Микропроцессорные охранные системы оптического видения

Государственное общеобразовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Санкт-Петербургский  национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Институт холода и биотехнологий

Кафедра автоматики и  автоматизации технических процессов

Реферат

«Микропроцессорные охранные системы оптического видения»

По курсу «Микропроцессорные охранные системы»

Проверил

к.т.н., доцент      ___________В. Б. Данин

Выполнил 

студент группы и6251 (№зач. кн. 122046)  ___________П.П. Воронко

Санкт-Петербург

2013

Содержание

1. Введение

Стационарные системы охранной сигнализации

В последнее время  в нашей стране, да и, пожалуй, во всём мире стала наиболее актуальна проблема безопасности объекта, а также проблема информационной безопасности. Системы электронных охранных сигнализаций являются одним из главных препятствий на пути несанкционированного проникновения на объект.   

Современные интегрированные  системы безопасности

В связи с широким  использованием современных электронных  компонентов и цифровых методов  обработки информации происходит существенная "интеллектуализация" технических средств охраны. Эти средства перестают быть просто вспомогательными и приобретают новые свойства, что оказывает существенное влияние на организацию охраны и её уровень. Современные технические средства охраны могут быть использованы в виде полностью интегрированной системы или системы, состоящей из функционально независимых компонентов:

• охранная сигнализация,
• система контроля доступа в помещение с проверкой полномочий,
• система телевизионного наблюдения,
• контрольные и другие устройства.

Тенденции развития электронной техники  и электротехники на базе микроминиатюризации  требуют применения широкой номенклатуры маломощных и малогабаритных устройств  и изделий (преобразователей трансформаторов, усилителей, фильтров, стабилизаторов, выпрямителей и так далее), выполненных на новой конструктивной основе ЭРЭ. Достижения науки и техники на современном этапе развития в области электронной техники позволяют значительно уменьшить массогабаритные характеристики рассматриваемых электронных устройств.

Система централизованной охраны

Охранные системы большой ёмкости  обычно применяются для обеспечения безопасности крупных предприятий, банков, гостиниц и характеризуется тем, что обслуживают от нескольких сотен до нескольких тысяч датчиков (извещателей). При этом контролировать нужно не только датчики как средства обнаружения криминальной акции, но различного вида устройства управляющие работой системы.

Особенностью организации охраны промышленных объектов является то, что непосредственно на территории объекта нет охранников. Задержание злоумышленников осуществляют оперативные группы специального подразделения милиции (вневедомственной охраны), либо какого-либо частного охранного агентства. Оперативные группы действуют  по указаниям оператора центрального пульта охраны. В этом случае функциональные возможности пульта определяют эффективность системы в целом, а сам пульт обычно реализуется на базе ПЭВМ с развитым программным обеспечением.

Система централизованной охраны организуется с помощью передачи извещений.

2. Классификация систем систему передачи извещений

По информационной ёмкости (количеству охраняемых объектов) систему передачи извещений (СПИ) подразделяют:

• на систему с постоянной информационной ёмкостью,
• с возможностью наращивать. 

По информативности СПИ подразделяют на системы :

• малой информативной ёмкости - до 2-х видов извещений,
• средней информативной ёмкости - от 3-х до 5 видов извещений,
• большой информативной ёмкости - свыше 5 видов извещений.

По типу используемых линий (каналов) связи СПИ подразделяют на системы, использующие:

• телефонные сети,
• специальные линии связи,
• радиоканалы,
• комбинированные линии связи и др.

По количеству направлений передачи информации СПИ подразделяют на системы:

• с однонаправленной передачей информации,
• системы с двунаправленной передачей информации (использованием обратного канала).

По способу отображения поступающей на ПЦН информации СПИ подразделяют на системы :

• с индивидуальным или групповым отображением информации в виде световых и звуковых сигналов,
• с отображением информации на дисплеях,
• с применением условной обработки и накоплением в банке данных.

С охраняемых объектов могут передаваться следующие виды извещений:

• "проникновение",
• "неисправность",
• "взятие",
• "снятие",
• адреса объектов и прочая служебная и диагностическая информация. 
3. Элементная база

3.1. Описание датчиков

В стационарных охранных сигнализациях  используется множество датчиков —  от самых простых (контактных) до сложных, представляющих собой практически самостоятельные интеллектуальные электронные устройства (объемные датчики). Без датчиков не обходится ни одна охранная система.

Рассмотрим назначение и основные особенности датчиков, используемых в стационарных охранных системах, а так же в нашем проекте.

3.1.1. Извещатели разбития стекла

Извещатели разбития стекла предназначены  для защиты от проникновения путем  разрушения стеклянного полотна  окон или витрин. По принципу действия они делятся на три типа: контактные, пьезоэлектрические и акустические.

При применении контактных извещателей  на поверхность стекла наносится  слой проводящего материала (это  может быть, например, фольга) и при  его разрушении этот материал разрывает  электрическую цепь, вследствие чего и принимается решение о наличии вторжения.

При применении пьезоэлектрических извещателей  на поверхность стекла приклеиваются  специальные небольшие пьезоэлектрические модули и при его разрушении генерируются акустические колебания, на основе которых  и принимается решение о наличии  вторжения (принцип их действия аналогичен звукоснимателю для виниловых дисков).

Разумеется, в последнее время  извещатели рассмотренных выше двух типов стали применяться весьма редко, поскольку они существенно  портят дизайн окна. От этого недостатка свободны только бесконтактные акустические извещатели, которые оснащаются высокочувствительным миниатюрным микрофоном, улавливающим звук, издаваемый при разбитии стекла. Эти извещатели крепятся на стену или потолок около окна. При разбитии стекла возникает два типа звуковых колебаний, причем в строго определенной последовательности. Сначала возникает ударная волна с частотой порядка 100 Гц (эту волну вызывает колебание при ударе всего массива стекла в целом), а потом волна разрушения стекла с частотой порядка 5 Кгц. Извещатель детектирует эти волны, и в случае наличия их правильной последовательности принимается решение о наличии проникновения.

3.1.2. Контактные датчики

Контактные извещатели служат для  обнаружения несанкционированного открытия различных механических заградительных конструкций: дверей, ворот, окон и т.д. По принципу действия извещатели этого типа делятся на магнитные и механические.

Магнитные извещатели состоят из двух частей: герконового реле (геркона), устанавливаемого на неподвижную часть конструкции, и магнита, устанавливаемого на открывающийся модуль. Когда открывающийся модуль закрыт, магнит находится вблизи геркона и наводит в нем магнитное поле, удерживающее его контакты в замкнутом состоянии. При открытии магнит удаляется от геркона, размыкая его контакты.

Различают три основных вида магнитных датчиков (по принципу монтажа): накладные, врезные и для металлических дверей. Если обычный магнитный извещатель поставить на металлическую дверь без диэлектрической прокладки, со временем за счет намагничивания металла произойдет так называемое "залипание" геркона: его контакты будут замкнуты независимо от наличия вблизи магнита. Именно поэтому для металлических дверей существует специальный тип магнитных извещателей. В том случае, если необходимо контролировать открытие массивных конструкций (ворот, бронированных дверей сейфового типа), применяются механические контактные извещатели, называемые концевыми выключателями. Принцип их действия весьма прост и основан на чисто механическом замыкании/размыкании контактных групп. Контактные извещатели, в случае их срабатывания, обеспечивают самое быстрое обнаружение вторжения и вследствие простоты устройства самую низкую вероятность ложной тревоги. Однако при этом их наиболее просто обойти, поэтому они должны использоваться совместно с извещателями других типов.

3.1.3. Вибрационные извещатели

Вибрационные извещатели служат для  защиты от проникновения путем разрушения строительных конструкций (например, сверления  стен). Эти извещатели детектируют  и анализируют сейсмические волны, возникающие в массиве конструкций при их разрушении.

3.1.4. Объемные датчики.

Анализ номенклатуры датчиков, предлагаемых крупнейшими производителями систем охранной сигнализации, показывает, что  в классе датчиков для охраны помещений  наиболее популярными являются инфракрасные (ИК) пассивные, комбинированные (в основном ИК + микроволновые). Реже применяются микроволновые, ультразвуковые датчики.

В проекте  охранной сигнализации используем пассивные  ИК-датчики. Этот вид датчиков является самым сложным, пишем их более подробно.

Основу  охранных сигнализаций составляют объемные извещатели. Далее рассматриваются  принципы действия и особенности применения таких датчиков. Эти датчики предназначены в первую очередь для защиты объема охраняемого помещения.

ИК-пассивные датчики, называемые также оптико-электронными, относятся к классу детекторов движения и реагируют на тепловое излучение движущегося человека. Принцип действия этих датчиков основан на регистрации изменения во времени разницы между интенсивностью ИК излучения от человека и фонового теплового излучения. В настоящее время ИК-пассивные датчики являются самыми популярными, они составляют неотъемлемый элемент охранной системы практически каждого объекта.

Для того чтобы нарушитель был обнаружен  ИК-пассивным датчиком, необходимо выполнение следующих условий:

1. нарушитель должен пересечь в поперечном направлении луч зоны чувствительности датчика;
2. движение нарушителя должно происходить в определенном интервале скоростей;
3. чувствительность датчика должна быть достаточной для регистрации разницы температур поверхности тела нарушителя (с учетом влияния его одежды) и фона (стены, пол).

ИК-пассивные датчики состоят  из трех основных элементов:

1. оптической системы, формирующей диаграмму направленности датчика и определяющей форму и вид пространственной зоны чувствительности;
2. пироприемника, регистрирующего тепловое излучение человека;
3. блока обработки сигналов пироприемника, выделяющего сигналы, обусловленные движущимся человеком, на фоне помех естественного и искусственного происхождения.

3.2. Оптическая система

Современные ИК-датчики характеризуются  большим разнообразием возможных  форм диаграмм направленности. Зона чувствительности ИК-датчиков представляет собой набор лучей различной конфигурации, расходящихся от датчика по радиальным направлениям в одной или нескольких плоскостях. В связи с тем, что в ИК-детекторах используются сдвоенные пироприемники, каждый луч в горизонтальной плоскости расщепляется на два.

Зона чувствительности детектора  может иметь вид:

1. одного или нескольких, сосредоточенных в малом угле, узких лучей.;
2. нескольких узких лучей в вертикальной плоскости (лучевой барьер);
3. одного широкого в вертикальной плоскости луча (сплошной занавес) или в виде многовеерного занавеса;
4. нескольких узких лучей в горизонтальной или наклонной плоскости (поверхностная одноярусная зона);
5. нескольких узких лучей в нескольких наклонных плоскостях (объемная многоярусная зона).

При построении оптических систем ИК-датчиков могут использоваться:

1. линзы Френеля - фасеточные (сегментированные) линзы, представляющие собой пластиковую пластину с отштампованными на ней несколькими призматическими линзами-сегментами;
2. зеркальная оптика - в датчике устанавливается несколько зеркал специальной формы, фокусирующих тепловое излучение на пироприемник;
3. комбинированная оптика, использующая и зеркала, и линзы Френеля.

В большинстве ИК-пассивных датчиков используются линзы Френеля. К достоинствам линз Френеля относятся:

1. простота конструкции детектора на их основе;
2. низкая цена;
3. возможность использования одного датчика в различных приложениях при использовании сменных линз.

Обычно каждый сегмент линзы  Френеля формирует свой луч диаграммы  направленности. Использование современных технологий изготовления линз позволяет обеспечить практически постоянную чувствительность детектора по всем лучам за счет подбора и оптимизации параметров каждой линзы-сегмента: площади сегмента, угла наклона и расстояния до пироприемника, прозрачности, отражающей способности, степени дефокусировки. В последнее время освоена технология изготовления линз Френеля со сложной точной геометрией, что дает 30% увеличение собираемой энергии по сравнению со стандартными линзами и соответственно увеличение уровня полезного сигнала от человека на больших расстояниях. Материал, из которого изготавливаются современные линзы, обеспечивает защиту пироприемника от белого света. К неудовлетворительной работе ИК-датчика могут привести такие эффекты, как тепловые потоки, являющиеся результатом нагревания электрических компонентов датчика, попадание насекомых на чувствительные пироприемники, возможные переотражения инфракрасного излучения от внутренних частей детектора.

В современных высококачественных ИК-детекторах используется комбинация линз Френеля и зеркальной оптики. При этом линзы Френеля используются для формирования зоны чувствительности на средних расстояниях, а зеркальная оптика - для формирования антисаботажной зоны под датчиком и для обеспечения очень большого расстояния обнаружения.

3.3. Пироприемник

Оптическая система фокусирует ИК излучение на пироприемнике, в  качестве которого в ИК-датчиках используется сверхчувствительный полупроводниковый  пироэлектрический преобразователь, способный зарегистрировать разницу в несколько десятых градуса между температурой тела человека и фона. Изменение температуры преобразуется в электрический сигнал, который после соответствующей обработки вызывает сигнал тревоги. В ИК-датчиках обычно используются сдвоенные (дифференциальные) пироэлементы. Это связано с тем, что одиночный пироэлемент одинаковым образом реагирует на любое изменение температуры независимо от того, чем оно вызвано - человеческим телом или, например, обогревом помещения, что приводит к повышению частоты ложных срабатываний. В дифференциальной схеме производится вычитание сигнала одного пироэлемента из другого, что позволяет существенно подавить помехи, связанные с изменением температуры фона, а также заметно снизить влияние световых и электромагнитных помех. Сигнал от движущегося человека возникает на выходе сдвоенного пироэлемента только при пересечении человеком луча зоны чувствительности и представляет собой почти симметричный двухполярный сигнал, близкий по форме к периоду синусоиды. Сам луч для сдвоенного пироэлемента по этой причине расщепляется в горизонтальной плоскости на два. В последних моделях ИК-датчиков с целью дополнительного снижения частоты ложных срабатываний используются счетверенные пироэлементы - это два сдвоенных пироприемника, расположенные в одном датчике (обычно размещаются один над другим). Радиусы наблюдения этих пироприемников делаются различными, и поэтому локальный тепловой источник ложных срабатываний не будет наблюдаться в обоих пироприемниках одновременно. При этом геометрия размещения пироприемников и схема их включения выбирается таким образом, чтобы сигналы от человека были противоположной полярности, а электромагнитные помехи вызывали сигналы в двух каналах одинаковой полярности, что приводит к подавлению и этого типа помех. Для счетверенных пироэлементов каждый луч расщепляется на, в связи с чем максимальное расстояние обнаружения при использовании одинаковой оптики уменьшается приблизительно вдвое, так как для надежного обнаружения человек должен своим ростом перекрывать оба луча от двух пироприемников. Повысить расстояние обнаружения для счетверенных пироэлементов позволяет использование прецизионной оптики, формирующей более узкий луч. Другой путь, позволяющий в некоторой степени исправить это положение - применение пироэлементов со сложной переплетенной геометрией.

3.4. Блок обработки сигналов

Блок обработки сигналов пироприемника  должен обеспечивать надежное распознавание  полезного сигнала от движущегося  человека на фоне помех. Для ИК-датчиков основными видами и источниками помех, могущими вызвать ложное срабатывание, являются:

1. источники тепла;
2. конвенционное движение воздуха;
3. солнечная радиация и искусственные источники света;
4. электромагнитные и радиопомехи (транспорт с электродвигателями, электросварка, линии электропередачи, мощные радиопередатчики, электростатические разряды);
5. сотрясения и вибрации;
6. термическое напряжение линз;
7. насекомые и мелкие животные.

Выделение блоком обработки полезного  сигнала на фоне помех основано на анализе параметров сигнала на выходе пироприемника. Такими параметрами являются величина сигнала, его форма и длительность. Сигнал от человека, пересекающего луч зоны чувствительности ИК-датчика, представляет собой почти симметричный двухполярный сигнал, длительность которого зависит от скорости перемещения нарушителя, расстояния до датчика, ширины луча, и может составлять приблизительно 0,02...10 с при регистрируемом диапазоне скоростей перемещения 0,1...7 м/с. Помеховые сигналы в большинстве своем являются несимметричными или имеющими отличную от полезных сигналов длительность. Основным параметром, анализируемым всеми датчиками, является величина сигнала. В простейших датчиках этот регистрируемый параметр является единственным, и его анализ производится путем сравнения сигнала с некоторым порогом, который определяет чувствительность датчика и влияет на частоту ложных тревог. С целью повышения устойчивости к ложным тревогам в простых датчиках используется метод счета импульсов, когда подсчитывается, сколько раз сигнал превысил порог (то есть, по сути, сколько раз нарушитель пересек луч или сколько лучей он пересек). При этом тревога выдается не при первом превышении порога, а только если в течение определенного времени количество превышений становится больше заданной величины (обычно 2...4). Недостатком метода счета импульсов является ухудшение чувствительности, особенное заметное для датчиков с зоной чувствительности типа одиночного занавеса и ей подобной, когда нарушитель может пересечь только один луч. С другой стороны, при счете импульсов возможны ложные срабатывания от повторяющихся помех (например, электромагнитных или вибраций). 
В более сложных датчиках блок обработки анализирует двухполярность и симметрию формы сигналов с выхода дифференциального пироприемника. Суть обработки состоит в сравнении сигнала с двумя порогами (положительным и отрицательным) и, в ряде случаев, сравнении величины и длительности сигналов разной полярности. Возможна также комбинация этого метода с раздельным подсчетом превышений положительного и отрицательного порогов. Анализ длительности сигналов может проводиться как прямым методом измерения времени, в течение которого сигнал превышает некоторый порог, так и в частотной области путем фильтрации сигнала с выхода пироприемника, в том числе с использованием "плавающего" порога, зависящего от диапазона частотного анализа.

Еще одним видом обработки, предназначенным  для улучшения характеристик  ИК-датчиков, является автоматическая термокомпенсация. В диапазоне температур окружающей среды 25°С...35°С чувствительность пироприемника снижается за счет уменьшения теплового контраста между телом человека и фоном, при дальнейшем повышении температуры чувствительность снова повышается, но "с противоположным знаком". В так называемых "обычных" схемах термокомпенсации осуществляется измерение температуры, и при ее повышении производится автоматическое увеличение усиления. При "настоящей" или "двухсторонней" компенсации учитывается повышение теплового контраста для температур выше 25°С...35°С. Использование автоматической термокомпенсации обеспечивает почти постоянную чувствительность ИК-датчика в широком диапазоне температур.

Перечисленные виды обработки могут  проводиться аналоговыми, цифровыми  или комбинированными средствами. В  современных ИК-датчиках все шире начинают использоваться методы цифровой обработки с использованием специализированных микроконтроллеров с АЦП и сигнальных процессоров, что позволяет проводить детальную обработку тонкой структуры сигнала для лучшего выделения его на фоне помех. В последнее время появились сообщения о разработке полностью цифровых ИК-датчиков, вообще не использующих аналоговых элементов.

Как известно, вследствие случайного характера полезных и помеховых  сигналов наилучшими являются алгоритмы  обработки, основанные на теории статистических решений.

Косвенными признаками хорошего современного датчика могут быть наличие АЦП, микропроцессора и, что стали  в последнее время сообщать производители, объема используемой программы обработки, который имеет величину несколько  тысяч байт.

Список литературы

1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов.-2-е изд. перераб. и доп. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2000 – 488 с.;
2. Водовозов В. М., Осипов В. О., Пожидаев А. К. Практическое введение в информационные системы / ГЭТУ. СПб, 1995.
3. Сайт книги "Охранные системы", автор Лаврус В.С. http://www.libbooks.ru/bookbox_93613.html