ОХРАННО-ПОЖАРНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ НА ОСНОВЕ СИБИ ТРАНСИВЕРОВ
А. Соколов, г. Москва
На страницах журнала “Радио” неоднократно публиковались материалы, посвященные охранным сигнализациям (ОС), использующим радиоканал [1-7]. Подобные устройства широко применяются для охраны от преступных посягательств автономных (удаленных, не телефонизированных) объектов хозяйственной деятельности, загородных коттеджей, автотранспорта. Существуют также охранно-пожарные сигнализации (ОПС) по предупреждению проблем не только криминального, но и аварийно-бытового характера.
Особенность представленных ОС заключается в том, что их важнейшие узлы – приемные и передающие тракты, кодеры и декодеры, являются полностью самодельными. Вероятно, такой подход позволяет сэкономить денежные средства, поскольку любительская конструкция обходится дешевле промышленного изделия. Однако для изготовления сложного технического комплекса по беспроводной передаче, приему, обработке цифровых данных необходимо обладать высокой квалификацией и соответствующей измерительной аппаратурой.
В настоящей статье описывается радиоканальная ОПС, построенная с несколько иных позиций. Здесь в качестве базового компонента применены сертифицированные радиоэлектронные средства, а именно – трансиверы гражданского диапазона. Такой подход позволяет любому радиолюбителю, имеющему в своем распоряжении лишь тестер, изготовить сигнализацию, обладающую высокими техническими параметрами.
При этом своими силами надо изготовить только два простых модуля для управления радиостанциями Maycom EM-27. Эти трансиверы корейской фирмы Maycom Co., Ltd. весьма популярны во всем мире. Достаточно привести перечень торговых марок, под которыми они продаются в различных странах: Maycom, President, Albrecht, Roger, Stabo, Zodiac, Cherokee, Realistic, RadioShack, Allamat. В Россию поставляется наиболее полная версия трансивера, имеющая функцию персонального вызова кодом DTMF (Dual Tone Multi Frequency). Следует отметить, что задействованные в ОПС радиостанции всегда могут быть использованы по своему прямому назначению, поскольку их схемы не подвергаются серьезной модификации.
С тех пор, как в 1963 году телекоммуникационная корпорация АТ&Т [*] зарегистрировала торговую марку Touchtone, являющуюся синонимом DTMF, тоновый набор номера постепенно вытеснил импульсный, причем, начиная от офисных мини-АТС и заканчивая городскими ЦАТС большой емкости. Кроме своего утилитарного назначения DTMF стал использоваться и во многих других приложениях. С его помощью функционируют шлюзы для отправки пейджерных сообщений, осуществляется селективный вызов абонентов локальных радиосетей (в том числе транковых) и доступ к рекламно-справочной информации сотовых операторов. Сигналы DTMF также применяются при защите абонентских телефонных линий от пиратского использования, для дистанционного управления УКВ ретрансляторами, радиомодемами, автоответчиками, АОНами. Известны даже устройства, в которых команды в формате DTMF передаются не по звуковому каналу, а по силовой электросети.
________________________________________
[*]- Неполный перечень фундаментальных разработок фирмы АТ&Т: кабельная сеть телевидения (1941), радиотелефон (1946), транзистор (1947), автоматический «межгород» (1951), космический спутник связи (1962), международный компьютерный канал (1970), волоконно-оптическая линия связи (1977), коммерческая система сотовой связи (1983).
Автор консультировался в ряде профильных компаний по поводу использования последовательности DTMF кодов в охранном оборудовании. Например, по мнению специалистов фирмы «Лаборатория Домашних Технологий I Home» [8], «аналоговое DTMF кодирование имеет право на существование, однако не является оптимальным решением». Причины назывались следующие.
Для передачи DTMF посылок необходимо использовать амплитудную (или частотную) модуляцию вместо амплитудной (или фазовой) манипуляции, что расширяет спектр сигнала. Схемотехника радиотрактов с модуляцией несущей сложнее, чем с манипуляцией. Аналоговый сигнал более подвержен влиянию помех и шумов, чем дискретный, поэтому для повышения надежности системы желательно вводить избыточное кодирование, что неизбежно приведет к усложнению устройства. Наконец, для передачи и приема дискретного (цифрового) сигнала выпускается широкая номенклатура гибридных микросборок на специально выделенные частоты 303,825/418,000/433,920/916,500 МГц, поэтому многие производители охранного оборудования ориентированы на них.
Полностью соглашаясь с вышеприведенными аргументами, тем не менее, интересно произвести оценку уязвимости DTMF кодирования к вскрытию кода методом тривиального перебора.
В трансивере EM-27D применяется 6-знаковая DTMF последовательность, состоящая из цифр 0…9 (урезанная версия без символов ;, #, A, B, C, D). Количество возможных кодовых комбинаций здесь составляет 1 миллион (106 = 1.000.000). В двоичной системе счисления, приблизительно такое же количество комбинаций реализуется при 20-битном кодировании (220 = 1.048.576). Теперь внимание: в массовых моделях беспроводных ОПС используется двоичная последовательность длиной всего 8…16 бит, то есть с числом комбинаций от 256 до 65.536. А тут – миллион. Как говорится, почувствуйте разницу.
Конечно, прямое сравнение с цифровым кодированием несколько условно, поскольку не учитывает ряд нюансов, например, DTMF код имеет простой формат и легче анализируется. Впрочем, не следует наивно обольщаться: все простые устройства обеспечивают лишь относительную защиту. Для охраны особо важных объектов применяется профессиональное оборудование с более изощренными алгоритмами шифрования, например, 24…32-битные кодировки PowerCode, Code-Secure, динамический код KeeLog, шумоподобный код, «прыгающая» частота».
Предлагаемая ОПС относится к самотестирующимся системам, имеющим определенные преимущества и недостатки. Плюсы: малое время обнаружения потери радиоканала, позволяющее оперативно реагировать на технические неполадки объектовой аппаратуры или ее злонамеренное повреждение. Минусы: возможен радиоперехват сообщений и целенаправленные атаки «радиохулиганов» (воздействие преднамеренной помехой, попытки взлома кода), что увеличивает вероятность ложных тревог. Для повышения уровня доверия к тревоге, предусмотрено игнорирование пропуска двух радиосообщений за контрольное время. Имеется также возможность мониторинга канала связи на предмет наличия блокирующих помех.
ОПС функционирует по следующему принципу. В дежурном режиме трансивер, установленный на охраняемом объекте, циклически передает кодированное сообщение, извещающее, что на объекте не произошло инцидентов. Приемный трансивер, установленный на пульте наблюдения, принимает и обрабатывает информацию. Если в течение контрольного времени с объекта не поступает ни одного сообщения, то включается сигнал тревоги. С целью упрощения аппаратуры статус тревожной ситуации не определяется.
На рис.1 показана схема модуля А1. Питание модуля и управление трансивером осуществляются с микрофонного разъёма XS1. К терминалу X1 ШЛЕЙФ может быть подключено последовательно сколько угодно датчиков с нормально-замкнутым (НЗ) релейным выходом (ток шлейфа ;15 мА). Тиристор VS1 и транзистор VT1 закрыты, горит зеленый светодиодный индикатор HL1, указывающий на рабочее состояние шлейфа. Генератор DA1 вырабатывает прямоугольные импульсы, период следования и длительность которых определяется, соответственно, элементами R1С1 и R2С1. С выв. 7 DA1 (открытый коллектор) осуществляется включение трансивера на передачу, с выв. 3 через цепь VD4R7 подается команда на формирование DTMF посылки.
Соответствующий датчик выявляет тревожную ситуацию (взлом, проникновение, возгорание, протечка воды, утечка газа), в результате чего происходит обрыв шлейфа. На управляющий электрод тиристора VS1 через резистор R4 поступает положительное напряжение, тиристор открывается, фиксируя факт события. При этом загорается красный светодиодный индикатор тревоги HL2 и через диод VD3 блокируется работа генератора DA1. Трансляция в эфир кодированных сообщений прекращается.
Секретная кнопка SB1, подключаемая к терминалу Х2 СБРОС, служит для постановки объекта под охрану после того, как помещение покинуто и заперты двери. При нажатии кнопка шунтирует тиристор VS1, он закрывается, разрешая работу генератора. Стартовая пауза, предшествующая подаче первого сообщения составляет 30 секунд, затем устанавливается период следования 20 секунд.
Комплект датчиков (извещателей) выбирается в соответствии с решаемой задачей по охране объекта и экономической целесообразностью [9…11]. Желательно применить датчики, отличающиеся по источникам реагирования, контролируемым физическим параметрам и принципам действия чувствительного элемента. Например: на разрушение оконных и дверных решеток, на открывание дверей и окон, на разбитие стекла, на проникновение, на движение, на возгорание и прочие нештатные ситуации. В настоящее время ассортимент датчиков весьма обширен и способен удовлетворить любые запросы.
На рис. 2 показана схема модуля А2, который функционирует следующим образом. При подаче питания конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R2. Если на этот процесс не влиять, то спустя 70 секунд сработает таймер DA1 и включится звуковой оповещатель тревоги BF1. Однако в дежурном режиме приемный трансивер каждые 20 секунд принимает кодированные посылки, которые обрабатывает микроконтроллер PIC16С54, расположенный на плате DTMF (М4ОЕ042В). При совпадении принятого кода с идентификационным кодом, хранящимся в энергонезависимой памяти, формируется импульс положительной полярности, который через резистор R1 поступает на затвор полевого транзистора VT1. Ключ открывается и разряжает конденсатор С1, тем самым обнуляя таймер. Объявление тревоги происходит после неполучения 3-х подряд радиосообщений с охраняемого объекта.
Конструкция модулей. Поскольку схемы несложны, они смонтированы на универсальных печатных платах, приобретенных в магазине «Чип и Дип». Плата модуля А1 помещена в пластмассовый корпус с габаритными размерами 105х55х30 мм. Подойдут корпуса серий KZ и G10, выпускаемые для радиолюбительского конструирования, в том числе, имеющие монтажные петли для крепления на стену. В качестве иллюстрации на рис. 3 представлен внешний вид модуля А1, подключенного к передающему трансиверу. Плата модуля А2 помещена в пенал из электроизоляционного картона марки ЭВ толщиной 1 мм и установлена внутри приемного трансивера.
Применяемые детали. Микросхема интегрального таймера КР1006ВИ1 заменима многочисленными импортными аналогами: LM555, NE555, TLC555, HA17555, МС1455, ICL7555, AS555 [12].
Полевые транзисторы КП501А заменимы токовыми ключами КР1014КТ1А, VN2410. Светодиоды КИПД14Б и КИПД14Г заменимы, соответственно, АЛ307БМ и АЛ307ВМ или импортными образцами. Вместо диодов 1N4148 подойдут КД522А.
В качестве терминалов Х1Х2 использован винтовой клеммник РА 8 фирмы AVC, укороченный до 2-х пар контактов. Кабельный разъем ХS1 – типа NC-518 (6 pin). Кнопка SB1 – малогабаритная, любого типа. Вместо нее можно установить замаскированный геркон, управляемый постоянным магнитом.
Пьезоэлектрический излучатель звука BF1 – co встроенным генератором типа SMA-13 (Sonitron). Его можно заменить аналогичными изделиями фирмы JL World серий НРА, НРМ или НСМ (электромагнитного типа). Можно обойтись и без излучателя звука, функцию которого будет исполнять динамик трансивера, для чего необходимо дополнить модуль А2 в соответствии рис. 4. Здесь в качестве источника тревожного сигнала используются импульсы динамической индикации ЖКИ, поступающие на вход УМЗЧ при закрывании ключа VT2.
Особое внимание надо обратить на качество конденсаторов, установленных во времязадающих цепях таймеров и отбраковать их по минимальному току утечки. Желательно использовать танталовые и ниобиевые конденсаторы серий К52, К53 или алюминиевые конденсаторы от надежных зарубежных производителей (Samsung, Panasonic, Rubicon, Sprague, DON, Elna, LCR). Отечественные конденсаторы серии К50 применять категорически не рекомендуется.
Настройка. Завершив монтаж, не следует ожидать, что все заработает само по принципу «Plug & Play». Правильное функционирование ОПС возможно только после надлежащей настройки трансиверов [13, 14].
Прежде всего необходимо в передающем трансивере запрограммировать кнопки Р1…Р3 на функцию кнопки М4 (AUTO/DTMF). Затем в обоих трансиверах установить: рабочую частоту – 26,940 МГц, вид модуляции – FM, 6-значный код DTMF на передачу и приём (например, 947063). По завершении перечисленных процедур войти в режим, при котором на дисплее отображена нижняя строка меню и мигает надпись FUN.
Для предотвращения сбоев в работе аппаратуры, рекомендуется использовать на охраняемом объекте источник бесперебойного питания – самодельный либо заводского изготовления, например, типа БП 12/2 [15] или из серии «Скат-1200» [16].
Необходимо также знать, что в соответствии с постановлением Правительства РФ № 539 от 12.10.2004 г. допустимая мощность излучения передатчиков устройств охранной радиосигнализации, работающих на частоте 26,940 МГц, не должна превышать 2 Вт. В трансивере ЕМ-27D необходимое ограничение мощности осуществляется переменным резистором VR1, расположенным в правом верхнем углу печатной платы.
Радиус действия ОПС определяется комплексом конкретных факторов. Например, высотой установки, качеством согласования, типом антенн, наличием на радиотрассе естественных и искусственных преград, уровнем помех. Здесь вполне можно ориентироваться на известные формулы для определения дальности СиБи связи и практический опыт. Реально дальность может оказаться меньше расчетной, поскольку для надежной идентификации DTMF кода необходимо более высокое соотношение сигнал/шум, чем при речевой связи. При расстояниях до нескольких километров можно рекомендовать антенну, описанную в [17].
Было изготовлено три комплекта сигнализаций, которые успешно функционируют на протяжении нескольких лет в регионе с относительно низкой активностью в диапазоне СиБи. При этом исключительно высокую надёжность показали трансиверы EM-27D с процессором ЕМ.НМ-V6 (прошивка 11010042, серия 9590). Эту новую улучшенную модель можно отличить по зеленой подсветке ЖК-дисплея.
По отзывам пользователей у них возникали определенные недоразумения на начальном этапе эксплуатации, однако все проблемы полностью исчезли по мере освоения аппаратуры.
24.05.2005 г. Соколов А.
vectorservis@bk.ru
ЛИТЕРАТУРА
1. Виноградов Ю. Шифратор и дешифратор радиоканала автосторожа. - Радио, 1994, № 3, с. 30-32.
2. Виноградов Ю. Радиоканал охранной сигнализации. Передающий блок. - Радио, 1995, № 1, с. 37-40.
3. Виноградов Ю. Радиоканал охранной сигнализации. Приемный блок. - Радио, 1995, № 4, с. 47-50.
4. Бирюков С. Автомобильный радиосторож. - Радио, 2000, № 4, с. 33-35.
5. Виноградов Ю. Радиоэлектронная охрана поселка. - Радио, 2002, № 5, с. 30-32.
6. Виноградов Ю. Радиоэлектронная охрана поселка. - Радио, 2002, № 6, с. 34-37.
7. Мартемьянов А. Шифратор и дешифратор для радиоканала охранной сигнализации. - Радио, 2002, № 10, с. 40-43.
8. http://www.i-home.ru.
9. Андрианов В., Соколов А. Охранные устройства для дома и офиса. - Лань, 1999.
10. Синилов В. Системы охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации (учебник для ПТО). – М. Академия, 2003.
11. Членов А., Мосягин А. Приемно-контрольные приборы систем охранно-пожарной сигнализации. - М. НОУ Такир, 2003.
12. Коломбет Е. Таймеры. - М. Радио и связь, 1983.
13. Maycom Co., Ltd. & Фирма РКК. Автомобильная радиостанция Maycom EM-27D (DTMF). Техническое описание.
14. http://www.rkk.ru.
15. http://www.argus-spectr.ru.
16. http://www.bast.ru.
17. Виноградов Ю. Дисковая антенна в диапазоне 27 МГц – Радио, 1997, № 2, с. 70.