Дискретные датчики для охраны периметральных оград

ВВЕДЕНИЕ

В системах, предназначенных для охраны периметральных оград, используются сенсорные элементы различных типов. Наибольшее распространение здесь нашли вибрационно-чувствительные системы, сенсорные элементы которых преобразуют механические вибрации или деформации ограды в электрический сигнал. В качестве сенсоров в охранных системах традиционно широко используются распределенные элементы — сенсорные кабели различных типов (трибоэлектрические, электромагнитные, пьезоэлектрические и др.). Однако в последние годы проявляется все более широкий интерес разработчиков и пользователей к системам охраны периметров с дискретными сенсорными элементами. Как и кабельные сенсоры, дискретные преобразователи вибраций крепятся непосредственно к охраняемой ограде или стене. При попытках преодоления или разрушения ограды они генерируют электрические сигналы, которые обрабатываются электронным процессором (анализатором).

Дискретная природа сенсорных элементов определяет некоторые специфические особенности их применения и возможности нетрадиционных построений всей системы охраны.

Дискретные сенсоры различаются по принципу действия и своим функциональным возможностям. Ниже мы рассмотрим наиболее распространенные из таких сенсоров, придерживаясь классификации, основанной на принципах действия дискретных датчиков.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ

Инерциальные сенсоры

Чувствительным элементом такого сенсора обычно является миниатюрный механический элемент, подвешенный на пружине (рис. 1). Рядом с подвешенным элементом располагаются электрические контакты, с которыми этот своеобразный маятник может контактировать при вибрациях сенсора. Такой датчик, который часто называют также «инерциальным», формирует импульсы обрыва или замыкания сигнального шлейфа, к которому он подключен.

Этот датчик довольно прост по конструкции, но, к сожалению, генерирует только сигналы типа «да/нет» с фиксированной амплитудой, что ограничивает возможности их анализа для отстройки от помех окружающей среды. С помощью процессора дискриминировать такие импульсные сигналы можно только по их продолжительности (количеству импульсов при тревожном событии). Однако нужно отметить, что сам механический вибратор инерциально-го сенсора играет роль полосового частотного фильтра. Как любая колебательная система, маятниковый инерциальный контакт характеризуется своей резонансной частотой, определяемой величиной подвижной массы и жесткостью подвеса, а также шириной полосы пропускания, которая связана с параметрами затухания в колебательном контуре. Таким образом, варьируя механические параметры инерциального датчика, можно выбирать нужную амплитудно-частотную характеристику, чтобы оптимизировать отклик сенсора для конкретной ограды.

Рис. 1. Принцип действия электромеханического сенсора

Рис. 2. Инерциальные электромеханические сенсоры системы Barricade 500 компании Magal

Примером применения электромеханических сенсоров может служить охранная система Barricade 500 израильской компании Magal. Инерциальные сенсоры типа GS-18 (рис. 2) предназначены для применения на сварных и сетчатых металлических оградах. Сенсоры устанавливаются попарно на каждой из секций ограды. Это повышает устойчивость системы к случайным срабатываниям отдельных сенсоров. Система обнаруживает как перелезание через ограду, так и перерезание ее. Разработчики отмечают, что сенсоры GS-18 обеспечивают равномерную чувствительность в широкой полосе частот. Контроллер VPRU системы Barricade 500 поддерживает до 4-х отдельных зон охраны протяженностью до 300 м, каждая из которых содержит до 100 дискретных сенсоров. В состав системы входит также метеостанция, которая корректирует алгоритм обработки сигналов датчиков в зависимости от силы ветра и интенсивности дождя.

Охранная система ISC, разработанная компанией CIAS (Италия), также использует инерциальные дискретные сенсоры, в которых при вибрации ограды происходит кратковременное размыкание между фиксированными контактами. Особенность дискретных сенсоров системы ISC состоит в том, что они содержат по три отдельных инерциальных элемента с различными резонансными частотами. Это обеспечивает заданную полосу частот отклика сенсоров на вибрации ограды. Электрически все три элемента в одном сенсоре соединены последовательно, и размыкание любого из них приводит к появлению тревожного сигнала.

Система ISC предназначена для охраны металлических периметральных оград различных типов: сетчатых, решетчатых, каркасных и др. Сенсоры системы (рис. 3) подключаются к центральному контроллеру системы с помощью общего многожильного кабеля. К кабелю можно подключить до нескольких сотен дискретных сенсоров, которые объединяются в 8 отдельных зон. Конфигурирование зон осуществляется с помощью специальных соединительных коробок, устанавливаемых на границах соседних зон. Длина этих зон выбирается в соответствии с требованиями заказчика, например, Зона 1 может иметь длину 10 м, Зона 2 — 200 м, Зона 3 — 100 м, Зона 4 -1000 м и т.д. Входящая в комплект системы станция контроля погодных условий передает сигналы в центральный контроллер, чтобы оптимизировать настройки и снизить вероятность ложных тревог при неблагоприятных атмосферных воздействиях. Для настройки и диагностики системы используется программа ISC-Test, позволяющая индивидуально задавать параметры обработки сигналов вибрационных сенсоров для каждой из зон охраны.

Рис. 3. Сенсор системы ISC компании CIAS

Систему с дискретными электромеханическими датчиками выпускает израильская компания El-Far. Датчики системы Viper (рис. 4), выполненные в жестких полимерных корпусах, стойких к ультрафиолетовому излучению, устанавливаются на ограде с интервалом около 3 м. Отличительная особенность системы — возможность определять место вторжения в пределах зоны охраны с точностью до нескольких метров. Эта функция системы базируется на использовании так называемой «Технологии Отраженной Волны». Анализатор системы посылает зондирующие импульсы в кабельную линию, к которой подключены дискретные сенсоры. Когда отдельный сенсор или группа сенсоров регистрируют вибрации ограды, их электрическое состояние изменяется и это регистрируется отраженным сигналом. Местоположение „тревожного“ сенсора определяется по времени задержки отраженного сигнала. Для обработки сигналов сенсоров используется анализатор EF-2000, который обслуживает участок периметра длиной до 1500 м. С помощью коммуникационного интерфейса к центральному контроллеру можно подключить несколько анализаторов, чтобы организовать охрану протяженных периметров. Система сертифицирована армией Израиля для защиты границ и военных объектов.

Рис. 4. Сенсор системы Viper фирмы El-Far

Упрощенная версия системы Viper, выпускаемая под названием CU-07, предназначена для охраны периметров длиной до 800 м. Эта система используется для охраны автономных объектов: трансформаторных подстанций, насосных станций, вышек сотовой связи и т.п. В анализаторе системы использован экономичный одночипо-вый микропроцессор; точность обнаружения вторжения составляет +/-10 м.

Электромеханические датчики натяжения

Такого рода дискретные сенсоры применяются обычно на оградах, выполненных в виде барьера из натянутых проволок или тросов, с которыми эти сенсоры механически соединены (рис. 5). При попытках преодолеть такой проводно-натяжной барьер упругие сенсорные элементы деформируются, замыкая контакты и генерируя тем самым тревожные сигналы.

На рисунке 6 показаны элементы проводно-натяжной системы VTW-400 американской компании DeTekion. Сенсорные элементы крепятся на опорных столбах ограды, а сам сигнальный барьер выполнен в виде нескольких рядов колючей проволоки. Дискретные сенсоры формируют сигналы тревоги при перелезании через ограду, а также при перерезании или раздвигании нитей колючей проволоки. Чувствительные элементы сенсоров смонтированы в герметизированных резиновых корпусах, где установлены подвижные контакты, подключенные к процессору через разъем, установленный в основании «сигнального» опорного столба ограды. Контроллер системы FP-400 поддерживает до 32-х секций сигнального барьера (примерно 100 м периметра). Управляющая программа предусматривает возможность настройки чувствительности каждой из подключенных секций. Фирма-изготовитель отмечает высокую устойчивость системы к атмосферным воздействиям: сохранение работоспособности при скорости ветра до 160 км/час; заявленная вероятность ложных тревог — не более 3-х в год на периметре длиной 1 км.

Аналогичная по назначению проводно-натяжная система Guard Tower с дискретными сенсорами выпускается английской компанией Zareba. Проволоки физического барьера (рис. 7) объединены с электромеханическими датчиками, дающими сигнал тревоги при смещении проводников барьера в любом направлении. Сигналы от сенсоров подаются на концентратор, расположенный в опорном столбе ограды. Точность определения места вторжения составляет около 3 метров, что соответствует расстоянию между соседними сигнальными опорами. Отметим, что сигнальный барьер Guard Tower может быть конструктивно объединен с электрошоковой системой, что не требует доработки механической части барьера.

Рис. 5. Принцип действия сенсоров, подключенных к проводно-натяжным сигнальным барьерам

Рис. 6. Сенсорные элементы системы VTW-400 компании DeTekio

Рис. 7. Дискретные сенсоры системы Guard Tower фирмы Zareba

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ

Дискретные пьезоэлектрические сенсоры в последние годы все шире применяются в системах охраны периметров. Так, в системе «Тополь» российской компании „Полисервис“ в качестве сенсорных элементов используются пьезоэлектрические микрофоны. Датчики выпускаются в герметизированных алюминиевых корпусах и крепятся непосредственно на охраняемой ограде (рис. 8). В одной зоне охраны устанавливается до 40 дискретных сенсоров, которые подключаются к одному из входов двухзонного анализатора „Тополь“. Расстояние между сенсорами системы обычно равно длине одной секции ограды (до 3 м), однако это расстояние может быть увеличено на заграждениях с однородными параметрами. Система позволяет защищать как металлические, так и деревянные ограды.

Рис. 8. Дискретный датчик системы «Тополь» компании „Полисервис“

Микрофонный сенсор системы «Тополь» характеризуется однонаправленной чувствительностью, и сенсоры изготавливаются так, чтобы направление максимальной чувствительности было ориентировано перпендикулярно плоскости ограды. Это позволяет снизить чувствительность сенсоров к внешним атмосферным воздействиям, ориентированным перпендикулярно поверхности грунта (осадки в виде дождя или града). Отметим, что противофазное включение соседних дискретных сенсоров системы „Тополь“ позволяет снизить помехи от массированных атмосферных воздействий, таких как сильный ветер, вызывающий вибрации ограды.

Спектральная полоса чувствительности датчика — от единиц герц до нескольких килогерц. Регулируемые полосовые фильтры, установленные в анализаторах системы «Тополь», позволяют выбирать оптимальный частотный отклик системы применительно к конкретной ограде. К недостаткам системы можно отнести отсутствие возможности локализации места вторжения в пределах зоны охраны.

Вопрос локализации вторжения достаточно эффективно решен в системе Peridect компании Sieza (Чехия). Чувствительными элементами системы являются дискретные датчики типа PDS с широкополосными пьезоэлектрическими элементами. Датчики крепятся к охраняемой ограде на расстояниях 25 м друг от друга и преобразуют вибрации ограды в электрические сигналы. Технология дискретных датчиков с индивидуальной адресацией и настройкой построена на том, что каждый датчик содержит встроенный процессор, выполняющий фильтрацию и оцифровку аналоговых сигналов. Датчики типа PDS (рис. 9) подключаются к общему двухпроводному кабелю данных, который используется для питания и для связи с анализатором. К одному анализатору можно подключить до 246 дискретных датчиков, что позволяет защитить периметр протяженностью до 700-1000 м.

Рис. 9. Датчики системы Peridect фирмы Sieza на ограде

Система Peridect применяется на металлических оградах (сетчатых, решетчатых, сварных и др.). Ее можно также использовать на деревянных оградах различных типов.

Индивидуальная настройка сенсоров системы Peridect помогает скомпенсировать неоднородность вибрационного отклика в пределах зоны охраны, связанную с различиями параметров ограды. Важной особенностью системы является функция корреляционной обработки сигналов от нескольких датчиков. Сравнение сигналов от соседних датчиков позволяет легко отделить реальное вторжение от сигналов помех, вызываемых атмосферными факторами (ветер, дождь) или индустриальными помехами (автодороги, железнодорожные магистрали).

Среди оригинальных разработок периметральных охранных систем с дискретными сенсорами можно отметить беспроводной комплекс PerimetrLocator компании Marsyas из Чехии. Оригинальность системы состоит в том, что дискретные сенсоры (рис. 10) являются беспроводными и питаются от встроенных батарей. Чувствительным элементом датчика является пьезопреобразователь, регистрирующий вибрации охраняемой ограды. Датчики монтируются на ограде с интервалами 3-10 м. Каждый сенсор содержит маломощный радиопередатчик, позволяющий передать сигнал на соседний датчик. Опрос состояния сенсоров производится с помощью блока управления, который выполняет последовательную передачу сигналов от сенсора к сенсору вдоль замкнутого контура. Встроенная батарея обеспечивает работу дискретного сенсора в течение примерно 10 лет (в зависимости от интенсивности радиообмена). Каждый датчик имеет индивидуальный адрес, что позволяет локализовать место вторжения с точностью до нескольких метров. Кроме того, корреляционная обработка сигналов от нескольких датчиков позволяет подавлять помехи от атмосферных факторов (дождь, ветер, град и т.п.).

К преимуществам беспроводных датчиков можно отнести простоту монтажа и независимость от кабельных магистралей, что позволяет применять такие датчики для организации временных рубежей охраны. Например, беспроводные датчики можно оперативно устанавливать на грузовых контейнерах для защиты их от взлома. Такие же датчики используются для охраны грузовых автомобилей на стоянках (версия системы под названием TruckLocator).

Рис. 10. Беспроводной пьезоэлектрический сенсор системы PerimetrLocator компании Marsyas

ГЕОФОННЫЕ СЕНСОРЫ

Геофонный сенсор содержит постоянный магнит, подвешенный на пружине внутри проводящей катушки (соленоида). Любые вибрации геофонного датчика вызывают движение магнита относительно катушки, в результате которого в ней генерируется электрическое напряжение, пропорциональное скорости движения магнита. На рисунке 11 показан разрез типового геофонного сенсора, применяемого для охраны периметров.

Специфическая особенность геофон-ных преобразователей — их высокая чувствительность. Это позволяет использовать их для охраны тяжелых монолитных стен из камня или бетона, которые практически невозможно защитить с помощью других вибрационных датчиков. Охранная система состоит из двух основных компонентов: процессора и кабельного шлейфа с подключенными к нему геофонами. Геофонные сенсоры регистрируют вибрации, создаваемые нарушителем, и посылают сигналы на анализатор для обработки. Если принимаемые процессором сигналы соответствуют заданным критериям, то система генерирует сигнал тревоги.

В качестве примера применения гео-фонных сенсоров можно привести систему VibraFon английской компании Detection Technologies Ltd (DTL). Геофон-ный сенсор выполнен в виде цилиндра длиной 70 мм и диаметром 30 мм. Масса сенсора — 125 г. Полоса частот сенсора -35-600 Гц; сопротивление обмотки — 80 Ом. Сигналы геофонных сенсоров обрабатываются анализатором, который отфильтровывает шумовые сигналы окружающей обстановки. К каждому анализатору можно подключить до 32-х геофонов, объединенных в общий шлейф. Сенсоры монтируют на расстоянии примерно 3 м друг от друга, поэтому одним шлейфом можно перекрыть зону длиной до 100 м. Анализаторы системы VibraFon выполняются как в виде автономных охранных устройств с релейными выходами, так и в сетевой версии (RS485).

Датчики VibraFon устанавливаются в отверстиях внутри стены и закрываются снаружи крышками, выполняющими роль клеммных коробок (рис. 12). Отметим, что сенсоры устанавливают вдоль верхней кромки стены, чтобы повысить эффективность обнаружения перелезания и по возможности ослабить влияние шумов и вибраций, передающихся по грунту. Для надежной работы системы требуется, чтобы каменная или кирпичная стена была достаточно высокой: отношение высоты стены к ее толщине должно быть не менее 5:1. Система VibraFon используется на тяжелых стенах различных типов: каменных, кирпичных, бетонных, стальных. При использовании на тяжелых орнаментальных металлических оградах с кирпичными опорными столбами сенсоры монтируют в верхней части столбов. Система позволяет обнаруживать нарушителя, перелезающего через стену. По сообщениям сотрудников фирмы, систему можно с успехом использовать даже вблизи от автомобильных дорог. Однако в этих случаях полотно дороги должно быть в хорошем состоянии, т.к. при «волнистой» поверхности периодические удары автомобильных шин о дорогу могут генерировать вибрационные сигналы, сходные с сигналами, создаваемыми нарушителем при преодолении периметра.

Рис. 11. Разрез геофонного сенсора

Рис. 12. Геофонные датчики системы VibraFon (фирма DTL) на каменной стене

Рис. 13. Микроэлектромеханический датчик системы SONAFLex+Point компании SYSCO

МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ (MEMS)

Этот класс сенсоров появился сравнительно недавно, и его развитие связано с общим прогрессом в технологии компонентов для микроэлектроники. MEMS-сен-соры уже давно применяются в автомобилестроении — в качестве датчиков подушек безопасности, системах антиблокировки тормозов и др. В последние годы технология MEMS-сенсоров активно используется при построении систем охраны периметров.

Внешне сенсор выглядит очень похожим на обычную микросхему, типичный размер сенсора — 5х3х1 мм. Внутри такого корпуса располагается чувствительный элемент, который представляет собой подвижную обкладку миниатюрного конденсатора. При перемещении, наклоне или вибрации сенсора емкость встроенного конденсатора изменяется, и это регистрируется электронной схемой.

Примером практической реализации системы охраны периметров на емкостных MEMS-сенсорах может служить система SONAFLex+Point, выпускаемая компанией SYSCO Sicherheitssysteme GmbH (Германия). Датчик системы SONAFLex+Point (рис. 13) содержит два двумерных MEMS-сенсора, что позволяет реализовать так называемый 30-датчик, обнаруживающий перемещения или вибрации в любом направлении. Датчик содержит встроенный электронный блок, который используется для адресной двунаправленной связи с анализатором. Электронный модуль сенсора выполняет предусиление и фильтрацию регистрируемых сигналов, а также их оцифровку. Сенсор имеет режим автотестирования, который позволяет контролировать его реальную чувствительность и функционирование предварительного усилителя.

Датчики монтируются на охраняемой ограде; их высокая чувствительность позволяет располагать их на довольно больших расстояниях друг от друга (до 15 метров). К анализатору системы можно подключить до 1б-ти сенсоров, что позволяет в оптимальном случае защитить периметр протяженностью 200 м.

Концепция работы системы SONAFLex+Point основана на анализе и сравнении сигналов от нескольких дискретных сенсоров. Сравнивая сигналы от различных 30-сенсоров, система идентифицирует характерные фоновые шумы и отделяет их от сигналов реального вторжения. Это позволяет обнаруживать нарушителя даже на фоне интенсивных индустриальных и атмосферных помех. Оператор может раздельно задавать чувствительность сенсоров к смещениям, наклонам и вибрациям ограды, позволяя выбирать оптимальный алгоритм регистрации сигналов вторжения для конкретной ограды. Отклики от каждого из датчиков в реальном времени выводятся на интерфейс пользователя.

---

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Тенденции развития современных технологий безопасности свидетельствуют о том, что для охраны периметров все шире применяются дискретные датчики вибраций различных типов: инерциальные, натяжные, пьезоэлектрические, геофонные, микроэлектромеханические.

Применение дискретных датчиков позволяет реализовать ряд новых функций, недоступных при использовании протяженных кабельных сенсоров. Дискретные сенсоры в ряде случае позволяют локализовать место вторжения с точностью до нескольких метров.

Корреляционный анализ сигналов нескольких дискретных сенсоров весьма эффективен при обнаружении вторжения на фоне сильных шумов. Параллельная обработка сигналов сенсоров позволяет игнорировать массированные атмосферные или индустриальные помехи, что заметно снижает вероятность ложных сигналов тревоги.

Датчики с индивидуальной адресацией и двусторонней связью обеспечивают возможность индивидуальной настройки параметров на каждом сегменте периметра, чтобы компенсировать неоднородность параметров ограды.

---

видеонаблюдения,  система безопасности,  новинки,  контроль доступа