Aktywne bariery podczerwieni

Transkrypt

1 Aktywne bariery podczerwieni Artykuł firmy / Andrzej Tomczak Idea zabezpieczania obiektów systemami alarmowymi sygnalizacji włamania polega na jak najwcześniejszym wykrywaniu intruza. JeŜeli zostanie on wykryty na tyle wcześnie, Ŝe ochrona, grupa interwencyjna lub Policja zdąŝą zareagować, to tak zaprojektowany system moŝe przeciwdziałać grabieŝy, zniszczeniu mienia czy nawet napadowi. O takim systemie zabezpieczenia mówimy, Ŝe został zaprojektowany zgodnie z zasadami sztuki. Przykładem realizacji powyŝszej zasady moŝe być system wczesnego wykrywania intruza, w którym w tzw. ochronie obwodowej (nazywanej równieŝ z angielskiego ochroną perymetryczną) zostaną wykorzystane aktywne tory lub bariery podczerwieni. Bariera podczerwieni jest zbudowana z dwóch lub więcej torów podczerwieni. Aktywny tor podczerwieni składa się z nadajnika podczerwieni i odbiornika podczerwieni. W nadajniku wytwarzana jest wiązka niewidzialnego światła o określonej długości fali (w paśmie podczerwieni), która w niektórych rozwiązaniach jest dodatkowo modulowana. Odbiornik przetwarza odebrany niewidzialny sygnał świetlny na odpowiedni sygnał elektryczny, poddając go odpowiedniej obróbce. W niektórych, droŝszych urządzeniach, obróbka sygnału jest bardzo wyrafinowana i ma m.in. na celu minimalizację moŝliwości występowania fałszywych alarmów. JeŜeli na drodze między nadajnikiem podczerwieni a odbiornikiem podczerwieni pojawi się nieprzezroczysta przeszkoda, wówczas odbiornik wysyła do systemu sygnalizacji włamania informację o alarmie. Wiązka podczerwieni, kształtowana w nadajniku, jest rozproszona w mniejszym lub większym stopniu (nie jest, jakby się mogło wydawać, wiązką laserową ). MoŜna w uproszczeniu stwierdzić, Ŝe wiązka ma kształt stoŝka, którego wierzchołek znajduje się w wyjściu optycznym nadajnika. Patrząc na przekrój tego stoŝka, moŝemy określić kąt rozproszenia wiązki α. Biorąc pod uwagę gęstość energii promieniowanej przez nadajnik, oczywista jest zaleŝność stwierdzająca, Ŝe im mniejszy będzie kąt α (czyli węŝsza wiązka), tym zasięg toru będzie większy. I na odwrót, im rozproszenie wiązki będzie większe (większy kąt α) to zasięg toru będzie mniejszy. PoniewaŜ najczęściej dąŝymy do tego, aby urządzenia miały duŝy zasięg, narzuca się prosty wniosek aby produkować tory z dobrą optyką (gwarantującą mały kąt α np. wykorzystując wiązkę laserową). Przy odległości 10 m średnica otrzymanej wiązki będzie mniejsza niŝ 7 cm, a dla 100 m średnica będzie wynosiła ok. 0,7 m. To oznacza, Ŝe dość trudno będzie dokonać regulacji toru, czyli innymi słowy trafić wiązką z nadajnika w odbiornik. Jeśli uda się precyzyjnie wyregulować nadajnik i odbiornik, to trzeba wziąć pod uwagę konieczność bardzo stabilnego montaŝu urządzeń. Drgania nadajnika, np. o kąt ±0,5 mogą przesuwać wiązkę prawie o 9 cm, na dystansie 10 m i prawie o 90 cm, na dystansie 100 m. Nawet najdokładniejsze ustawienie optyki moŝe w tym przypadku nie uchronić przed fałszywymi alarmami. Z tego powodu nie stosuje się na duŝą skalę barier laserowych. Na rysunku (Rys. 1) przedstawiono rozproszenie wiązki ±2 (α = 4 ), charakterystyczne dla większości urządzeń produkowanych seryjnie. Wówczas przy odległości 10 m średnica otrzymanej wiązki będzie mniejsza niŝ 0,7 m, a dla 100 m ta średnica będzie wynosiła ok. 7 m. UmoŜliwia to dość łatwą regulację toru i zapewnia duŝo większą odporność na drgania urządzeń. Czynnikiem powodującym ograniczanie zasięgu działania toru podczerwieni (oprócz gęstości energii promieniowanej przez nadajnik) jest róŝne tłumienie wiązki światła w zaleŝności od warunków atmosferycznych. Nie zawsze mamy bowiem do czynienia z dobrą przeźroczystością powietrza. W naszej strefie klimatycznej często występują mgły, opady deszczu i śniegu. Przenikalność wiązki światła z zakresu podczerwieni, mierzona w róŝnych warunkach atmosferycznych, jest lepsza niŝ wiązki światła z zakresu widzialnego, ale podczerwień równieŝ podlega tłumieniu. Rys.1. Zasada działania aktywnego toru podczerwieni Jednak zastosowanie wąskiej wiązki nie zawsze musi być korzystne. Dla przykładu przeanalizujemy, co się stanie z wiązkę o kącie α = 0,4 w odległości np. 10 m i 100 m. Rys.2. wykres zaleŝności zasięgu toru podczerwieni do widoczności

2 Na rysunku 2 pokazano zmierzoną zaleŝność zasięgu działania toru podczerwieni w funkcji widoczności. Z wykresu wynika, Ŝe przy bardzo złych warunkach atmosferycznych zasięg spada do ok. 100 m, by osiągnąć ok. 75 m przy wyjątkowo złej widoczności. W tabeli (Rys. 3) przedstawiono osiągane parametry toru podczerwieni o nominalnym zasięgu 200 m, w zaleŝności od widoczności. Z tabeli tej wynika, Ŝe dobrą praktyką jest w takim przypadku przyjmowanie zasięgu bezpiecznego 50% zasięgu nominalnego ( 100 m dla zasięgów nominalnych 200 m i większych). W miejscach, w których zaleŝy nam na maksymalnej pewności działania toru podczerwieni, odległość między nadajnikiem a odbiornikiem ogranicza się nawet do 80 m (dla zasięgów nominalnych 200 m i większych). Kalkulację współczynnika ograniczenia zasięgu przeprowadza się na podstawie całorocznej informacji na temat pogody w makroregionie, w którym instalowany jest system. Przykładowo przy odległości pomiędzy nadajnikiem a odbiornikami wynoszącej 10 m, pojedyncza wiązka (o średnicy ok. 0,7 m) moŝe oświetlić 3 odbiorniki, rozmieszczone co 20 cm (Rys. 4). Rys. 5. Schematy działania torów i barier podczerwieni Rys. 3. Tabela zasięgów bariery podczerwieni o nominal-nym zasięgu 200 m w zaleŝności od widoczności Z pojedynczych torów podczerwieni tworzy się bariery podczerwieni. W barierze odległość pomiędzy wiązkami wynosi z reguły od 20 do 35 cm. W najprostszych rozwiązaniach, bez synchronizacji pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem, naleŝy liczyć się z tym, Ŝe jeden nadajnik moŝe oświetlić kilka odbiorników bariery. Rys. 4. Oświetlenie kilku odbiorników przez jeden nadajnik Na rysunku 5 pokazano schematycznie niektóre praktyczne rozwiązania problemu wynikającego z oświetlania więcej niŝ jednego odbiornika. Interesujące rozwiązanie przedstawiono na schemacie d. Wykorzystano oświetlanie wielu odbiorników przez jeden nadajnik. Wówczas w kaŝdym urządzeniu jest jeden nadajnik i kilka odbiorników (liczba odbiorników zaleŝy od odległości pomiędzy nadajnikiem i odbiornikami). MoŜe się okazać, Ŝe bariera nie będzie prawidłowo działała, jeśli urządzenia umieścimy zbyt blisko siebie, np. w celu przetestowania przed instalacją. WaŜne, aby przy takiej konstrukcji bariery, rygorystycznie przestrzegać zaleceń producenta co do odległości pomiędzy elementami nadawczymi i odbiorczymi. Na schemacie e pokazano mutację poprzedniego rozwiązania. Wszystkie nadajniki umieszczono w jednym urządzeniu a odbiorniki w drugim. Uzyskano w ten sposób 16 wiązek. Wszystkie wiązki muszą trafić w odbiorniki (do kaŝdego odbiornika 4 wiązki). Zanik sygnału jednej wiązki powoduje alarm. Rozwiązanie takie stworzyło ścianę podczerwieni, która niestety jest bardzo podatna na fałszywe alarmy. Punkty wielokrotnego przecięcia wiązek wskazują miejsca, w których rośnie prawdopodobieństwo, Ŝe zakłócenie spowoduje fałszywy alarm. Im więcej przeciętych wiązek w bliskiej odległości od siebie, tym zagroŝenie jest wyŝsze. Aby uzyskiwać wyŝsze bariery z prostych urządzeń stosuje się róŝnicowanie częstotliwości nadawania lub modulacji przylegających do siebie barier. Od powyŝszych problemów i ograniczeń moŝna się uwolnić, stosując bariery wyposaŝone w system synchronizacji nadajników i odbiorników. Wymaga to zrealizowania bardziej skomplikowanego sterowanie poszczególnych torów oraz połączenia urządzeń ze sobą tak, aby mogły się nawzajem kontrolować. JeŜeli w określonej

3 chwili czasowej uruchomi się tylko jeden nadajnik i odbiornik (schemat f) wówczas moŝna nie dbać o to, Ŝe jeden nadajnik oświetla więcej odbiorników zadziała tylko ten, który w danym momencie zostanie uruchomiony. Urządzenie działa cyklicznie. Uruchamia pierwszą parę nadajnik odbiornik, potem następną i następną. Gdy juŝ wszystkie zostały w danym cyklu uruchomione, rozpoczyna się następny cykl. Takie rozwiązanie jest nazywane multipleksowaniem z podziałem czasu. Zmiana analizowanego toru jest wykonywana np. co 1 ms, a więc niezauwaŝalnie z punktu widzenia człowieka. PoniewaŜ w danym momencie czasowym działa tylko jeden tor, wiązki moŝna pomieszać (tzn. nie jak na schemacie f ustawić je naprzeciwko siebie, tylko poprzesuwać odbiorniki w stosunku do nadajników, uzyskując nieprzewidywalne połoŝenie wiązki). Tego typu wyrafinowane urządzenia są sterowane za pomocą programów komputerowych, które mogą np. pokazać stan kaŝdego z uruchomionych torów podczerwieni (Rys. 6 ). na fałszywe alarmy. Stosując róŝne modulacje wiązek moŝna montować urządzenia obok siebie, bez zagroŝenia, Ŝe nadajnik jednej bariery będzie miał wpływ na odbiorniki innych. Najczęściej stosuje się urządzenia czterokanałowe, pozwalające na umieszczenie do 4 zestawów obok siebie. Na schemacie c pokazano przykład wykorzystania dwóch kanałów w celu stworzenia bariery podczerwieni. Rys. 7. Detektor nacisku zamontowany na kolumnie bariery Rys. 6. Stan poszczególnych wiązek bariery zobrazowany na ekranie komputera Bardzo waŝną kwestią, dotyczącą wszystkich urządzeń wykrywających intruza w warunkach zewnętrznych, jest odporność na fałszywe alarmy wynikające ze zmiennych warunków atmosferycznych oraz innych czynników, które występują w czasie pracy urządzeń detekcyjnych w warunkach zewnętrznych (np. przelatujące ptaki, ruszające się konary drzew, przebiegające zwierzęta). Aby umoŝliwić kompensację energii docierającej do odbiorników w czasie zmiennych warunków pogodowych odbiorniki podczerwieni niektórych firm są wyposaŝane w układy Automatycznej Regulacji Wzmocnienia (ARW). śeby dodatkowo zwiększyć odporność na fałszywe alarmy, niektórzy producenci stosują podwójne nadajniki podczerwieni. Na schemacie b (Rys. 5) przedstawiono tor podczerwieni oparty na dwóch nadajnikach. Alarm występuje w momencie przecięcia wszystkich 4 wiązek podczerwieni. Czyli naleŝy traktować wszystkie 4 wiązki jako jedną szeroką wiązkę (szerokości kilkunastu cm). Zwiększa to w sposób znaczący odporność Na szczycie bariery moŝna zamontować detektor nacisku, aby zabezpieczyć się przed pokonaniem bariery w miejscu, gdzie nie ma wykrywania przy pomocy wiązek podczerwieni. Zadaniem detektora nacisku jest uniemoŝliwienie wspinania się na barierę oraz wykrycie jakiekolwiek próby połoŝenia na górną część kolumny czegokolwiek o masie większej niŝ np. 5 kg (Rys. 7). Na schemacie g przedstawiono rozwiązanie z tzw. synchronizacją optyczną, gdzie kaŝda cela pełni jednocześnie funkcję nadajnika i odbiornika. Dzięki nowoczesnej, opatentowanej technologii D.I.S. 100 Hz (Double Interlaced 100 Hz Scanning) wszystkie bariery mają taką samą konstrukcję a związki są multipleksowane i synchronizowane częstotliwością 100 Hz. Stosując bariery multipleksowane instalator ma wiele moŝliwości ich zaprogramowania. PoniŜej zostaną przedstawione przykładowe algorytmy działania takich barier. Tego typu urządzenia są wyposaŝane w wyjścia antymasking i zamglenie. Wyjście antymasking uruchamia się gdy w sposób nagły zostanie przesłonięty nadajnik i to przesłonięcie będzie trwało przez czas dłuŝszy niŝ zaprogramowany. Przykładem moŝe być złamany konar, który upadł na ziemię i przesłonił którąś z wiązek. Wyjście zamglenie uruchamia się wtedy, gdy następuje powolne i czasowe ograniczenie widoczności, którego szybkość jest zgodna z zaprogramowanym algorytmem pracy urządzenia.

4 <Ustawienie 1> Alarm włamaniowy wyzwalany jest w momencie przecięcia jednej wiązki. Uwaga: Czas reakcji najniŝszej wiązki moŝe być ustawiany niezaleŝnie od czasu reakcji pozostałych wiązek. <Ustawienie 5> Podwójna detekcja w przypadku wyłączenia jednej wiązki - po wyłączeniu jednej wiązki warunkiem wyzwolenia wyjścia alarmowego jest przecięcie dwóch sąsiednich aktywnych wiązek. <Ustawienie 2> Alarm włamaniowy wyzwalany jest w przypadku przecięcia co najmniej dwóch sąsiednich wiązek. <Ustawienie 3> Alarm włamaniowy wyzwalany jest w przypadku przecięcia co najmniej trzech sąsiednich wiązek. <Ustawienie 4> W przypadku przesłonięcia wiązki przez programowalny czas bariera wyzwala wyjście antymasking <Ustawienie 4> Alarm włamaniowy wyzwalany jest w przypadku przecięcia dwóch (na rysunku) lub trzech sąsiednich wiązek. Ponadto, gdy jedna wiązka jest przecięta przez dłuŝszy okres czasu (programowany np. W zakresie 40 ms do 1 s) równieŝ wyzwalane jest wyjście alarmowe. Uwaga: Czas reakcji najniŝszej wiązki moŝe być ustawiany niezaleŝnie od czasu reakcji pozostałych wiązek.

5 Na rysunku 8 pokazano, Ŝe w niektórych typach barier, mimo włączenia detekcji podwójnej wiązki, najniŝszy tor moŝe działać niezaleŝnie, zapobiegając np. czołganiu się pod barierą. Rys. 8. Dodatkowa detekcja najniŝszej wiązki, mimo uruchomienia detekcji pobudzenia dwóch wiązek jednocześnie Przy wyborze konkretnego typu urządzeń, oprócz renomy producenta, warto zwrócić uwagę na dwa elementy: cenę i parametry pracy. Niska cena powinna budzić zaniepokojenie, bo trudno jest zaprojektować tanie urządzenie, które będzie dobrze radziło sobie z czynnikami występującymi w warunkach zewnętrznych. NaleŜy równieŝ zwracać szczególną uwagę na temperaturę pracy czujek, poniewaŝ warunki klimatyczne panujące w naszym kraju są dość trudne (a niektórzy producenci w ramach oszczędności np. nie montują grzałek wewnątrz urządzeń). Pierwszą wskazów-ką moŝe być kraj pochodzenia urządzeń. Im bardziej klimat kraju producenta jest zbliŝony do naszego, tym pewniej urządzenia będą się dobrze działały w naszych instalacjach. Aby bariera pracowała poprawnie, oprócz doboru odpowiedniego sprzętu, muszą być spełnione podstawowe wymagania prawidłowego montaŝu. Bardzo waŝne jest, aby urządzenia były montowane stabilnie, na stabilnych elementach. Ruch nadajnika lub odbiornika, moŝe powodować powstawanie fałszywych alarmów. NaleŜy równieŝ uwaŝać, aby słońce nie świeciło bezpośrednio w odbiorniki. Problemem moŝe być równieŝ światło odbite np. od szyb. Trzeba takŝe zadbać, aby w polu widzenia barier nie było krzaków, konarów drzew itp. (Rys. 9) Dzięki cechom, jakimi charakteryzują się aktywne tory (bariery) podczerwieni, uznaje się je jako jedne z podstawowych i najbardziej skutecznych czujek stosowanych w ochronie obwodowej i obrysowej. Zastosowanie dobrze dobranych aktywnych czujek podczerwieni pozwoli na zbudowanie skutecznego systemu zabezpieczenia obiektu. Ich niezaprzeczalną zaletą jest wąska przestrzeń, w której następuje wykrywanie intruza, co pozwala na uruchomienie systemu alarmowego nawet wtedy, gdy w strefie perymetrycznej lub wewnętrznej odbywa się normalny ruch. Rys.9. Podstawowe zasady instalacji torów i barier podczerwieni W trakcie tworzenia artykułu wykorzystano do celów poglądowych zdjęcia i rysunki firm: SORHEA i IDE Sp. z o.o Wydanie 3/2011 Elektroinstalator str.22-26