ИЗВЕЩАТЕЛЬ ОХРАННЫЙ ДВУХПОЗИЦИОННЫЙ РАДИОВОЛНОВЫЙ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
TWO-WAY RADIO-WAVE SECURITY ALARM AND ITS OPERATION METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к техническим средствам охранной сигнализации и может быть использовано в системах охраны периметра и территорий для контроля местоположения и перемещения людей.
Уровень техники
Известен извещатель охранный линейный (патент РФ на полезную модель №90244, опубл. 27.12.2009), содержащий чувствительный элемент, закрепленный на заграждении, соединенный с блоком электронным, содержащим блок усиления, выходы которого соединены со входами низкочастотного и высокочастотного каналов, выходы которых соединены с соответствующими входами АЦП, выходы которого соединены с соответствующими входами блока формирования сигнала тревоги, в который введен переключатель режимов работы, средства регулировки низкочастотного и высокочастотного каналов, при этом АЦП и блок формирования сигнала тревоги выполнены на микроконтроллере с встроенной памятью параметров сигналов, соответствующих различным конструкциям заграждений и способам воздействия на них, при этом цепи управления микроконтроллера и средства регулировки низкочастотного и высокочастотного каналов выполнены с защитой PIN кодом, а средство регулировки низкочастотного канала, средство регулировки высокочастотного канала, переключатель режимов работы соединен с портом RS 485, через который вводятся параметры сигналов, хранящиеся в памяти микроконтроллера.
Недостатком известного извещателя является относительно невысокая чувствительность извещателя.
Известен извещатель, включающий вход питания, детектор, подключенный к устройству обработки данных, соединенному с устройством формирования выходного сигнала в виде коммутатора (электромеханического или оптоэлектронного реле), включенного в разрыв шлейфа сигнализации приемно-контрольного прибора. В известном устройстве вход питания извещателя подключен к внешнему сетевому источнику питания по отдельной линии (четырехпроводное включение), а сигнал тревоги приемно-контрольному прибору передают по шлейфу сигнализации, оснащенному концевым резистором, путем размыкания шлейфа сигнализации с помощью контактов реле (В.В. Волхонский. Устройства охранной сигнализации. - СПб.: Экополис и культура, 2001 г., стр. 95, 104-106).
Известному устройству присущи следующие недостатки:
- четырехпроводная схема включения, что удорожает монтаж по сравнению с двухпроводной схемой, а также требует установки дополнительных сетевых источников питания;
- высокое токопотребление, обусловленное необходимостью постоянно поддерживать реле во включенном состоянии для выдачи сигнала тревоги при нарушении питания извещателя или его неисправности, как следствие - ограниченная протяженность и большое сечение проводов питания, большие мощности сетевых источников питания;
- отсутствие диагностики снятого с охраны шлейфа сигнализации, т.к. нет возможности отличать обрыв шлейфа сигнализации от срабатывания извещателя.
Последний недостаток, однако, устраняют тем, что контакты реле известного устройства шунтируют резистором.
Известен охранный извещатель, включающий вход питания и включенное параллельно ему выходное устройство, содержащее последовательно соединенные ограничительный резистор и коммутатор, вход управления которого подключен к выходу сигнала тревоги устройства обработки данных (В.В. Волхонский. Устройства охранной сигнализации. - СПб.: Экополис и культура, 2001 г., стр. 95, 104-106). При этом вход питания извещателя включен в шлейф сигнализации параллельно, и питание извещателя осуществляют от шлейфа сигнализации (двухпроводное включение). В известном охранном извещателе сигнал тревоги приемно-контрольному прибору передают по шлейфу сигнализации типа «токовая петля», оснащенному концевым резистором, путем снижения внутреннего сопротивления извещателя при замыкании коммутатора.
Недостатком известного устройства является возможность работы только с теми приемно-контрольными приборами, которые поддерживают шлейф сигнализации типа «токовая петля». Такой шлейф требует более сложного устройства приемно-контрольного прибора и приводит к удорожанию его конструкции. Недостатком известного устройства является также то, что при выходе его из строя сигнал тревоги не формируется.
Известен охранный извещатель (патент РФ на изобретение №2292084, опубл. 20.01.2007), причем детектор извещателя содержит устройство обработки данных, которое соединено с устройством формирования выходного сигнала в виде коммутатора. В качестве коммутатора охранный извещатель содержит электронный ключ.
Недостатком известного охранного извещателя является относительно невысокая чувствительность, а также невозможность подстройки зоны приема сигнала непосредственно на охраняемом объекте.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является извещатель охранный (патент РФ на полезную модель №151293, опубл. 27.03.2015), содержащий детектор, устройство обработки данных, которое соединено с устройством формирования выходного сигнала в виде электронного ключа, причем приемник извещателя закреплен на подвижной платформе штанги, прикрепленной к несущей опоре, подвижная платформа имеет возможность перемещения и/или вращения и последующей фиксации на штанге; причем приемник включает приемную антенну, выход которой соединен с входом детектора, соединенным с усилителем, первый вход которого соединен с компаратором, а второй вход - с ключом, соединенным с узлом управления, компаратор далее соединен с узлом принятия решений, элемент управления соединен с узлом управления и узлом принятия решений. Извещатель работает следующим образом: с выхода приемной антенны СВЧ-радиоимпульсы поступают на вход детектора и далее на усилитель. Амплитуда усиленных импульсов содержит информацию о состоянии электромагнитного поля и, соответственно, о наличии в нем посторонних объектов. С первого выхода усилителя сигнал поступает на вход компаратора, определяющего наличие на выходе усилителя импульсов и информирующего об этом узел управления, который открывает ключ и разрешает прохождение импульсов в узел принятия решений. Узел принятия решений определяет состояние (замкнуто/разомкнуто) выходного оптореле. Элемент управления задает способ синхронизации управляемого генератора передатчика (ПРД) с помощью узла управления, который в свою очередь и определяет моменты открывания ключа. В свою очередь узел принятия решений отправляет данные о текущем состоянии (тревога, неисправность, норма) по интерфейсу RS-485 в программное обеспечение.
Недостатком известного охранного извещателя является относительно невысокая надежность и помехоустойчивость, а также высокая вероятность ложного срабатывания.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения - создание простого, надежного, помехоустойчивого устройства охранной сигнализации, которое бы с большей долей вероятности производило обнаружение нарушителя.
Технический результат - упрощение работы, повышение надежности работы и помехоустойчивости, а также повышение вероятности обнаружения нарушителя и снижение количества ложных тревог.
Упрощение работы извещателя охранного достигается за счет автоматизированного определения рабочей частоты на приемнике и передатчике и автоматизированного поиска наилучшей частоты для текущего извещателя.
Повышение надежности работы извещателя обеспечивается за счет возможности удаленно контролировать целостность корпуса передатчика, а также возможности периодического удаленного включения/отключения радиопередачи при снижении электропитания у передатчика ниже критического уровня.
Повышение помехоустойчивости достигается за счет поиска наилучшей частоты для текущего извещателя, что снижает влияние инструментальной помехи на рабочей частоте извещателя, а также влияние соседних извещателей на текущий.
Повышение вероятности обнаружения нарушителя и снижение количества ложных тревог достигается за счет использования заявленного способа принятия решения о тревожной ситуации.
Указанный технический результат достигается тем, что извещатель охранный двухпозиционный радиоволновый включает передатчик, приемник, систему сбора и обработки информации, причем приемник включает приемную антенну, детектор, усилитель и узел управления, согласно изобретению, передатчик включает гетеродин, модулятор, генератор импульсов, узел управления и передающую антенну, причем выход гетеродина соединен с модулятором и далее с передающей антенной, первый выход узла управления соединен с гетеродином, а второй - с генератором импульсов и далее с модулятором; приемник дополнительно включает смеситель и гетеродин, причем приемная антенна соединена с усилителем СВЧ, соединенным со смесителем и далее с детектором и узлом управления приемника, который соединен с гетеродином и далее со смесителем; причем узлы управления передатчика и приемника имеют обратную связь с системой сбора и обработки информации.
Указанный технический результат также достигается тем, что способ работы извещателя охранного двухпозиционного радиоволнового характеризуется тем, что передатчик излучает электромагнитные волны в направлении приемника, который принимает электромагнитные волны, преобразует их в электрический сигнал и анализирует этот сигнал, согласно изобретению, узел управления приемника задает СВЧ канал для гетеродина передатчика, который формирует гармонический сигнал диапазона СВЧ, который поступает на модулятор; генератор вырабатывает импульсную последовательность определенной скважности, заданную узлом управления передатчика, под действием импульсов с управляемого генератора, модулятор формирует последовательность СВЧ-радиоимпульсов, которые поступают на передающую антенну, которая излучает СВЧ-радиоимпульсы в направлении приемной антенны, с выхода которой СВЧ-радиоимпульсы поступают на вход усилителя и далее на смеситель; на второй вход смесителя подается сигнал гетеродина приемника, с выхода смесителя сигнал поступает на вход детектора, определяющего наличие на выходе смесителя импульсов и информирующего об этом узел управления приемника, который принимает решение, определяет состояние выходного оптоэлектронного реле, а также отправляет данные о текущем состоянии по шине RS-485 или по интерфейсу Ethernet системе сбора и обработки информации.
В случае вскрытия корпуса передатчика его узел управления производит изменение мощности передаваемого сигнала с определенной периодичностью, приемник, приняв подобную последовательность, инициирует извещение по «TTL» контактам, по RS-485 и по Ethernet в систему сбора и обработки информации о вскрытии корпуса передатчика.
При снижении электропитания ниже критического уровня узел управления приемника осуществляет изменение мощности передаваемого сигнала с определенной периодичностью на заданное время, приемник, приняв подобную последовательность, инициирует извещение по «TTL» контактам и по RS-485 и по Ethernet в систему сбора и обработки информации о снижении напряжения электропитания у передатчика.
Для определения рабочей частоты из системы сбора и обработки информации подается команда в узел управления приемника о начале поиска передатчика, узел управления приемника поочередно на каждом канале проверяет уровень принимаемого сигнала, после проверки узел управления приемника на основе полученных данных об уровне сигнала устанавливает номер канала с наилучшим сигналом и принимает его равным номеру канала на передатчике.
Для определения оптимальной рабочей частоты из системы сбора и обработки информации подается команда на определение частоты в узел управления приемника, который производит перебор частот рабочих частот, замер уровня полезного сигнала и уровень шумов на каждой из рабочих частот и определяет наилучшую частоту, имеющую минимальный уровень полезного сигнала и шумов, и предлагает ее оператору, после согласия оператора с выбранной частотой узел управления приемника по интерфейсу RS-485 устанавливает выбранную частоту на передатчик.
Для принятия решения о тревожной ситуации производят замер полезного сигнала, сравнение текущих значений t (1) и t (4), t (2) и t (4), t (3) и t (5),
где t (1) - время нахождения полезного сигнала ниже верхнего порога для текущего импульса снижения;
t (2) - время нахождения полезного сигнала ниже верхнего порога для текущей тревожной сессии;
- t (3) - фактическое время нахождения полезного сигнала на уровне калибровочного после возвращения полезного сигнала из верхнего порога;
- t (4) - установленное время преодоления зоны обнаружения человеком, двигающимся «ползком»;
- t (5) - установленное время, после которого осуществлятся старт сравнения времени t (2) и t (4);
если t (1) ≥ t (4), t (2) ≥ t (4),
то узел управления приемника инициирует передачу тревожного извещения в систему сбора и обработки информации по TTL, RS-485 и Ethernet;
если t (3) ≥ t (5),
то узел управления приемника принимает решение о признании текущей сессии оконченной;
если t (3) < t (5),
то узел управления приемника принимает решение о продолжении сессии.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана структурная схема извещателя охранного двухпозиционного радиоволнового.
На фиг. 2 показан алгоритм выполнения способа принятия решения о тревожной ситуации.
На фигуре приняты следующие обозначения: ПРД - передатчик, ПРМ - приемник, 1 - гетеродин передатчика, 2 - модулятор, 3 - генератор импульсов, 4 - узел управления передатчика, 5 - передающая антенна, 6 - среда распространения СВЧ-сигнала, 7 - приемная антенна, 8 - усилитель СВЧ, 9 - смеситель, 10 - гетеродин приемника, 11 - узел управления приемника, 12 - детектор, 13 - система сбора и обработки информации (ССОИ).
Осуществление изобретения
Извещатель охранный двухпозиционный радиоволновый работает следующим образом.
Узел управления 4 ПРМ задает СВЧ канал для гетеродина 1 передатчика, который формирует гармонический сигнал диапазона СВЧ. Сигнал поступает на модулятор 2. Генератор 3 вырабатывает импульсную последовательность определенной скважности, заданную узлом управления 4 передатчика. Под действием импульсов с управляемого генератора 3, модулятор 2 формирует последовательность СВЧ-радиоимпульсов, которые поступают на передающую антенну 5. Передающая антенна 5 излучает СВЧ-радиоимпульсы в направлении приемной антенны 7. Образовавшееся между передающей 5 и приемной 7 антеннами электромагнитное поле (среда распространения) 6 является источником полезных сигналов для обнаружения объектов, пересекающих данное электромагнитное поле. С выхода приемной антенны 7 СВЧ-радиоимпульсы поступают на вход усилителя 8 и далее на смеситель 9. Амплитуда усиленных импульсов содержит информацию о состоянии электромагнитного поля и, соответственно, о наличии в нем посторонних объектов. На второй вход смесителя подается сигнал гетеродина 10 приемника. С выхода смесителя 9 сигнал поступает на вход детектора 12, определяющего наличие на выходе смесителя 9 импульсов и информирующего об этом узел управления 11 приемника, который принимает решение, определяет состояние (замкнуто/разомкнуто) выходного оптоэлектронного реле, а также отправляет данные о текущем состоянии (тревога, неисправность, норма) по шине RS-485 и по интерфейсу Ethernet системе сбора и обработки информации 13.
В случае вскрытия корпуса передатчика (ПРД) узел управления 4 передатчика через гетеродин 1 передатчика, модулятор 2, генератор 3 производит изменение мощности передаваемого сигнала с определенной периодичностью, что приводит к периодическому прекращению образования между антеннами 5 и 7 электромагнитного поля 6. Приемник (ПРМ), приняв подобную последовательность, инициирует извещение по «TTL» контактам, по RS-485 и по Ethernet в ССОИ о вскрытии корпуса передатчика (ПРД).
Данная особенность позволяет удаленно контролировать целостность корпуса передатчика (ПРД) при подключенном к ССОИ только приемника, что не позволяют другие известные решения. Данная особенность также позволяет осуществлять контроль за целостностью корпуса передатчика (ПРД) без прокладки дополнительных проводов к самому передатчику, что повышает надежность работы извещателя.
Так как электропитание у приемника (ПРМ) и передатчика (ПРД) осуществляется из разных источников, а также передатчик (ПРД) не имеет прямой связи с ССОИ, то при снижении электропитания ниже критического уровня узел управления 4 из состава ПРМ осуществляет изменение мощности передаваемого сигнала с определенной периодичностью на заданное время. Приемник (ПРМ), приняв подобную последовательность, инициирует извещение по «TTL» контактам и по RS-485 и по Ethernet в ССОИ о снижении напряжения электропитания у передатчика (ПРД), что также значительно повышает надежность работы извещателя.
Поиск рабочей частоты. Существует следующая проблема. Рабочую частоту на приемнике и передатчике необходимо устанавливать раздельно. Для решения данной проблемы вводится автоматизированное определение рабочей частоты. Из ССОИ подается команда в узел управления 11 ПРМ о начале поиска передатчика. Узел управления 11 ПРМ поочередно на каждом канале проверяет уровень принимаемого сигнала. После проверки узел управления 11 ПРМ на основе полученных данных об уровне сигнала устанавливает номер канала с наилучшим сигналом и принимает его равным номеру канала на ПРД. Такое решение обеспечивает упрощение работы извещателя охранного.
Поиск наилучшей частоты для текущего извещателя. Существует проблема влияния инструментальной помехи на рабочей частоте извещателя, а также влияние соседних извещателей на текущий. Для автоматизации, быстроты и удобства определения оптимальной рабочей частоты из ССОИ посылается команда на определение частоты в узел управления 11 ПРМ. Узел управления 11 ПРМ производит перебор частот рабочих частот и замер уровня полезного сигнала и уровня шумов на каждой из рабочих частот. С учетом полученных данный узел управления 11 ПРМ определяет наилучшую частоту (с минимальными уровнями полезного сигнала и шумов) и предлагает ее оператору. После согласия оператора с выбранной частотой, узел управления 11 по интерфейсу RS-485 устанавливает выбранную частоту на ПРД.
Такое решение упрощает работу извещателя, снижает влияние инструментальной помехи на рабочей частоте извещателя, а также влияние соседних извещателей на текущий.
Из практического опыта эксплуатации подобных средств обнаружения известно, что большая часть ложных тревог извещателя приходится на мелких животных (птицы, собаки, лисы и т.п.) и погодное влияние на уровень сигнала. Для повышения вероятности обнаружения и снижения количества ложных тревог предлагается использование следующего способа принятия решения о тревожной ситуации.
Известно три варианта пересечения нарушителем зоны обнаружения (ЗО) извещателя охранного:
1. Двигаясь в полный рост (медленным шагом порядка 1,5-3 м/с и бегом - 3-10 м/с).
2. Двигаясь согнувшись (порядка 1-3 м/с).
3. Двигаясь ползком (порядка 0,1 до 1 м/с).
Движение транспорта или крупного животного (типа лошадь и т.п.) принимается равносильно движению бегущего человека.
Способ принятия решения о тревожной ситуации основывается на следующих правилах и утверждениях:
1. Любое изменение уровня сигнала из-за преодоления ЗО бегущим, идущим или двигающимся согнувшись человеком всегда больше изменения сигнала от человека, двигающегося ползком.
2. Человек, двигающийся ползком, может двигаться как рывками, так и с постоянной скоростью.
3. Животные и птицы преодолевают ЗО гораздо быстрей, чем ползущий человек.
4. Движение ползущего человека близко к помехе по влиянию на сигнал.
5. Сигнал от человека, движущегося ползком и сигналы от людей, двигающихся другим способом, отделяются разными условиями по принятию решения.
Для решения поставленной задачи вводятся два порога: верхний и нижний:
- верхний порог предназначен для обнаружения движения человека «ползком» в зоне обнаружения человека и отсеивания изменений сигнала из-за мелких животных, птиц, кратковременных изменений погодных условий, и кратковременного влияния инструментальной помехи;
- нижний порог предназначен для обнаружения человека, двигающегося в полный рост и согнувшись, бегом или пешком.
Пороги имеют свойство адаптации к текущему полезному сигналу. Адаптация реализована способом установления значения порога не в абсолютных значениях, а в значениях относительно полезного сигнала, и измеряется в децибелах.
Алгоритм принятия решения о тревожной ситуации реализован в узле управления 11 ПРМ.
Для реализации алгоритма вводятся следующие параметры:
- калибровочный сигнал - преобразованное значение мощности сигнала, с которой этот сигнал был принят блоком ПРМ в дежурном режиме, и принятым как эталонное значение для последующих сравнений с полезным;
- полезный сигнал - преобразованное значение мощности сигнала, с которой был принят текущий сигнал в любом режиме (дежурном или тревожном);
- t (1) - время нахождения полезного сигнала ниже верхнего порога для текущего импульса снижения;
- t (2) - время нахождения полезного сигнала ниже верхнего порога для текущей тревожной сессии;
- t (3) - фактическое время нахождения полезного сигнала на уровне калибровочного, после возвращения полезного сигнала из верхнего порога;
- t (4) - установленное время преодоления зоны обнаружения человеком двигающимся «ползком»;
- t (5) - установленное время, после которого осуществлять старт сравнения времени t (2) и t (4);
- импульс снижения - изменение полезного сигнала с момента пересечения полезным сигналом верхнего порога сверху вниз, до момента пересечения верхнего порога полезным сигналом снизу вверх;
- тревожная сессия - время между первым пересечением полезного сигнала верхнего порога и возвращением полезного сигнала к уровню калибровочного сигнала на время t (3).
Реализация алгоритма (разбитого на блоки) показана на фиг. 2.
В блоке «Замер полезного сигнала» происходит замер полезного сигнала.
В блоке «Начало тревожной сессии» происходит начало тревожной сессии, сброс параметра t (3), старт отчета времени t (1) и t (2) (если отчет уже был запущен, операцию старта пропускают), сравнение текущего значения параметра t (1) c t (4) и t (2) c t (4) (если параметр t (1) равен или больше параметра t (4) или t (2) больше или равен t (4), то дальнейшая работа алгоритма перемещается в блок «Принятие решения о тревожной ситуации», в противном случае алгоритм возвращается к блоку «Замер полезного сигнала»).
В блоке «Окончание тревожной сессии» происходит: сброс времени t (1), начало отсчета времени t (3) (если отчет запущен, начало отчета пропускают) и принятие решения о признании текущей тревожной сессии оконченной (происходит анализ времени t (3) по отношению к времени t (5),  если время t (3) больше или равно времени t (5), то принимается решение о признании текущей сессии оконченной, в противном случае принимается решение о продолжении сессии. По результатам анализа узел управления 11 ПРМ принимает решение об окончании сессии или ее продолжении.
В блоке «Принятие решения о тревожной ситуации» происходит анализ всех полученных данных за прошедшую тревожную сессию (временные параметры t (2) и t (4), количество и характер импульсов снижения). Или, в случае перехода к блоку «Принятие решения о тревожной ситуции» без начала сессии (в случае пересечения полезного сигнала нижнего порога) происходит анализ только характера импульса снижения. В блоке принимается решение о признании данной ситуации тревожной или не тревожной. В случае признания тревожной ситуации тревожный узел управления 11 ПРМ инициирует передачу тревожного извещения в ССОИ 13 по TTL, RS-485 и Ethernet. За счет использования заявленного способа принятия решения о тревожной ситуации происходит повышение вероятности обнаружения нарушителя и снижение количества ложных тревог.
Таким образом, заявленное устройство и способ его работы обеспечивают упрощение работы извещателя, повышение надежности его работы и помехоустойчивости, а также повышение вероятности обнаружения нарушителя и снижение количества ложных тревог.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного извещателя охранного и способа его работы не известна из уровня техники и, значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».
В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявленного устройства и способа в системах охраны периметра и территорий для контроля местоположения и перемещения людей и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».