ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИБОРОВ
КОНТРОЛЯ В СИСТЕМАХ ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ


А.Г. Якунин, Е.А. Иванченко

Система предназначена для оперативного обнаружения вторжения на контролируемой территории. Как правило, целью установки СОС является недопущение хищений с охраняемого объекта. В связи с этим к ним предъявляются некоторые специфические требования:
1. недопущение ситуации выхода системы из рабочего режима
2. максимально высокая степень защищенности от саботажа
3. невозможность проникновения при режиме охраны внутрь охраняемого объекта извне (кроме допущенных лиц)
4. экономическая окупаемость СОС
Различные способы построения СОС обеспечивают соблюдение этих условий в различной степени.
Общие топологии систем представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Классификация СОС по общей топологии

В настоящий момент наибольшее распространение получили распределенные системы. Это связано с тем, что сама идея сосредоточения всех ресурсов системы в одном месте хороша лишь до тех пор, пока это место не вышло из строя по какой-нибудь причине (саботаж, изначальный дефект комплектующих, прорыв водопровода, удар молнии и т.д.), т.е. она противоречит п.1 требований к СОС.
Для обеспечения требований к распределенным СОС необходимо решение следующих проблем:
Решение данных проблем должно быть максимально ориентированным на недопущение нештатных ситуаций и, в случае их возникновения, обеспечивать устойчивую работу системы.
К нештатным ситуациям относятся:
При проектировании СОС необходимо учитывать, что на данный момент складывается ситуация, требующая от вновь создаваемых систем охранной сигнализации помимо высокой степени защищенности как от внешних, так и от внутренних врагов, энергонезависимости, простоты в обращении, но и максимально низкой стоимости системы и стоимости ее обслуживания.
Решение проблемы энергоснабжения системы
В случае, когда каждое устройство имеет либо локальный источник энергоснабжения, либо подключается к отдельной специализированной линии энергоснабжения, не только повышается энергопотребление и снижается надежность системы, но и значительно увеличивается ее себестоимость и стоимость обслуживания. При этом снижается надежность работы системы в целом по причине необходимости удешевления блоков питания отдельных звеньев системы (ведь их число может достигать нескольких сотен). Как следствие появляется дополнительная причина выхода из строя звеньев СОС за счет появления неисправности в их блоках питания. При этом необходимо учитывать, что отдельные звенья системы зачастую располагаются в труднодоступных местах, что значительно затрудняет их техническое обслуживание. При обеспечении единого энергоснабжения системы все вышеперечисленные проблемы автоматически снимаются. Однако возникает проблема разрыва (к примеру саботаж или т.п.) кабеля энергоснабжения. Также существует необходимость учета стоимости самого кабеля, которая в некоторых случаях может быть сопоставима с себестоимостью всех остальных компонентов системы (см п 4 требований). Выход из данной ситуации видится в объединении линий данных и передачи энергии.
Далее речь пойдет о системах с единым сосредоточенным центром энергоснабжения при объединении линий передачи данных/энергии.
Проблема правильного распределения вычислительных ресурсов
Проблема возникает в основном из-за необходимости обеспечения работоспособности системы во внештатных ситуациях.
В качестве основы для построения СОС была выбрана физическая топология типа шины с элементами звезды (см. рисунок 2).

Рисунок 2 - Основная топология системы

В соответствии с данной топологией введем следующие понятия:
Сервер- устройство, осуществляющее контроль и управление СОС в целом, либо ее отдельной подсистемы (постановка/снятие с охраны, контроль и управление отдельными звеньями, ведение истории событий и др.).
Клиент (клиентское устройство) - представляет собой датчик или любое другое функционально законченное исполнительное устройство (например пульт управления). Управляется от сервера и/или передает на него информацию о своем состоянии.Связь клиент - сервер осуществляется через адресное устройство.
Адресное устройство (АУ) - устройство, являющееся промежуточным звеном между сервером и клиентом. Логически прозрачно.
Для обнаружения перехвата управления линии извне необходимо создание условий возможности наблюдения за состоянием линии из нескольких точек для дифференцированного анализа ситуации. Эффективность этого анализа напрямую зависит от правильного физического и логического распределения вычислительных ресурсов системы. При рациональном распределении ресурсов для качественного анализа ситуации эффективно использование распределенного управления с сети с обменом между серверами информативными сигналами, информация в которых привязана к логической конфигурации сети, и применение программно-реализуемых случайных последовательностей синхронизирующихся в зависимости от состояния системы.
В режиме закоротки линии эффективность работы любых алгоритмов обнаружения/блокировки участков линии будет напрямую зависеть от физической топологии системы. Следовательно, при разработке топологии любой системы охранной сигнализации необходимо распределять ресурсы системы таким образом, чтобы обеспечить возможность автоматического поиска/блокировки мест закоротки в лини с минимальными потерями в безопасности охраняемого объекта.
Передача энергии и данных по одной линии накладывает определенные ограничения на топологию системы в целом. Для нахождения оптимального режима работы в случае физического разрыва линии необходим учет процессов передачи информации в длинных линиях с сосредоточенными во множестве узловых точек нелинейностями, процессов формирования и обработки сигналов в микромощных первичных измерительных преобразователях с учетом рассогласования линии; и, в соответствии с полученными результатами исследования, произвести распределение вычислительных ресурсов системы охранной сигнализации таким образом, чтобы сохранить работоспособность системы с минимальными потерями для безопасности охраняемых объектов.
С целью обеспечения возможности объединения линий передачи энегии/данных, необходимо максимальное сокращение энергопотребления системы. Это с одной стороны может повлечь значительную экономию на блоке питания системы, а с другой — максимально увеличить срок сохранения работоспособности системы в случае отключения внешнего питания, что, в свою очередь, скажется на рыночной привлекательности данной системы.
Для обеспечения низкого энергопотребления системы с целью максимально эффективного использования линии передачи энергии/данных и увеличения времени сохранения работоспособности системы в условиях отсутствия внешнего питания планируется использование микроконтроллеров. Это обеспечит достаточно высокую гибкость систем и сделает возможным использование программной обработки сигналов с датчиков, что позволит, с одной стороны, исключить случайные срабатывания датчиков от внешних незначимых факторов, а с другой - значительно упростить конструкцию, снизив, таким образом, их энергопотребление и, следовательно, уменьшить влияние датчиков на передачу сигналов по линии. Также, использование микроконтроллеров открывает широкие возможности при построении распределенных систем охранной сигнализации как с централизованным так и ,что особенно актуально (для повышения надежности и устойчивости систем), с децентрализованным управлением. В отличие от систем с жесткой логикой, микропроцессорные системы при значительно меньших габаритных показателях позволяют:
В СОС хорошо зарекомендовали себя микроконтроллеры Atmel. Они являются функционально достаточными и обладают достаточно высоким быстродействием. Их стоимость сопоставима со стоимостью отечественных КР1816ВЕ31/49/51, но потребление энергии значительно меньше. При этом микроконтроллеры Atmel более надежны и не требуют программатора (программируются через LPT - порт компьютера).
Режим работы в случае физического разрыва линии определяется на основе проводящегося исследования процессов передачи информации в длинных линиях с сосредоточенными во множестве узловых точек нелинейностями процессов формирования и обработки сигналов в микромощных первичных измерительных преобразователях. Первые опыты выявили, что наибольшую сложность в таком режиме составляет преодоление искажений сигнала, связанного с затягиванием фронтов из-за емкости линии и собственной емкости устройств. Решение этой проблемы экспериментальным путем весьма затруднено, так как искажения сигнала зависят от топологии сети адресуемых датчиков. Поэтому существует необходимость составления схемы замещения и математической модели длинной линии с распределено - сосредоточенной нагрузкой. Такая модель позволит произвести компьютерный анализ влияния топологии сети на степень искажения сигнала, а также произвести многокритериальную оптимизацию системы сигнализации по таким критериям, как надежность работы, быстродействие и стоимость.
Проблема разработки помехозашишенных протоколов.
Разработка/выбор протокола производится на основе исследования передачи сигналов. Протокол должен максимально учитывать особенности как возможной физической, так и логической топологии системы и, самое главное, обеспечивать одновременную передачу данных и энергии к зависимым звеньям системы. Для случаев связи с несложными удаленными датчиками, как правило, достаточно несложного протокола с передачей сигнала о исправности датчика и его состоянии типа "да - нет", обеспечивающего высокую помехозащищенность и простоту схемного решения, а также защиту от саботажа. В достаточно сложных распределенных системах охраны нужен гораздо более сложный протокол обмена, так как требуется передача данных не только о состоянии клиентских устройств (которые имеются в большом количестве), но также во многих случаях требуется передача служебной информации между серверами и для некоторых случаев между серверами и клиентами. На этапе схемотехнического проектирования задачу организации помехозащищенного протокола обмена также эффективно решают с использованием микропроцессора.
Проблема организации системы разграничения/ограничения доступа
Проблема организации системы разграничения/ограничения доступа заключается в необходимости защиты СОС, в т.ч. от внутренних врагов. Ограничение доступа можно организовать двумя путями: предоставить возможность отключения устройства вводом пароля (клавиатура, магнитная карта или др.) с пульта, находящегося непосредственно на блоке системы, либо организовать централизованное отключение отдельных блоков системы (тоже с паролем). Поскольку на сегодняшний день не разработано защиты, стопроцентно защищенной от взлома, наиболее предпочтительно использование централизованное отключения звеньев системы. При этом предпочтительно нахождение панели управления непосредственно на сервере. При организации системы разграничения доступа главная проблема заключается в необходимости обеспечения полной недоступности внутренней структуры пульта и линии связи с сервером, контролирующим пульт.