TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT Marcin BUCZAJ 1 systemy alarmowe, Dopplerowskie czujki ruchu, ochrona peryferyjna obiektu, zabezpieczenie okien WYKORZYSTANIE CZUJEK ULTRADŹWIĘKOWYCH W OCHRONIE PERYFERYJNEJ OBIEKTU DO ZABEZPIECZANIA OKIEN SKRZYNKOWYCH Szybkie i skuteczne wykrycie próby włamania lub napadu stanowi istotę działania systemów alarmowych. Konieczne staje się zabezpieczanie nie tylko powierzchni wewnątrz budynku, ale takŝe miejsc umoŝliwiających dostęp do obiektu. Zabezpieczenie otworów okiennych i drzwiowych budynku za pomocą czujek kontaktronowych lub stykowych często stanowi jedyny sposób ochrony peryferyjnej obiektu. W artykule zostanie przedstawiona koncepcja wykorzystania w oknach typu skrzynkowego Dopplerowskich czujek ultradźwiękowych, jako podstawowego elementu detekcyjnego w obwodzie ochrony peryferyjnej obiektu. Do badań został wykorzystany czujnik ultradźwiękowy URZ0530. APPLICATION OF ULTRASONIC DETECTORS IN THE PERIPHERAL PROTECTION SYSTEM IN OBJECT TO SECURE OF THE BOX WINDOWS The essence of the functioning of the alarm systems is a quick and affective detection of attempt on the intruder and hold-up attack. It s necessary not only to secure the area inside buildings, but secure the places which enables access to object as well. The protection of window and door hole in the building by contactron or touch detectors often is only method of peripheral protection systems in objects. This article presents the conception of using ultrasonic detectors in box windows as the basic detectors element in peripheral protection system of object. It used ultrasonic detector URZ0530 to make tests. 1. WSTĘP Systemy alarmowe nie słuŝą do powstrzymywania intruza przed wejściem do obiektu. Ich głównym zadaniem jest wykrycie zagroŝenia oraz powiadomienie uŝytkownika o zajściu tego zagroŝenia. Podstawowym parametrem charakteryzującym skuteczność systemu alarmowego jest czas reakcji systemu na zaistniałe zagroŝenie [4]. Zatem istotne jest z punktu widzenia skutecznej ochrony obiektu, aby system umoŝliwiał wykrywanie próby wtargnięcia intruza do obiektu jeszcze przed sforsowaniem przez niego zabezpieczeń fizycznych. UmoŜliwia to reakcję uŝytkownika, której celem jest przeciwdziałanie 1 Politechnika Lubelska, Katedra InŜynierii Komputerowej i Elektrycznej; 20-618 Lublin; ul. Nadbystrzycka 38A. tel: + 48 81 538-43-01, fax: + 48 81 538-42-99, e-mail: m.buczaj@pollub.pl
438 Marcin BUCZAJ zagroŝeniu lub ograniczanie rozmiaru szkód, zarówno materialnych (kradzieŝ, dewastacja) jak i niematerialnych (zdrowie i Ŝycie), jakie mogą wystąpić w chronionym obiekcie. Proces wykrycia zagroŝenia jest procesem związanym z moŝliwościami elementów detekcyjnych zastosowanych w systemie nadzorującym. Decydującym czynnikiem określającym skuteczność przebiegu tego procesu jest czas, jaki upłynie od momentu podjęcia próby sforsowania zabezpieczeń do momentu jej wykrycia. Podczas projektowania systemu dąŝy się do realizacji następujących zasadniczych celów: - wykrywania jak największej liczby zagroŝeń; - minimalizowania czasu rekcji systemu na wystąpienie zagroŝenia. Ze względu na załoŝony arbitralnie przez projektanta poziom prawdopodobieństwa wystąpienia w chronionym obiekcie danego typu zdarzeń proces wykrywania zagroŝenia charakteryzuje skończona ilość zagroŝeń, na które system reaguje. Liczba wykrywanych zdarzeń jest ściśle związana z liczbą elementów detekcyjnych w systemie, która z kolei ma związek z kosztem instalacji systemu. Na realizację drugiego celu polegającego na zminimalizowaniu czasu reakcji systemu na wystąpienie zagroŝenia, mają zarówno wpływ parametry techniczne elementu detekcyjnego jak i miejsce, w którym dany element detekcyjny został zamontowany [4]. Przedział czasowy t r, który określa prawidłowo przebiegający proces wykrywania zagroŝenia moŝe zostać opisany następującymi zaleŝnościami: ( t t ) t,, (1) r 1 2 tr t0 = 0, (2) t 1 0, (3) gdzie: t 0 - moment wystąpienia zagroŝenia w chronionym obiekcie; t 1 - minimalny czas reakcji systemu związany z najmniej czasochłonną procedurą identyfikacji przewidzianego zagroŝenia; t 2 - maksymalny czas reakcji systemu związany z najbardziej czasochłonną procedurą identyfikacji przewidzianego zagroŝenia. Ze względu na czas procesu wykrywania zagroŝenia waŝne jest, aby system wyposaŝony był w skuteczne środki detekcyjne działające zarówno wewnątrz obiektu (detekcja zaistniałej penetracji obiektu), ale równieŝ na jego peryferiach (detekcja podjęcia próby penetracji obiektu). UmoŜliwia to sprawny przebieg procesu wykrywania zagroŝeń. Układy zabezpieczające strefy peryferyjne (obwodowe) budynku stanowią najczęściej zabezpieczenia słuŝące do detekcji podjętych prób wejścia do obiektu przez otwory okienne i drzwiowe. Obecnie otwory te zabezpieczane są przez czujki kontaktronowe lub stykowe, które to stanowią podstawowe elementy ochrony peryferyjnej obiektu. Wadą takich rozwiązań jest moŝliwość dość prostego obejścia tego zabezpieczenia np. poprzez wybicie szyby. Nie następuje wtedy zadziałanie elementu detekcyjnego, a cięŝar wykrycia zagroŝenia przeniesione zostaje na elementy detekcyjne zainstalowane wewnątrz chronionego obiektu. W artykule zostanie przedstawiona koncepcja zastosowania ultradźwiękowych czujek ruchu, jako elementów detekcyjnych w specyficznych obszarach, jakimi są przestrzenie między poszczególnymi warstwami okien skrzynkowych. Okna takiego typu dość
WYKORZYSTANIE CZUJEK ULTRADŹWIĘKOWYCH W OCHRONIE... 439 powszechnie są stosowane w budownictwie mieszkaniowym, a skuteczne ich zabezpieczenie umoŝliwi szybką identyfikację zagroŝenia. Zgodnie z panującą opinią związaną z moŝliwościami wywoływania przez liczne czynniki zewnętrze fałszywych alarmów oraz stosunkowo niewielkim zasięgiem, czujki ultradźwiękowe nie znalazły szerokiego zastosowania w systemach alarmowych w budynkach. Za to są one powszechnie stosowane w systemach autoalarmowych, jako element umoŝliwiający wykrycie podjętej próby wejścia do wnętrza pojazdu. Celem prowadzonych badań będzie analiza dotycząca moŝliwości wykrywania prób sforsowania zabezpieczanej strefy (okna) oraz porównanie skuteczności czujek ultradźwiękowych ze stosowanymi obecnie rozwiązaniami (czujki kontaktronowe i stykowe). Wydaje się, Ŝe w przypadku zastosowania czujek ultradźwiękowych do ochrony przestrzeni wewnętrznej okna chroniona będzie cała przestrzeń między szybami. KaŜdy ruch wewnątrz chronionego obszaru będzie wywoływał sygnał alarmowy. Ze względu na znikomą przenikalność fal ultradźwiękowych przez elementy konstrukcyjne okna (szyby, ramy) zaletą opisywanego rozwiązania będzie ograniczone chronionego obszaru tylko do przestrzeni wewnętrznej okna. Ze względu na brak w przestrzeni wewnętrznej okna elementów ruchomych minimalizowana będzie równieŝ moŝliwość generowania przez czujkę fałszywych alarmów. 2. SYSTEMY ALARMOWE I&HAS Zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 50131-1 [1] system nadzoru realizujący funkcje systemu alarmowego I&HAS (ang. intrusion and hold-up alarm system) powinien zawierać środki do wykrywania, wyzwolenia stanu alarmowego, sabotaŝu i rozpoznania uszkodzeń w systemie. System ten moŝe równieŝ realizować inne funkcje pod warunkiem, Ŝe nie mają one szkodliwego wpływu na podstawowe funkcje systemu alarmowego I&HAS. Proces przekazywania informacji o wykrytym zagroŝeniu w systemach I&HAS przebiega między obiektem dozorowanym a centrum odbiorczym alarmu za pośrednictwem systemu transmisji alarmu. System transmisji sygnału w zaleŝności od stopnia zabezpieczenia systemu I&HAS powinien spełniać określone kryteria dotyczące: czasu transmisji, maksymalnej wartości czasu transmisji, czasu raportowania, dostępności i ochrony sygnału. Szczegółowe wytyczne dotyczące kryteriów stawianym systemom transmisji sygnału określa norma PN-EN 50136-1-1 [2]. Współczesne systemy alarmowe sygnalizacji włamania i napadu I&HAS to instalacja elektryczna, która odpowiada na ręczne lub automatyczne wykrycie obecności zagroŝenia (włamania, napadu, próby sabotaŝu systemu) w zabezpieczanym obiekcie [1]. Technicznie jest to zespół współpracujących urządzeń (równieŝ z instalacją przewodową), który ma na celu wykrywanie zagroŝeń, wywołanie alarmu oraz inicjowanie przedsięwzięć zmierzających do likwidacji takiego zagroŝenia. Dokonując analizy funkcjonowania takiego systemu moŝna wyodrębnić w nim kilka podstawowych powiązanych ze sobą bloków funkcyjnych (rys. 1): blok analizująco-decyzyjny (zarządzający); blok detekcyjny (wejściowy); blok alarmująco-informujący (wykonawczy); blok zasilający.
440 Marcin BUCZAJ ZASILANIE blok detekcyjny blok analizujący i decyzyjny blok alarmujący i informujący czujki czytniki klawiatury przyciski MP urządzenie sterujące i obrazujące ATS centrum nadzoru MP sygnalizatory wyświetlacze dialery moduły komunikacyjne MP medium połączeniowe ATS system transmisji sygnału Rys.1. Schemat organizacyjny systemu alarmowego I&HAS Blok detekcyjny to zespół urządzeń, których zadaniem jest wykrycie zmian zachodzących w chronionym obiekcie lub wewnątrz systemu alarmowego (sabotaŝ, awaria) i przekazanie informacji do urządzenia sterującego i obrazującego (centrali alarmowej) systemu. W bloku detekcyjnym nie następuje podejmowanie decyzji o wszczęciu alarmu, przekazywana jest tylko informacja o zmianie mierzonego lub kontrolowanego parametru (temperatura, zmiana połoŝenia, dźwięk, obraz, wibracje, sabotaŝ) ponad dopuszczalny zakres lub ustaloną wartość. W zaleŝności od sposobu rozmieszczenia, działania oraz typu poszczególnych czujek w bloku detekcyjnym moŝe nastąpić podział obiektu na wydzielone strefy ochrony (wewnętrzna, zewnętrzna, obwodowa). KaŜda z tych stref będzie spełniała inne zadania i funkcje w procesie wykrywania zagroŝenia. 3. ULTRADŹWIĘKOWE CZUJKI RUCHU Dopplerowskimi czujkami ruchu (detektorami ruchu) nazywa się elementy systemu alarmowego wykorzystujące do detekcji zagroŝenia i wytworzenia sygnału alarmowego zjawisko zmiany częstotliwości fali odbieranej, w porównaniu z częstotliwością fali emitowanej, od poruszającego się w polu detekcji obiektu (efekt Dopplera). PoniewaŜ ich zasada działania opiera się na emisji do otoczenia fali, a więc pewnej ilości energii, wszystkie rodzaje detektorów ruchu zalicza się do czujek aktywnych [3, 7]. Zasada działania czujek ruchu opiera się wykorzystaniu efektu Dopplera. Jest to zjawisko opisujące zmianę częstotliwości fali rejestrowanej przez odbiornik w porównaniu z wzorcową częstotliwością fali emitowanej przez nadajnik występujące w sytuacji, kiedy odległość, jaką musi przebyć emitowana fala, między nadajnikiem a odbiornikiem ulega zmianie [5]. W ultradźwiękowych czujkach ruchu wykorzystywanych w systemach alarmowych występuje sytuacja, w której nadajnik i odbiornik pozostają względem siebie w spoczynku. W tym przypadku warunkiem powstania zjawiska Dopplera jest zmiana drogi, jaką musi przebyć emitowana fala dźwiękowa, odbijająca się od obiektu będącego w ruchu. JeŜeli,
WYKORZYSTANIE CZUJEK ULTRADŹWIĘKOWYCH W OCHRONIE... 441 wszystkie obiekty pozostające w zasięgu czujnika będą pozostawały w spoczynku droga, jaką musi przebyć emitowana fala, będzie stała. Nie będzie wtedy rejestrowana zmiana częstotliwości rejestrowanej przez odbiornik w stosunku do częstotliwości wzorcowej emitowanej przez nadajnik. Sytuacja ta ulegnie zmianie, kiedy w obszarze działania czujki nastąpi ruch obiektu, od którego emitowana fala będzie się odbijać. Wtedy droga, jaką musi przebyć fala i co za tym idzie częstotliwość rejestrowana w odbiorniku zacznie ulegać zmianie. Istota działania ultradźwiękowych czujek ruchu została przestawiona na rys. 2. ZaleŜność określająca wartość częstotliwości Dopplerowskiej f ma postać [6]: 2V f = f0, (4) V V gdzie: f 0 - częstotliwość fali dźwiękowej emitowanej przez nadajnik; V - prędkość poruszającego się obiektu; V - prędkość fali dźwiękowej emitowanej przez nadajnik. 0 0 Rys.2. Zasada działania ultradźwiękowej czujki ruchu 4. MODEL OKNA SKRZYNKOWEGO Z CZUJNIKIEM ULTRADŹWIĘKOWYM Celem przeprowadzonych badań było przedstawienie ultradźwiękowych czujek ruchu, jako alternatywy do obecnie stosowanych, do zabezpieczania otworów okiennych, czujek kontaktronowych i stykowych stanowiących elementy ochrony peryferyjnej obiektu. Badania nad moŝliwościami zastosowania ultradźwiękowych czujek ruchu do zabezpieczania otworów okiennych wyposaŝonych w okna typu skrzynkowego zostały przeprowadzone na zbudowanym do tego celu modelu takiego okna (rys.3) Konstrukcja modelu okna została tak opracowana, aby moŝliwe było wykonanie badań dla występujących w rzeczywistych systemach alarmowych następujących sytuacji: - forsowanie okna przez wywarzenie jego skrzydła (zdarzenie 1); - forsowanie okna przez otworzenie jego skrzydła (zdarzenie 2); - forsowanie okna przez otwór wykonany w części okna, ale bez otwierania jego skrzydła (róŝne warianty umiejscowienia otworów) (zdarzenie 3); - zakłócenie pracy systemu alarmowego przez próby wywołania fałszywego alarmu przez wykonywanie ruchów po zewnętrznej stronie okna (zdarzenie 4).
442 Marcin BUCZAJ Rys.3. Model okna skrzynkowego z umieszczoną wewnątrz ultradźwiękową czujką a) rozmieszczenie elementów umoŝliwiających przeprowadzenie badań na modelu, b) rozmieszczenie elementów ultradźwiękowej czujki ruchu, 1 zawiasy, 2 klamka, 3 otwory z przesłonami, 4 nadajnik czujki, 5 odbiornik czujki Dodatkowo model wyposaŝony był w układ pomiarowy (rys.4). W skład układu pomiarowego wchodziły następujące elementy: - ultradźwiękowa czujka ruchu typ URZ0530 (rys.5); - centrala alarmowa Integra 32 firmy Satel; - przekaźnik pośredniczący; - woltomierz i zasilacz stabilizowany 12V. Po podłączeniu do układu sterowania czujki URZ0530 zasilania o wartości U=12V czujka na wyjściu sygnałowym charakteryzowała się następującymi poziomami napięć: - w stanie normalnym, kiedy wszystkie elementy czujki działają poprawnie, ale czujka nie jest pobudzana w skutek wykrycia zaburzenia U S =6,68 V; - w stanie alarmowania, kiedy wszystkie elementy czujki działają poprawnie, a czujka jest pobudzona w wyniku wykrycia zaburzenia U S =0 V. urządzenie sterujące (centrala alarmowa) + zasilanie NC układ sterujący Rys.4. Schemat układu połączeń urządzeń w modelu, 1 przekaźnik, 2 nadajnik ultradźwiękowej czujki ruchu, 3 odbiornik ultradźwiękowej czujki ruchu
WYKORZYSTANIE CZUJEK ULTRADŹWIĘKOWYCH W OCHRONIE... 443 Rys.5. Ultradźwiękowa czujka ruchu URZ0530 Model okna typu skrzynkowego został wyposaŝony dodatkowo w standardową czujkę kontaktronową i stykową. Umieszczenie tych elementów w modelu umoŝliwiła sprawdzenie skuteczności działania układu w róŝnych konfiguracjach sprzętowych. Dzięki temu moŝliwa będzie ocena działania tych elementów w róŝnych przypadkach. 5. ANALIZA BADAŃ Skuteczność działania systemu była określana na podstawie prawidłowego (oczekiwanego) zadziałania systemu w róŝnych wariantach zdarzeń. W przypadku pierwszych trzech zdarzeń oczekiwanym rezultatem było pobudzenie systemu alarmowego. Natomiast w przypadku czwartego zdarzenia oczekiwanym wynikiem było brak pobudzenia. Wyniki przeprowadzonych doświadczeń zostały przedstawione w tab.1. Tab. 1. Wyniki badań pobudzanie systemu alarmowego Pobudzanie systemu alarmowego Zdarzenie Czujka Czujka Czujka ultradźwiękowa kontaktronowa stykowa 1 + + + 2 + + + 3 + - - 4 - - - Przedstawione w tab.1. wyniki poszczególnych testów były przeprowadzone dla warunków, w których nieprzewidziana była moŝliwość sabotowania poszczególnych układów detekcyjnych podczas próby sforsowania zabezpieczenia. W przypadku testów w bardziej urealnionych warunkach (dopuszczona ingerencja intruza w system w celu sabotowania jego działania) dla zdarzenia 2 moŝliwe było dokonanie sforsowania zabezpieczeń bez wywoływania alarmu dla układów wyposaŝonych w kontaktron a
444 Marcin BUCZAJ szczególnie w czujkę stykową. W przypadku czujki ultradźwiękowej takie próby były nieskuteczne. Jedynie w przypadku ustawienia zbyt duŝej czułości układu detekcyjnego ultradźwiękowej czujki ruchu moŝliwe było występowanie w układzie fałszywych alarmów powodowanych pobudzaniem się czujki ultradźwiękowej. 6. WNIOSKI W systemach alarmowych waŝnym czynnikiem decydującym o skuteczności działania takiego systemu jest czas wykrycia zagroŝenia. Im krótszy jest czas pomiędzy chwilą wykrycia zagroŝenia a reakcją uŝytkownika systemu na dane zagroŝenie tym większa szansa na ograniczenie szkód wywołanych tym zagroŝeniem. Istotne staje się zatem wyposaŝenie systemów nadzoru w środki techniczne, w których skuteczne wykrycie zagroŝenia następuje jeszcze przed wtargnięciem intruza do wnętrza obiektu. W związku z tym cięŝar procesu detekcji zagroŝenia powinien być przesuwany w stronę ochrony peryferyjnej obiektu. Stosowane obecnie do zabezpieczania otworów okiennych i drzwiowych zabezpieczenia w postaci kontaktronów i czujek stykowych w niektórych sytuacjach są nieskuteczne (np. wybicie szyby). Znacznie skuteczniejszym, ale teŝ bardzo drogim rozwiązaniem moŝe być zastosowanie do ochrony otworów okiennych aktywnych barier podczerwieni. Równie skutecznym jak aktywne bariery podczerwieni rozwiązaniem technicznym jest zastosowanie ultradźwiękowych czujek ruchu. Jednak ich skuteczne działanie jest moŝliwe tylko wewnątrz małych, zamkniętych przestrzeni. W takich przypadkach chroniona jest cała przestrzeń wewnątrz chronionego obiektu, która jest ograniczona jej elementami konstrukcyjnymi. Zastosowanie ultradźwiękowych czujek ruchu jest rozwiązanie nie odbiegającym znacząco od ceny czujek kontaktronowych i stykowych, a umoŝliwia znacznie większy zakres wykrywanych zdarzeń (chroniony cała powierzchnia dostępna potencjalnemu intruzowi). Rozwiązanie to moŝe być zatem skuteczną alternatywą do stosowanych obecnie rozwiązań technicznych. 7. BIBLIOGRAFIA [1] PN-EN 50131-1:2009 Systemy alarmowe. Systemy sygnalizacji włamania i napadu. Część 1: Wymagania systemowe, PKN, Warszawa 2009. [2] PN-EN 50136-1-1:2001 Systemy alarmowe. Systemy i urządzenia transmisji alarmu. Wymagania ogólne dotyczące systemów transmisji alarmu, PKN, Warszawa, 2001. [3] PN-93/E-08390/24:1993 Systemy alarmowe. Włamaniowe systemy alarmowe. Wymagania i badania ultradźwiękowych czujek Dopplera, PKN, Warszawa 1993. [4] Buczaj M.: Czas jako kryterium skuteczności przebiegu procesu neutralizacji zagroŝeń w systemach nadzorujących stan chronionego obiektu, Zabezpieczenia nr 6(70)/2009, s. 56 61. [5] Halliday D., Resnick R., Walker J.: Podstawy fizyki, T.2, PWN, Warszawa 2008. [6] Nawrowski R., Skowronek K.: Systemy alarmowe pojazdów samochodowych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1997. [7] Obraz J.: Ultradźwięki w technice pomiarowej, WNT, Warszawa 1983.