЗ NK112 и теперь, только пользователь, знающий код замка, сможет отключить сработавшую охранную сирену, в качестве которой мы использовали обычный звуковой оповещатель с автономным питанием.

2.1. Герконы

Герконы представляют собой датчики открывания / закрывания (рис. 3).

Рис. 3.

Основная задача датчиков открывания - сообщать о любых попытках проникновения через двери, окна или ставни.Существуют датчики открывания, предназначенные для:

·         дверей и окон;

·         ставней;

·         рольставней ( с ручным приводом или мотором);

·         гаражных ворот.

Датчики открывания часто размещают в проемах, выходящих на лестничную площадку, и на дверях охраняемых комнат, если только наблюдение не обеспечивается устройством какого-то другого типа.

Преимущества герконов заключается в том, что они очень экономичны и надежны в работе. Недостатки заключаются в том, что установка детектора открывания предполагает наличие кабеля, который должен гармонировать с внутренней отделкой, за исключением случаев, когда датчики крепятся на дверных или оконных наличниках.

Датчики открывания бывают электроконтактными  (простые прерыватели, например концевые выключатели, применяемые в производстве) или магнитоконтактными (в этом случае магнит замыкает и размыкает две тонкие металлические пластинки). Магнитоконтактный датчик  нередко называют магнитоуправляемым, согласно природе его электрического контакта. Этот тип контакта наиболее часто используется в охранных системах.

Рис. 4.

Магнитоконтактный датчик состоит из двух частей (рис. 4):

·         одна из них – собственно контакт – геркон, закрепляемый на неподвижном элемента охраняемого входа (дверная или оконная коробка);

·         другая содержит магнит, обеспечивающий работу электрического контакта. Он рамещается на подвижной части двери, окна и т.д.

Когда обе части датчика находятся друг против друга, магнит притягивает подвижную пластинку электрического контакта, который замыкается. Наоборот, если дверь или окно открываюь, то отдаление магнита приводит к разрыву контакта и включению тревоги.

2.1.1. Герконовый датчик (наружний)

AK109  – Датчик для охранных систем (см. рис. 3).

Датчик предназначен для совместной работы с охранными системами.

Такие датчики для охранных систем выполнены на основе геркона и магнита. При расположении магнита рядом с герконовым датчиком его контакты замкнуты. Когда расстояние между датчиком и магнитом увеличивается (например: открытие дверей, окон), происходит размыкание контактов геркона, что приводит к срабатыванию охранной сигнализации. Размеры датчика:43х10х11 мм. Это добавляет некую степень незаметности устройства, обеспечивая защиту от обнаружения.

2.1.2. Герконовый датчик (скрытый)

AK110 – Датчик для охранных систем (см. рис. 3).

Датчик предназначен для совместного использования с охранными системами.

Предлагаемые датчики выполнены на основе геркона и магнита. Они предназначены для скрытой установки (например: дверная коробка - торцевая часть двери, оконный блок - рама). При расположении магнита рядом с герконом его контакты замкнуты.

Когда промежуточное расстояние между датчиком и магнитом увеличивается, происходит размыкание контактов геркона, что приводит к срабатыванию охранной сигнализации. Герконовый датчик и магнит выполнены в форме цилиндров диаметром 9,2 мм и длиной 22 мм. Комплект прост в установке. Устройство легко может быть вмонтировано в дверь / стену / пол / закрывающийся предмет. Таким тип датчиков отличается минимальной степенью заметности, минимальным уровнем «ложной» тревоги, поэтому мы выбрали его в качестве одного из датчиков нашей ОС.

2.2. Инфракрасный барьер (50 м)

Разработка отечественных активных ИКБ ведется с начала 60-х гг. В первых разработках в качестве источников излучения использовались лампы накаливания. Модуляция излучения в этих изделиях осуществлялась с помощью механических модуляторов. Такие ИКБ имеют низкую эффективность, большие габаритные размеры и значительные токи сопротивления.

Принцип действия активных ИКБ можно пояснить, воспользовавшись обобщенной структурной схемой (рис. 5).

Рис. 5.

Оптическая система источника излучения (сокращенно передатчика – ПРД) создает узконаправленный луч ИК-излучения. В качестве источника ИК-излучения используются полупроводниковые излучающие диоды с рабочей длиной волны 0,94 мкм, которые располагаются в фокусе оптической системы.

Для обеспечения необходимого значения тока через диод и снижения тока потребления ПРД питание диода осуществляется импульсным промодулированным напряжением, которое вырабатывается в устройстве электронной модуляции. Угол расхождения луча 2β (рис. 6), как правило, составляет 1,5…2ْْ, что позволяет получить необходимую мощность излучения ПРД для блокирования рубежа протяженностью 200…250 м с учетом воздействия метеорологических факторов (туман, дождь, снегопад).

Луч (поток ИК-излучения) ПРД направлен на оптическую систему ПРМ, угол поля зрения 2φ которого составляет обычно 2…3ْ. Небольшой угол поля зрения ПРМ позволяет уменьшить влияние побочных фоновых засветок фотоприемника. Однако в ПРМ попадает поток ИК-излучения, охватываемый только световым диметром Dcb оптической системы. Поэтому чувствительная зона активного двухпозиционного ИКСО представляет собой луч диаметром постоянного сечения по всей длине блокируемого участка Lбл.

ИК-излучение фокусируется оптической системой ПРМ на чувствительную площадку фотоприемников (фотодиодов). Получаемые с них импульсы фототока усиливаются и поступают на устройства обработки для формирования сигналов тревоги. Ход лучей при блокировании рубежа активным двухпозиционным ИКБ (рис.6)

Рис. 6.

Сегодня разработчики профессиональных приборов такого класса в качестве источников используют излучатели, работающие в невидимом инфракрасном диапазоне которые излучают не непрерывный сигнал, а сигнал сложной формы. В приемниках используются специальные оптические фильтры, отсекающие мешающий сигнал видимого излучения, высокочувствительные PIN фотоприемники, усилители с АРУ и сложными системами фильтрации. Все эти меры позволяют создавать весьма надежные и эффективные системы контроля, называемые инфракрасными барьерами. Но из-за сложности и высокой цены они до недавнего времени были доступны только для профессионалов.

Однако развитие современной элементной базы позволило превратить «системы для профессионалов» в «системы для всех». Специалистами направления «МАСТЕР КИТ» был разработан комплект инфракрасных барьеров с использованием современной элементной базы, который по своим параметрам соответствует самым высоким требованиям. Набор получил название NK083. Ключевым элементом барьеров является микросхема интегрального фотоприемника TSOP1736 производства фирмы VISHAY. Приемник и датчик ИКБ были изготовлены нами методом пайки на печатной панели из деталей NK083 (рис. 7).

Рис. 7. Внешний вид ИКБ

Схема устройства изображена на рис. 8.

Рис. 8. Система действия ИКБ

2.2.1. Технические характеристики ИК барьера

2.2.2. Конструкция ИКБ

Передатчик и приемник ИК барьера выполнены на печатных платах одинакового размера и размещены в одинаковых малогабаритных пластмассовых корпусах, имеющих дополнительный фланец для крепления.

Внешний вид блоков ИК барьера показан на рис. 7 (корпус показан только один). В корпусе приемника перед микросхемой фотоприемника просверлено отверстие диаметром 8мм, во второе предварительно просверленное отверстие установлен контрольный светодиод. Аналогичным образом установлены светодиоды в блоке передатчика. При необходимости корпуса можно легко загерметизировать, что позволит использовать ИК барьер во влажных погодных условиях.

Если барьер планируется использовать с дистанцией между передатчиком и приемником не более 18 м, то в передатчике достаточно установить один излучающий диод и резистор R2 с номиналом 56 Ом. Если же планируется использовать ИК барьер с дистанциями до 50 м, то необходимо устанавливать два светодиода и резистор R2 с номиналом 39 Ом (мы использовали в работе второй вариант). На рисунках показаны принципиальная схема передатчика (рис. 9) и приемника (рис. 10) ИКБ, созданные нами.

Рис. 9. Принципиальная схема передающего устройства ИКБ

Рис. 10. Принципиальная схема принимающей станции ИКБ

2.2.3. Принцип работы ИКБ

Работа устройства. Для нормальной работы ИК барьера передатчик должен формировать импульсы излучения в соответствии с диаграммой, показанной на рис. 11.

При изменении напряжения питания, температуры и других влияющих факторов частота импульсов не должна изменяться более чем на 5%. В качестве генератора импульсов, удовлетворяющего таким требованиям, в передатчике использован сдвоенный интегральный таймер типа NE556. На одной его половине собран генератор с частотой 36 кГц, эта частота задается элементами С3,R4,R5. На второй половине собран генератор огибающей, который управляет первым таймером. Его частота и скважность задается элементами С1,R1,R3,D1. Микросхема имеет мощный выход, способный отдавать в нагрузку ток в 200 мА, поэтому оказалось возможным подключить излучающие диоды непосредственно к выходу микросхемы. Элементы C2,C4,C5 служат для фильтрации питающего напряжения.

Рис. 11. Показания нормальной работы ИКБ

Следует отметить, что при использовании ИК барьера с малым расстоянием между приемником и передатчиком рекомендуется кроме использования бленд, устанавливать перед приемником нейтральный поглощающий светофильтр - «темные очки», это позволяет повысить защиту от внешней засветки и снизит вероятность сбоев.

Кроме того, предполагалось, что, так как приемник комплекта выполнен  на базе микросхемы, предназначенной для построения фотоприемников дистанционного управления, то его с успехом можно использовать для контроля работоспособности ИК пультов ДУ.

В приемнике элементы R2,C1,D1 служат для формирования питающего напряжения в 5В для микросхемы фотоприемника. При наличии входного оптического сигнала, на выводе 3 фотоприемника присутствует последовательность коротких отрицательных импульсов. Эта последовательность непосредственно непригодна для управления реле. Поэтому она поступает через пиковый детектор, состоящий из элементов R1,D2,C3 на вход усилителя на полевом транзисторе VT1. Этот транзистор может коммутировать ток до 0,5А что вполне достаточно для управления реле. В приемнике установлен дополнительный красный светодиод HL1, который загорается одновременно со срабатыванием реле. Наличие этого светодиода облегчает установку и контроль работы ИК барьера. Микросхема фотоприемника потребляет ток порядка 1 мА при напряжении питания 5В. Поэтому диапазон рабочих напряжений и максимальный ток потребления определяется в основном параметрами реле. Так например установив в приемник маломощное реле на 5В можно снизить общее напряжение питания до 5В и уменьшить потребляемый ток, но при этом уменьшится допустимый коммутируемый ток нагрузки. Для управления нагрузкой предназначена перекидная группа контактов реле, и пользователь может сам решить какими контактами ему удобнее пользоваться – нормально замкнутыми или нормально разомкнутыми. (мы использовали нормально замкнутые)

2.3. Цифровой кодовый замок

Цифровой электронный замок был собран из деталей набора «MasterKit» (NK112) методом пайки на печатной плате.

Рис. 12. Общий вид ЦКЗ

Согласно литературным данным, электронный цифровой кодовый замок (рис. 12) можно использовать совместно с различными исполнительными устройствами. Простая комбинации из четырех цифр позволит Вам открыть дверь в доме или сейф. Данный набор может дополнить и  различные охранные устройства.

Срабатывание электромагнитного реле (открывание замка) происходит при последовательном нажатии четырех кнопок клавиатуры – кода замка. При закрытии замка достаточно нажать любые другие кнопки.

Рис. 13. Схема электрическая принципиальная

2.3.1. Программирование цифрового кодового замка

Согласно программе, заданной в данной работе, для программирования устройства необходимо установить перемычки, как показано на рис.3, - код замка будет «0-4-8-#», т.е. код определяется перемычками между контактами «2-1-3-4» и «0-4-8-#». Цифры «2-1-3-4» показывают последовательность набора цифр кода – первой нажимается кнопка, соответствующая «1», второй – «2» и т.д.

3. Экпериментальные исследования созданного устройства

На рис. 14 представлена общая принципиальная электрическая схема устройства ОС с модернизациями. К системе подключены датчики Инфракрасного блока и кодовый замок. При срабатывании ИКБ напряжение передается в системную плату и срабатывает звуковой оповещатель, с помощью кодового замка можно отключить источник напряжения.

В качестве приемника оптического излучения в микросхеме ИКБ установлен высокочувствительный PIN фотодиод, сигнал которого поступает на входной усилитель, который преобразует выходной ток фотодиода в напряжение. Преобразованный сигнал поступает на усилитель с АРУ и далее на полосовой фильтр, который выделяет сигналы с рабочей частотой 36 кГц из шумов и помех. Выделенный сигнал поступает на демодулятор, который состоит из детектора и интегратора.

Дело в том, что данная микросхема оптимизирована для приема сложного сигнала, представляющего собой короткие пакеты импульсов с рабочей частотой 36 кГц. В паузах между импульсами производится калибровка системы АРУ с помощью схемы управления. Вследствие такого построения, микросхема не реагирует на непрерывную помеху даже на рабочей частоте. Активный уровень выходного сигнала низкий. Микросхема не требует для своей работы установки никаких внешних элементов.

Все ее компоненты, включая фотоприемник, защищены от внешних наводок внутренним электрическим экраном и залиты специальной пластмассой. Эта пластмасса является фильтром, отсекающим оптические помехи в видимом диапазоне света. Благодаря всем этим мерам микросхема отличается весьма высокой чувствительностью и низкой вероятностью появления ложных сигналов. При этом она имеет малые габариты (~5х10х13 мм).

Рис. 14. Схема подключения датчиков  и устройств к ОС

Для отключения прибора с помощью цифрового замка используется уникальный код. Срабатывание электромагнитного реле (открывание замка) происходит при последовательном нажатии четырех кнопок клавиатуры – кода замка. При закрытии замка достаточно нажать любые другие кнопки.

Схема питается постоянным напряжением 6В. Исполнительное реле коммутирует ток до 5А. Размеры печатной платы: 55х55 мм.

Данная модернизированная схема отличается от своего предыдущего аналога повышенной степенью секретности, надежности, качества и портативности. Устройство прошло экспериментальную проверку на работоспособность.

3.1. Уровни проверки устройства модернизированной ОС:

1. Подключение отсоединенных устройств к системе ОС.

Рис. 15. Внешний вид модернизированной ОС

2. Подключение ОС и датчиков к устройствам питания (при необходимости).

Система ОС питает устройства ИКБ и Герконы. Звуковой оповещатель и ЦКЗ работают от отдельных источников питания. Для нормальной работы системы необходимо два источника питания 220В (ОС и ЦКЗ) и источник питания 5В (ЗО)

3. Наладка устройств, устранение неполадок в случае выявления таковых.

Устройства успешно присоединены, подключены и налажены. Никаких неполадок обнаружено не было. Поскольку в ОС имеется шесть гнезд для подключения датчиков, а в работе задействованы только три гнезда, то остальные три  неиспользуемых гнезда необходимо замкнуть (или разомкнуть), для предотвращения «ложного» срабатывания ОС

4. Установка датчиков и подготовка их к тестированию.

Подключение ЦКЗ, герконовых дачтиков и ИКБ проведено к гнездам, как показано на принципиальной электрической схеме (рис. 14). Проведены: проверка контактов, изоляция оголенных участков проводов для предотвращения возникновения замыкания устройства

5. Тестирование герконовых датчиков путем установки их на раскрывающзиеся раздвижные объекты.

Датчики для тестирования были установлены на межкомнатные дверные проемы и зафиксированы в замкнутом состоянии. Датчики не срабатывают, пока между ними проходят электро- магнитные импульсы. При открывании двери происходит разрыв охранного шлейфа и, как следствие, на ОС подается сигнал о нарушении. На панели ОС происходит мгновенное загорание второго светодиода (для наружнего геркона), и пятого (для скрытого геркона). ЗО срабатывает мгновенно при размыкании наружного. В случае со скрытым герконом происходит задержка в 10 секунд, установленная заранее. Отключение сработавшего устройства с помощью ЦКЗ, путем набора запрограммированного кода.

6. Включени и наладка устройства для тестирования ИКБ.

Устройство ИКБ подключается к третьему охранному гнезду. Проводится проверка загорания светодиодов при включении системы. Если устройства были подключены верно, то происходит загорание. Устройство ОС позволяет подключить приемник и передатчик ИКБ к общей системе питания (см. рис. 15).

7. Размещение датчиков ИКБ для тестирования, устранение неполадок в случае возникновения таковых.

Располагаем датчики ИКБ для тестирования в режиме «на отражение» Разделяем их между собой любым неотражающим объектом (в работе использовался картонный лист), чтобы исключить вероятность преждевременного срабатывания системы. Направляем датчики в сторону стены, на которой отсутствуют предметы, способные отражать импульсы ИКБ в обратном направлении.

8. Тестирования устройства ИКБ путем нарушения импульсных потоков проходящих частиц с помощью движимого объекта, пересекающего охраняемую зону.

Основной вариант работы ИК барьера – это работа «на просвет», когда приемник и передатчик устанавливаются друг против друга на определенном расстоянии. В этом случае реле в приемнике срабатывает при пересечении непрозрачным предметом инфракрасного луча. При использовании такого режима барьер имеет некоторые особенности. Вследствие того, что приемник комплекта имеет весьма высокую чувствительность, то при использовании ИК барьера в ситуациях, когда рядом присутствуют значительные отражающие поверхности, например, стены, могут иметь место сбои в работе, так как приемник будет реагировать на сигнал отраженный от стен. Для того чтобы избежать таких ситуаций рекомендуется на приемник и передатчик устанавливать защитные бленды – пластмассовые или металлические трубки, зачерненные внутри. Такие бленды сужают поле зрения приборов и повышают надежность их работы.

Высокая чувствительность приемника позволяет кроме традиционной работы «на просвет» использовать ИК барьер в режиме работы «на отражение». Для реализации этого режима нужно чтобы в охраняемой зоне не было отражающих объектов.

В этом случае приемник и передатчик ставятся рядом и направляются в сторону охраняемой зоны. Между ними устанавливается непрозрачная перегородка, препятствующая прямой засветке приемника передатчиком. При появлении в охраняемой зоне отражающего объекта приемник включает реле исполнительного механизма.

Рис. 16. Способы размещения устройства ИКБ

Дальность действия в таком режиме зависит от величины отражающего объекта, но во всех случаях будет меньше, чем при работе на просвет (в нашем случае дальность составила 2,5 м).

При использовании ИК барьера с малым расстоянием между приемником и передатчиком, мы использовали бленд, который установили перед приемником. Нейтральный поглощающий светофильтр - «темные очки», использованный нами, позволил повысить защиту от внешней засветки и снизить вероятность сбоев.

9. Отключение устройства с помощью ЦКЗ, отключение устройства от сети питания. Повторное прохождение уровней проверки в случае необходимости.

Устройства приводятся в исходное «спокойное» положение любой кнопкой ЦКЗ так, чтобы светодиоды не показывали каких - либо нарушений в системе.

10. Расчет истинной вероятности обнаружения ОС.

Чувствительная зона ОС – это участок или объект, появление в котором объекта обнаружения вызывает возникновение полезного сигнала с уровнем, превышающим уровень шума или помехи.

Внутри зоны чувствительности располагается зона отчуждения – это зона, появление в которой людей, техники или других объектов обнаружения может привести к превышению полезным сигналом порогового значения и выдаче ОС сигнала «Тревога».

Внутри зоны отчуждения располагается зона обнаружения ОС – это зона, где ОС обеспечнивает заданную вероятность обнаружения Робн.

Вероятность обнаружения – это вероятность того, что ОС выдаст обязательно сигнал «Тревога» при пересечении или вторжении в зопу обнаружения нарушителя, в у словиях и способами, оговоренными в нормативной документации. Как правило, зарубежные фирмы указывают в качестве вероятности обнаружения ОС несмещенную оценку вероятности обнаружения:

^,

где Nисп – число испытаний по преодолению зоны обнаружения ОС, M – число пропусков нарушителя ( экспериментов, в которых не сработало СО).

Например, если при пересечии зоны обнаружения в количестве 100 раз не было пропусков нарушителя, т.е. ОС выдало 100 раз сигнал «Тревога», то про это ОС можно сказать, что вероятнорсть его обнаружения составляет 0,99 (не 1 потому, что это несмещенная оценка математического ожидания вероятности обнаружения нарушителя).

В отечественной практике под вероятностью обнаружения, как правило, понимается нижняя граница доверительного интервала, в котором с доверительной вероятностью (как правило, от 0,8 до 0,95) лежит истинное значение вероятности обнаружения.

То есть под вероятностью обнаружения понимается величина

где Р* - среднее частотное значение вероятности обнаружения, определяемое выражением

^,

tγ – коэффициент Стьюдента для данного числа испытаний Nисп и выбранной доверительной вероятности.

Определим вероятность обнаружения созданной нами ОС при пересечении нарушителем зоны обнаружения, охраняемой активным ИКБ. В нашем эксперименте было проведено 60 испытаний (Nисп=60) , при этом число пропусков нарушителя(экпериментов, в которых не сработало ОС) M=0.

Тогда:

 = 1

Для выбранной доверительной вероятности α=0,9, коэффициент Стьюдента составляет tγ=1,7, а для α=0,95 tγ=2,0 (табличные данные)

Рассчитаем пределы истинной вероятности обнаружения ОС, исходя из заданных доверительных вероятностей.

а для Pобн. (0,95) = 0,938

Таким образом, на основании наших экспериментальных данных мы показали, что для созданной в работе ОС истинная вероятность обнаружения, при пересечении нарушителем ИКБ, лежит в пределах 0,938<Робн.<0,954, что является отличным показателем для современного охранного устройства. При этом несмещенная оценка вероятности обнаружения, рассчитанная по формуле

будет еще выше и в нашем случае ( Nисп= 60, М = 0) составляет 0,983.

Следует отметить, что за все время работы ОС не было зафиксированного ни одного ложного срабатывания системы, т.е. в нашем случае другой важный параметр ОС, которым является частота ложных срабатываний Nлс, определяемая выражением:

где Тлс – период наработки на ложное срабатывание, в условиях нашего эксперимента стремится к нулю.

Выводы

1.       Собраны и изучены литературные данные по основам теории и принципам построения систем охранной сигнализации.

2.       Спроектировано и создано многофункциональное охранное устройство.

3.       Показана возможность повысить надежность охранной системы за счет использования дополнительных датчиков и цифрового электронного замка.

4.       Изучены направления и типы использования инфракрасного барьера в собранном устройстве.

5.       Разработаны оптимальные пути программирования созданной охранной системы

6.       Проведены экспериментальные испытания надежности разработанной охранной системы, и расчетными данными подтверждена высокая истинная вероятность обнаружения нарушителя при ее использовании.

Список литературы

1.       Синилов В. Системы охранной, пожарной и охранно – пожарной сигналищации. – М.: AcademA, 2004.

2.       Чулков В. Инфракрасный барьер на современной элементной базе / Самотехника. - ╧ 4. - 2002.

3.       Садиков Ю. Охранная сигнализация для дома и магазина / Самотехника. - ╧ 2. - 2003.

4.       Садиков Ю. Цифровой электронный замок / САМ. - ╧ 8. - 2005.

5.       Магауенов Р.Г. Системы охранной сигнализации: Основы теории и принципы построения. – М.: Горячая линия – Телеком, 2004.

6.       Кадино Э. Электронные системы охраны. – М.: ДМК-пресс, 2005.

7.       .Виноградов Ю.А Электронная охрана (Элементы и узлы охранных систем) – М.: Символ-Р, 1996.

8.       Технические средства охраны, безопасности и сигнализации: Справочник. – М.: ВИМИ, 1994.

9.       Уокер Ф. Электронные системы охраны: перев. с англ. – М.: За и против, 1996.