Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Issue: 2012 14 2 Venkovní detektory poplachových systémů Outdoor detectors for alarm systems Karel Burda, Ondřej Lutera burda@feec.vutbr.cz, xluter00@stud.feec.vutbr.cz Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. Abstrakt: Problematika venkovních detektorů poplachových systémů je poměrně široká a v současné době se bouřlivě rozvíjí. Důsledkem obou uvedených faktů je skutečnost, že i odborníci mají problém udržet si v uvedené problematice celkový přehled. Tento článek umožňuje odborníkům i ostatním čtená-řům získat systematický přehled o současném stavu problema-tiky venkovních detektorů poplachových systémů. Abstract: The paper deals with outdoor detectors for alarm systems. The taxonomy and description of these detectors are introduced.
Venkovní detektory poplachových systémů Karel Burda, Ondřej Lutera Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: burda@feec.vutbr.cz xluter00@stud.feec.vutbr.cz Abstrakt Problematika venkovních detektorů poplachových systémů je poměrně široká a v současné době se bouřlivě rozvíjí. Důsledkem obou uvedených faktů je skutečnost, že i odborníci mají problém udržet si v uvedené problematice celkový přehled. Tento článek umožňuje odborníkům i ostatním čtenářům získat systematický přehled o současném stavu problematiky venkovních detektorů poplachových systémů. 1 Úvod Poplachové systémy jsou systémy určené k detekci neoprávněné manipulace s chráněnými aktivy. Aktivem mohou být např. osoby, majetek nebo prostředí a neoprávněnou manipulací může být krádež, zneužití, poškození nebo zničení. Chráněná aktiva se nacházejí v tzv. střeženém prostoru a princip poplachového systému spočívá v tom, že uvedený systém detekuje výskyt nositelů hrozeb (obvykle útočníků) ve střeženém prostoru a případně detekuje manipulaci s chráněnými aktivy. K detekci výskytu útočníků nebo k detekci manipulace s aktivy slouží detektory poplachového systému. Detektory poplachového systému mohou být vnitřní nebo venkovní. Vnitřní detektory jsou určeny pro interiéry budov a venkovní detektory jsou určeny pro exteriér. Principy obou uvedených typů detektorů bývají stejné a liší se tím, že venkovní detektory musí být odolné vůči povětrnostním, tepelným a jiným vlivům a musí být schopny pokrýt rozsáhlejší prostor. Venkovní detektory můžeme klasifikovat podle geometrického typu střežené oblasti: předmětové (bodové): detekují neoprávněnou manipulaci s aktivem, liniové: detekují překročení určité linie útočníkem, plošné: detekují výskyt útočníka v určité ploše, prostorové: detekují výskyt útočníka v určitém prostoru. 2 Předmětové detektory Venkovní předmětové detektory se na trhu objevily poměrně nedávno. Prakticky jediným reprezentantem této třídy detektorů jsou akcelerační detektory [1]. Tyto detektory (viz obr. 1 vlevo) jsou vybaveny čipem RFID (Radio Frequency Identification) a akcelerometrem typu MEMS (MicroElectroMechanical Systems). Akcelerometr typu MEMS je buď křemíkový čip nebo jeho součást s mikrostrukturou uvedenou na obr. 1 vpravo nahoře. Akcelerometr sestává ze dvou pevných vodivých desek, mezi kterými je na pružném nosníku umístěna třetí deska. Mezi sousedními deskami se měří kapacita (C 1 a C 2 ). V klidovém stavu se pohyblivá deska nachází uprostřed mezi oběma pevnými deskami a tak kapacity C 1 a C 2 jsou stejné. V případě pohybu čipu (obr. 1 vpravo dole) se s čipem pohybují i obě pevné desky. Pohyblivá deska v důsledku pružného uchycení a své setrvačnosti však na počátku pohybu setrvává na místě a tak vzdálenosti mezi deskami nejsou těsně po zahájení pohybu stejné. Důsledkem jsou i nestejné kapacity C 1 a C 2. Na základě poměru C 1 a C 2 lze určit směr i velikost zrychlení. Obr. 1: Akcelerační předmětový detektor [1]. Detektory s popsanými akcelerometry se připevňují např. na stavební stroj nebo se pokládají na chráněné aktivum (např. na hromadu panelů). Manipulace s chráněným aktivem nebo s detektorem samotným je pak vždy spojena s pohybem detektoru. Akcelerometr v takovém případě zjistí nenulové zrychlení detektoru, čip RFID tuto informaci předá rádiovým kanálem ústředně a ta vyhlásí poplach. 3 Liniové detektory Liniové detektory detekují překročení určité linie (nejčastěji hranice pozemku) útočníkem. Liniové detektory lze klasifikovat na: plotové, zemní, přehradné. Plotové detektory se instalují na plot, který ohraničuje střežený pozemek. Příznakem útoku jsou obvykle mechanické otřesy plotu. Zemní detektory se zakopávají do země podél hranice pozemku. Příznakem útoku jsou buď mechanické otřesy, či tlaky v půdě nebo změny intenzity elektromagnetické energie. Přehradné detektory jsou samostatně stojící nad- 27 1 VOL.14, NO.2, APRIL 2012
zemní zařízení umístěná podél hranice pozemku. Příznakem útoku je změna intenzity elektromagnetické energie. Otřesový kabel založený na elektromagnetické indukci (viz obr. 3 vlevo) sestává (viz obr. 3 vpravo) z centrální dvojice budících vodičů, které jsou zapojeny do smyčky a vytvářejí tak stacionární magnetické pole. Výplň kabelu je z magnetického polymeru, který soustřeďuje magnetické pole do dvou okrajových drážek kabelu. V těchto drážkách jsou volně uloženy vodiče. V důsledku otřesů kabelu se okrajové vodiče pohybují v magnetickém poli a elektromagnetickou indukcí tak v nich vzniká napětí. Velikost a časový průběh indukovaného napětí se vyhodnocuje. Překročení určité hodnoty a výskyt určitého spektra frekvencí vyvolá poplach. Popsané otřesové kabely umožňují pouze tzv. zónovou detekci. To znamená, že v případě vyhlášení poplachu ostraha ví, že k překonání plotu došlo někde po celé délce (tzv. zóně) detekčního kabelu. To jsou však obvykle stovky metrů. Modernější systémy detekce umožňují lokalizovat případný incident s přesností na metry. 3.1 Plotové detektory Moderní plotové detektory jsou většinou založeny na tzv. otřesových kabelech. Tyto kabely (někdy též nazývané mikrofonní kabely) jsou připevňovány na plot a umožňují detekovat otřesy plotu, které jsou spojeny s jeho přelézáním nebo prostřiháváním. Dostupné otřesové kabely jsou obvykle založeny na různých typech indukce. Dalším existujícím řešením jsou akcelerometrické detektory zavěšované na plot a komunikující pomocí rádiového kanálu. Plotový detektor s otřesovým kabelem, který je založen na elektrostatické indukci, obvykle využívá tzv. elektretový kabel (např. [2]). Elektretový kabel je prakticky koaxiální kabel, jehož dielektrikum bylo nahřátím a následným ochlazením v silném elektrostatickém poli změněno na elektret, což je permanentně elektricky polarizovaný materiál. Řez tímto kabelem je na obr. 2 vlevo. Na vnějším povrchu dielektrika (žlutá oblast) se trvale nachází kladný náboj (červená hranice) a na vnitřním záporný náboj (modrá hranice). Vnitřní vodič a stínění koaxiálního kabelu jsou zapojeny jako desky kondenzátoru (obr. 2 uprostřed). Dielektrikum kabelu v důsledku tepelných úprav mírně zmenšilo své rozměry, takže se může volně pohybovat mezi vnitřním vodičem kabelu a vnějším stíněním. Vibracemi kabelu se elektret v takto vytvořeném kondenzátoru pohybuje a v důsledku elektrostatické indukce se na vodičích kabelu vytváří proměnlivý elektrický náboj. Tyto změny se snímají a vedou do vyhodnocovací jednotky (viz obr. 2 vpravo). Vibrace o určité frekvenci a spektru způsobí, že vyhodnocovací jednotka vyhlásí poplach. Nevýhodou popsaného řešení je nepřesná lokalizace incidentu. Kabel mívá typicky délku stovky metrů (tzv. zóna) a při vyhlášení poplachu je zapotřebí prozkoumat plot po celé délce kabelu. Obr. 3: Otřesový kabel založený na principu elektromagnetické indukce. Na trhu je dostupný systém založený na otřesovém kabelu s elektromagnetickou indukcí. Řez tímto kabelem je na obr. 4 vlevo (podle [3]). Ve válci dielektrika jsou po celé délce kabelu vyříznuty dvě podélné drážky, do kterých jsou uloženy volně se pohybující, tzv. snímací vodiče. Vysílač periodicky vysílá do koaxiálního kabelu krátké impulzy. Energie pulzu se šíří kabelem a její část se indukuje ve snímacích vodičích. Úroveň indukované energie se mění v závislosti na otřesech kabelu v daném místě. Přijímač měří úroveň signálu ve snímacích vodičích. Na základě rychlosti šíření signálu v kabelu lze z časového průběhu úrovně naindukovaného signálu (viz obr. 4 vpravo) postupně zjišťovat naindukovanou energii v jednotlivých částech (tzv. buňkách) kabelu. Časovou analýzou změn signálu v každé buňce lze vyhodnotit úroveň otřesů v této buňce a tedy lze identifikovat místo případného incidentu s přesností řádově metry. Obr. 4: Přesný otřesový kabel založený na elektromagnetické indukci. Obr. 2: Otřesový kabel založený na elektrostatické indukci. V nedávné době se objevil plotový systém založený na bezdrátově komunikujících akcelerometrech [1]. Prakticky se jedná o předmětové detektory, které byly vysvětleny již ve 2. kapitole tohoto článku. Zařízení RFID s akcelerometry (obr. 5 vlevo) jsou v této aplikaci připevněny na plot v jedné řadě. Obr. 5: Plotový bezdrátový systém [1]. 27 2 VOL.14, NO.2, APRIL 2012
Každé zařízení může bezdrátově komunikovat s oběma sousedními zařízeními RFID v řadě. Postupným předáváním dat od jednoho zařízení ke druhému jsou data doručována ústředně (obr. 5 vpravo dole). Akcelerometry měří vibrace plotu a tyto informace jsou zasílány ústředně. V případě překročení stanovené meze a typu vibrací se vyhlašuje poplach (obr. 5 vpravo nahoře). Výhodou popsaného řešení je opět možnost lokalizovat místa otřesů s přesností na metry. 3.2 Zemní detektory Zemní perimetrické detektory se instalují do země. Nejčastěji jsou založeny buď na detekci tlaku (např. nášlapné optovláknové systémy), na detekci otřesů (např. seizmické systémy) nebo na změnách generovaného pole (kabelové systémy). Jednotlivé reprezentanty všech tří výše uvedených tříd si nyní popíšeme. Nášlapný optovláknový zemní detektor využívá optické vlákno, které je meandrovitě zakopáno v zemi. Vyhodnocovací jednotka detektoru sestává z vysílače a přijímače. Vysílač vysílá do optického vlákna světelný paprsek, který na konci smyčky přijímá a zpracovává přijímač. V důsledků tlaků nebo otřesů způsobených pohybem útočníka se optovlákno nepatrně deformuje. Vzhledem k vlnové délce světla tyto nepatrné deformace způsobují měřitelné změny parametrů přijatého paprsku (např. amplituda), čímž je spuštěn poplach. Výhodou těchto systémů je délka střežené zóny, která činí až kilometry. Další výhodou je možnost instalace na plot ve formě otřesového kabelu. Na obr. 6 vlevo je vyobrazena instalace systému a vpravo je fotografie vyhodnocovací jednotky. Otřesy země způsobují otřesy magnetu, které se v důsledku pružného uchycení přenášejí se zpožděním i na cívku. V důsledku tohoto zpoždění se při otřesech snímače jak magnet tak i cívka navzájem pohybují. V cívce se indukuje elektrické napětí, které se měří a vyhodnocuje. V případě překročení stanovených hodnot se vyhlásí poplach. Na jednu vyhodnocovací jednotku se obvykle připojuje více snímačů (obr. 7 vpravo), které se umisťují v řadě na hranicích pozemku. Zemní kabelové systémy jsou obvykle založeny na štěrbinových koaxiálních kabelech (obr. 8 nahoře). Podél hranice pozemku je zakopána dvojice souběžně vedených kabelů (obr. 8 vpravo dole). Jeden z kabelů je vysílací a druhý přijímací. Prostřednictvím štěrbin v obou kabelech se z vysílacího kabelu část energie elektromagnetického pole vyzáří do okolí a část z takto vyzářené energie může přijímací kabel zachytit. Popsané uspořádání umožňuje detekci zónovou (tj. incident mohl nastat kdekoliv v celé délce kabelu) nebo detekci bodovou (tj. incident lze lokalizovat s přesností na metry). My si popíšeme druhou variantu (obr. 8 vlevo dole). V tomto případě vysílač periodicky vysílá do vysílacího kabelu krátké pulzy. Energie pulzu se šíří kabelem a prostřednictvím štěrbin vyzařuje i do okolí. Nad zemi se vytváří elektromagnetické pole, jehož energii částečně zachytává přijímací kabel. Intenzita tohoto pole se průchodem osoby nad kabely mění. Přijímač na konci přijímacího kabelu měří úroveň zachyceného signálu. Na základě rychlosti šíření signálu v kabelu lze z časového průběhu úrovně přijímaného signálu postupně zjišťovat naindukovanou energii v jednotlivých částech (tzv. buňkách) kabelu. Časovou analýzou změn signálu v každé buňce lze podobně jako u otřesového kabelu vyhodnotit změny elektromagnetického pole v blízkosti dané buňky a tedy lze identifikovat místo případného incidentu s přesností řádově metry. Obr. 6: Detekční systém s optovláknovým zemním/plotovým kabelem. Zemní seizmický snímač ilustruje obr. 7 vlevo. Jedná se opět prakticky o akcelerometr. Jádrem snímače je silný permanentní magnet, okolo kterého je na pružně zavěšeném válci navinuta cívka. Obr. 7: Zemní seizmický systém. 3.3 Přehradné detektory Obr. 8: Zemní kabelový systém. Přehradné detektory jsou samostatně stojící nadzemní zařízení, která jsou umístěna podél hranice pozemku. Tyto detektory sestávají ze dvou samostatných zařízení - vysílače a přijímače. Vysílač emituje do prostoru podél hranic střeženého pozemku svazek záření v mikrovlnném (5-24 GHz) nebo v infračerveném pásmu. Protější zařízení vybavené přijímačem měří intenzitu tohoto záření. Pokud útočník překonává prostor mezi vysílačem a přijímačem, tak dojde k významné změně intenzity přijatého záření, čímž je detekováno narušení hranice pozemku. Moderní systémy emitované záření modulují, čímž obě zařízení mohou i navzájem komunikovat (např. zvýšit intenzitu záření pokud začíná padat mlha). Obrázek 9 vlevo 27 3 VOL.14, NO.2, APRIL 2012
ilustruje vzhled mikrovlnného vysílače/přijímače, vpravo je obrázek infračerveného vysílače/přijímače a uprostřed jsou vyobrazeny příklady uspořádání svazků emitovaných záření. Nahoře je uspořádání pro mikrovlnný detektor a dole pro infračervený detektor. mikrovlnné záření o kmitočtu f a jejich přijímač měří kmitočet odražených vln. Pokud se v daném prostoru nenachází pohyblivý objekt, tak kmitočet odraženého záření je roven hodnotě f. Pokud se však ve střeženém prostoru objeví pohybující se objekt, tak v důsledku Dopplerova jevu se ve spektru přijímaného záření objeví složky s kmitočtem f ± Δ. To způsobí vyhlášení poplachu. Mikrovlnné detektory se zpravidla kombinují s detektory PIR (viz dále), protože se tím zvyšuje jejich odolnost vůči falešným poplachům. Na obr. 11 vlevo se nachází mikrovlnný vysílač/přijímač a vpravo je uveden příklad detektoru MW kombinovaného s detektorem PIR. 4 Plošné detektory Obr. 9: Přehradné detektory. Plošné detektory detekují výskyt útočníka v určité ploše. V současné době jsou z této třídy detektorů dostupné tzv. laserové skenery (obr. 10 vlevo), které jsou založeny na principu radaru. Jedná se o zařízení s infračerveným laserem, které periodicky vysílá krátké pulzy záření. Infračervený paprsek je rozmítán (např. zrcadlem) po celé střežené oblasti, takže detektor je schopen pokrýt poměrně velké plochy (poloměr až desítky metrů). Přijímač detekuje záření odražené od případných překážek a podle doby, která uplynula od vyslání pulzu se zjišťuje vzdálenost překážky. Pokud je v daném směru odraz přijat dříve než-li je nastaveno, pak se v daném směru nachází útočník. Správce skeneru může pomocí vhodného softwaru nastavit tvar a velikost střežené oblasti (obr. 10 vpravo). Obr. 11: Mikrovlnný detektor [4]. Pasivní prostorové detektory negenerují do svého okolí žádnou energii. Jejich principem je příjem a zpracování určité formy energie ze svého okolí. Pyrometrické detektory jsou založeny na energii infračerveného záření (tepelné vyzařování těla útočníka) a kamerové detektory zpracovávají viditelné světlo. Pasivní pyrometrické detektory se označují také jako infračervené detektory PIR (Passive Infrared sensor). Jsou založeny na tzv. pyroelektrickém jevu, kdy rozdíl teplot protilehlých stěn určitých materiálů (např. turmalín) doprovází rozdíl elektrických potenciálů těchto stěn. Tyto pyroelektrické senzory (centrální prvek na obr. 11 vlevo) umožňují detekci pohybujícího se útočníka. Využívá se přitom skutečnosti, že útočník má oproti pozadí vyšší teplotu. Před pyrometrický senzor se umisťuje čočka, která zvyšuje dosah detektoru (až desítky metrů) a upravuje jeho detekční diagram. Příklad detektoru PIR je na obr. 11 uprostřed a příklad detekčního diagramu detektoru PIR (tj. oblast, ve které lze útočníka detekovat) je na obr. 11 vpravo. Obr. 10: Laserový skener [4]. 5 Prostorové detektory Prostorové detektory detekují výskyt útočníka v určitém prostoru. Můžeme je klasifikovat následovně: aktivní, pasivní - pyrometrické, - kamerové. Aktivní prostorové detektory se často označují jako mikrovlnné (MW) detektory. Prakticky se jedná o tzv. dopplerovské radary. Tento typ detektorů generuje do střeženého prostoru Obr. 11: Detektor PIR [4]. Kamerové prostorové detektory jsou prakticky kamerové systémy, které pracují ve viditelném spektru a provádějí analýzu obrazu. V tomto případě kamera sleduje střežený prostor a snímaný obraz je počítačově analyzován. Pokud dojde k významné změně scény ve vybraných částech obrazu, tak se vyhlásí poplach. 27 4 VOL.14, NO.2, APRIL 2012
6 Závěr Obr. 12: Kamerový prostorový detektor [5]. V článku je navržena systematická klasifikace venkovních detektorů poplachových systémů. Principem této klasifikace je geometrický typ oblasti, kterou detektor střeží. Dále jsou ve článku uvedeny principy fungování prakticky používaných senzorů a principy fungování detektorů. Současný vývoj v oblasti venkovních detektorů poplachových systémů lze hodnotit jako bouřlivý. Je to dáno jednak zpracovatelskými možnostmi soudobých procesorů (např. analýza obrazu) a rovněž i novými typy senzorů (např. akcelerometry typu MEMS). Výzkumníkům se tak nabízí mnoho nových možností ke konstrukci venkovních detektorů s novými vlastnostmi. Literatura [1] - : PerimetrLocator [online]. 7 Marsyas Development, Ostrava 2011 - [cit. 2012-02-02]. Dostupné na: http://www.7md.cz/docs/perimetrloctor/datasheet_perim etr_locator.pdf [2] - : FlexPS [online]. Senstar, Herndon 2010 - [cit. 2012-02-02]. Dostupné na: http://www.senstar.com/index. php?page=resource&resource=145&nav1=4 [3] - : MicroPoint Cable [online]. Southwest Microwave, Tempe 2007 - [cit. 2012-02-02]. Dostupné na: http:// www.southwestmicrowave.com/pdfs/micropoint-cable- Data-Sheet-EN.pdf [4] - : ADI Global Distribution [online]. Brno 2011 - [cit. 2012-02-02]. Dostupné na: http://www.adiglobal.cz [5] - : SISTORE CX [online]. Siemens Switzerland, Zug - [cit. 2012-02-02]. Dostupné na: http://www.sourcesecurity. com/docs/fullspec/siemens_br_sistore_cx_en.pdf 27 5 VOL.14, NO.2, APRIL 2012