Современные информационные технологии/1. Компьютерная инженерия

д.т.н., професор Лукашенко В.М., к.т.н., доцент Уткіна Т.Ю., магістранти Піщаний А.О., Гирич А.В.

Черкаський державний технологічний університет, Україна

ДОСЛІДЖЕННЯ СУЧАСНИХ КОМПОНЕНТІВ
МІКРОПРОЦЕСОРНИХ СИСТЕМ ОХОРОННОЇ СИГНАЛІЗАЦІЇ ЛАЗЕРНОГО ТЕХНОЛОГІЧНОГО ОБЛАДНАННЯ

Системи охоронної сигналізації призначені для визначення факту несанкціонованого проникнення на територію, що охороняється, видачі сигналу тривоги на пульт охорони і включення виконавчих пристроїв (сирени, освітлення та ін.). Системи сигналізації включають контрольні панелі, оповіщувачі, виконавчі пристрої, пристрої сповіщення (сирени, дзвінки тощо) й джерела живлення.

При проектуванні спеціалізованого лазерного технологічного комплексу задача запобігання несанкціонованому втручанню, як при експлуатації лазерного технологічного обладнання (ЛТО), так і при організації моніторингу доступу до мікропроцесорної системи керування за рахунок підсистеми охоронної сигналізації ЛТО відповідає актуальності.

Метою роботи є визначення найкращих сучасних компонентів мікропроцесорних систем охоронної сигналізації лазерного технологічного обладнання за рахунок розробки знакової моделі залежності їх технічних параметрів на основі теорії неповної подібності та розмірностей.

Для досягнення цієї мети необхідно:

- скласти перелік сучасних компонентів мікропроцесорної системи (МПС) охоронної сигналізації ЛТО й значень їх основних технічних параметрів;

- визначити узагальнений математичний опис, що пов’язує вибрані технічні параметри сучасних компонентів МПС охоронної сигналізації ЛТО (при відсутності математичної залежності між параметрами використати властивості теорії неповної подібності та розмірностей);

- розробити умовні критерії подібності за відповідними визначальними величинами, які приведені в переліку п.1 та надати їм фізичного тлумачення;

- визначити значення умовних критеріїв подібності;

- побудувати знакову модель залежності технічних параметрів сучасних компонентів МПС охоронної сигналізації ЛТО в безрозмірних координатах;

- провести аналіз для визначення найкращих за багатьма параметрами та напрямку удосконалення компонентів МПС охоронної сигналізації ЛТО.

Рішення проблемної задачі. Контрольна панель (приймально-контрольний прилад) – це центральний пристрій системи охоронної сигналізації, виконаний на базі мікроконтролера, програма якого визначає всі функції системи. Контрольна панель може підключатися до комп’ютера для обробки і реєстрації сигналів тривоги, автоматичного аналізу стану датчиків та функціонування всієї системи.

Контрольні панелі управляють виконавчими пристроями: включають сирену, прожектор, додзвонюються по телефонній лінії по заданому номеру.

Для реєстрації змін контрольованого параметра в системах охоронної сигналізації використовуються різні оповіщувачі. Оповіщувач – це пристрій, що формує певний сигнал про зміну того або іншого контрольованого параметра навколишнього середовища. Оповіщувач можна умовно розділити на датчики і детектори. Під датчиками розуміємо оповіщувачі, перетворюючі фізичні величини та характеристики (наприклад, тепло, світло, звук і т.п.) в електричний сигнал. Детектори – оповіщувачі, що включають до свого складу датчики, схему обробки сигналів і схему ухвалення рішення [1].

Прості оповіщувачі (датчики) виробляють аналогову обробку сигналів, що не завжди забезпечує необхідну надійність їх роботи. Підвищення надійності роботи датчиків забезпечується застосуванням цифрових методів обробки сигналів. За принципом дії оповіщувачі можна розділити на наступні типи: електроконтактні (фольга, дріт); магнітоконтактні; вібродатчики; ультразвукові; радіохвильові; фотоелектричні; детектори битого скла; пасивні і активні інфрачервоні детектори руху; комбіновані [2].

Датчики і детектори дозволяють контролювати частину об’єкту, що охороняється.

В табл. 1 приведена класифікація сучасних моделей датчиків МПС охоронної сигналізації за основними типами.

Таблиця 1

Класифікація сучасних моделей датчиків МПС
охоронної сигналізації ЛТО за принципом дії

№	Тип датчика	Принцип дії
1	Електроконтактні	Представляють собою кнопкові вимикачі, які розмикають (замикають) електричні ланцюги, по яких сигнал тривоги надходить на приймально-контрольний пристрій при несанкціонованому відкритті дверей, вікон, люків, шаф і т.д. До електроконтакта відносяться датчики ДЕК-3, ВК-1М, СК-1М та інші.
2	Магнітоконтактні	Призначені для реєстрації відкриття дверей і вікон, на яких вони встановлені. Датчики бувають двох видів: для зовнішньої і прихованої установки. Вони виконані на основі герконів, контакти яких замикаються або розмикаються при наближенні (віддаленні) постійного магніту. Підключаються такі датчики до охоронної сигналізації за допомогою дротяного шлейфу.
3	Вібродатчики	Призначені для виявлення навмисного пошкодження різних будівельних конструкцій: бетонних стін і перекриттів, цегляних стін, дерев’яних (рами і двері) і стельових покриттів, а також сейфів і металевих шаф. Принцип дії вібродатчиків заснований на п’єзоефекті або ефекті електромагнітної індукції, коли постійний магніт переміщається уздовж обмотки котушки і тим самим наводить в ній змінний струм. У літературних джерелах залежно від технічної реалізації такі датчики називають електромагнітними, магніторезонансними.
4	Ультразвукові	Призначені для охорони закритих приміщень і характеризуються високою чутливістю і низькою перешкодостійкістю. Дія їх заснована на інтерференції ультразвукових коливань. До складу ультразвукового детектора входять випромінювач та приймач. При закритих вікнах й дверях простір, контрольований детектором, обмежений, і в точці розташування приймача формується стійка інтерференційна картина. При проникненні якого-небудь об’єкту в приміщення стійкість інтерференційної картини порушується та формується сигнал тривоги.
5	Радіохвильові	Призначені для реєстрації руху в контрольованій зоні. Принцип дії заснований на випромінюванні сигналу надвисокої частоти і прийомі відображеного сигналу, частота якого змінюється при русі порушника (ефект Допплера). Ці прилади використовуються для охорони закритих приміщень і периметрів.
6	Фотоелектричні	Призначені для охорони внутрішнього і зовнішнього периметрів, безконтактного блокування прольотів, дверей, коридорів тощо. Вони складаються з передавача і приймача, що рознесені уздовж лінії охорони.

Продовження таблиці 1

№	Тип датчика	Принцип дії
7	Детектори битого скла	Призначені для реєстрації навмисного руйнування скляних конструкцій. Вони реагують на звук розбитого скла і удару об скло, а також аналізують спектр звукових шумів в приміщенні, дозволяють безконтактно контролювати цілісність скла розміром більше 20х20 см.
8	ІЧ детектори руху	Призначені для виявлення руху теплового об’єкта в охоронюваній зоні. Принцип дії ІЧ детекторів заснований на реєстрації зміни інтенсивності ІЧ випромінювання, що виникає при русі теплового об’єкта, наприклад людини в зоні виявлення приладу. Вони мають регульовані зони виявлення, захист від помилкових спрацьовувань, що викликаються тваринами і комахами.
9	Комбіновані	Це пристрої, що використовують два різних фізичних принципи виявлення руху. У переважній більшості подібних пристроїв реалізовані пасивний ІЧ і радіохвильовий принципи виявлення руху. Такі прилади, насамперед, відрізняє значно вищі характеристики виявлення при вкрай низькій вірогідності помилкових тривог, в порівнянні з приладами, що використовують тільки один з принципів виявлення руху.

На основі евристичного методу складено перелік сучасних моделей датчиків МПС охоронної сигналізації ЛТО за основними типами (табл. 2).

Узагальнений математичний опис, що пов’язує основні технічні параметри сучасних датчиків МПС охоронної сигналізації (табл. 2, пп. 1, 2, … 6) має наступний вигляд:

(1)

де – максимальна допустима робоча температура [K];

– мінімальна допустима робоча температура [K];

– вхідна сила струму [А];

– максимальна вхідна напруга [В];

– мінімальна вхідна напруга [В].

Оскільки аналітичний вираз немає залежності між приведеними у математичному описі (1) основними технічними параметрами датчиків МПС охоронної сигналізації, то пропонується використовувати властивості теорії неповної подібності та розмірностей.

Таблиця 2

Перелік основних технічних параметрів сучасних датчиків МПС
охоронної сигналізації ЛТО та умовних критеріїв подібності

№	Тип датчика	Вхідна напруга живлення U, В		Вхідна сила струму I, А	Діапазон роб. температур, K		Критерії
		min	max		min	max
1	Електроконтактні	9	14	12	243	343	0,29	0,36
2	Магнітоконтактні	10	60	0,1	253	373	0,32	0,83
3	Вібродатчики	9	18	15,8	253	323	0,22	0,50
4	Комбіновані	9	25	18	253	323	0,22	0,64
5	Детектори битого скла	9	16	25	243	343	0,29	0,44
6	ІЧ детектори руху	10,5	34	30	248	328	0,24	0,69

Із основних технічних параметрів сучасних датчиків МПС охоронної сигналізації створюється перелік визначальних величин, тобто їх значення адекватні параметрам в табл. 2.

Застосовуючи властивості теорії неповної подібності та розмірностей, розробляється рівняння на основі умовних критеріїв. Умовними критеріями подібності називаються прості безрозмірні степеневі комплекси, що сформовані із визначальних величин [3-5].

При використанні евристичного методу визначені наступні умовні критерії подібності:

– величина, яка характеризує температурний діапазон;

– величина, яка характеризує діапазон потужності роботи датчиків.

Критеріальне рівняння приймає вид:

(2)

На базі критеріального рівняння (2) і даних основних технічних параметрів сучасних датчиків МПС охоронної сигналізації ЛТО (табл. 2) будується знакова модель залежності основних технічних параметрів в безрозмірних координатах  та , показана на рис. 1.

Рис. 1. Знакова модель залежності основних технічних параметрів сучасних датчиків
МПС охоронної сигналізації ЛТО  та 
в безрозмірних координатах

Примітка: цифри – 1, 2, …, 6 відповідають порядковому номеру датчиків МПС охоронної сигналізації, приведених в табл. 2.

Умовні критерії обраних датчиків МПС охоронної сигналізації створюють множину

(3)

Аналіз знакової моделі (рис. 1) показує, що масив залежностей умовних критеріїв подібності, що досліджуються, створює множину , яка ділиться на чотири групи , які, в свою чергу, дискретизуються в множини: A, B, C, D.

Візуалізація розташування множини датчиків МПС охоронної сигналізації ЛТО показує, що компоненти І групи мають найбільший робочий температурний діапазон, в порівнянні з ІІ групою, а група ІV найбільший діапазон потужності в порівнянні з ІІІ групою.

А Í (І Ç ІІІ) – множина А має найбільший температурний діапазон та низький діапазон потужності, тому її доцільно вдосконалювати по розширенню функціональних можливостей для збільшення діапазону потужності.

B Í (І Ç ІV) – множина В має широкий робочий температурний діапазон та найбільший діапазон потужності, тому не потребує вдосконалення по розглянутим показникам.

C Í (ІІ Ç ІІІ) – множина С має вузький температурний діапазон та низький діапазон потужності: рекомендується вдосконалення по зростанню робочих діапазонів температури та потужності.

D Í (ІІ Ç ІV) – множина D має широкий діапазон потужності та вузький температурний діапазон: рекомендується розширення робочого температурного діапазону.

Запропонована знакова модель дозволяє одночасно за діапазоном потужності та робочим температурним діапазоном датчиків МПС охоронної сигналізації ЛТО виділити тип магнітоконтактних (2) датчиків.

Висновки:

1. Проведено дослідження існуючих датчиків МПС охоронної сигналізації ЛТО, що дозволило швидко визначити сучасні типи моделей датчиків МПС охоронної сигналізації з найкращими технічними параметрами завдяки теорії неповної подібності та розмірностей, а також за скорочений час обрати напрямок удосконалення датчиків МПС охоронної сигналізації за декількома параметрами одночасно.

2. Визначено фізичне моделювання та розроблені умовні критерії подібності та – величини яких характеризують робочий температурний діапазон та діапазон потужності відповідно.

3. Побудована знакова модель залежності основних технічних параметрів в безрозмірних координатах  та для 6 типів датчиків. Це надає можливість швидко вибрати найкращий тип датчиків для МПС охоронної сигналізації ЛТО та визначити напрямок удосконалення.

4. Досліджені технічні параметри, які підтвердили, що магнітоконтактні датчики МПС охоронної сигналізації ЛТО володіють найкращими характеристиками, так як мають широкий температурний діапазон та найбільший діапазон потужності.

Перспективою подальших досліджень є дослідження методів апаратурної реалізації сучасних датчиків МПС охоронної сигналізації ЛТО.

Література:

1. Завгородний В. И. Комплексная защита информации в компьютерных системах : учебн. пособ. / В. И. Завгородний. – М. : Логос ; ПБОЮЛ H.A. Егоров, 2001. – 264 с.

2. Принцип действия и особенности функционирования инфракрасных пассивных охранных извещателей [Электронный ресурс] / Ю. Ю. Орлов, А. В. Столяренко, Л. И. Громовенко, О. Ю. Жариков. – Режим доступа: http://guarda.ru/guarda/data/infra_red/txt_15.php.

3. Уткіна Т. Ю. Узагальнена біометрична модель доступу до мікропроцесорної системи керування спеціалізованого лазерного технологічного комплексу / Т. Ю. Уткіна, О. С. Вербицький, А. Г. Лукашенко // Вісник Хмел. нац. ун-ту. – 2012. – № 1. – С. 131–136.

4. Лукашенко А. Г. Виявлення резерву предмета дослідження на основі теорії неповної подібності та розмірностей / А. Г. Лукашенко, О. А. Кулигін, В. М. Лукашенко. // Вісник Хмел. нац. ун-ту. – 2009. – № 3. – С. 184–187.

5. Метод візуалізації для вибору сучасних базових компонентів мікропроцесорних систем керування / В. М. Лукашенко, Т. Ю. Уткіна, Д. А. Лукашенко и др. // Aktualne problemy nowoczesnych nauk – 2013 : materiаły IX Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji : (07–15 czerwca 2013 roku, Przemyśl, Польша). – Przemyśl : Nauka i studia, 2013. – Т. 30. – C. 14–18.