РАЗРАБОТКА ВАРИАНТА СИСТЕМЫ ОХРАННО-ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ УЗЛА СВЯЗИ НА БАЗЕ АППАРАТНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ПЛАТФОРМЫ ARDUINO С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОТОКОЛА ETHERNET

DEVELOPMENT OF A VARIANT OF BURGLAR-FIRE SIGNAL SYSTEM OF COMMUNICATION CENTER BASED ON ARDUINO PLATFORM USING THE ETHERNET PROTOCOL

Для поддержания противопожарной безопасности, а также для мониторинга состояния объекта применяются системы охранно-пожарной сигнализации (ОПС). Главной задачей ОПС является получение сигнальной информации от датчиков, обработка этих сигналов и последующая передача их на пульты охранных и пожарных служб организации. Вместе с функциями контроля пожарной безопасности имеется возможность получить информацию о попытках проникновения на объект.

Средства ОПС позволяют решить широкий спектр задач, среди которых круглосуточное поддержание контроля объекта охраны, выявление очага возгорание и оповещение, предоставление дежурному по объекту информации о попытке проникновения или начале пожара, управление средствами оповещения.

Выделяют 3 вида сигнализации по месту срабатывания:

1.  Адресная сигнализация. Она позволяет осуществлять контроль крупных объектов и предприятий. Подобные системы позволяют определить точный очаг возгорания или место проникновения.

2.  Неадресная сигнализация представляет собой сеть датчиков небольшого количества, расположенных на объектах малого масштаба. Особенность данного типа сигнализаций – это отображение только номера шлейфа, датчик которого передал сигнал тревоги, однако, нельзя обнаружить точное место срабатывания.

3.  Адресно-аналоговая охранно-пожарная сигнализация относится к наиболее эффективным системам, которые ведут постоянный контроль объекта с помощью анализа телеметрических данных: температуры воздуха, наличия задымления, повышения уровня влажности и т.д.

Именно последний вид ОПС мы будем рассматривать в данной статье, поскольку при эксплуатации техники связи на объекте особое внимание уделяется контролю за состоянием параметров помещения и за состоянием его безопасности.

При реализации системы ОПС необходимо рассчитывать определенные составляющие, к которым относится сенсорная часть, исполнительная часть, вычислительная часть, а также программное обеспечение. [1]

 Сенсорная часть включает в себя совокупность устройств, предназначенных для снятия показаний окружающей среды, а также для регистрации событий различного рода. В качестве примера таких устройств выступают датчики влажности, температуры, движения, освещения и т.д. Также в качестве устройств сенсорной части могут выступать выносные кнопки и пульты дистанционного управления, служащие для передачи системе команд пользователя.

Исполнительная часть представляет собой взаимосвязанные устройства, которыми система управляет в соответствии с определенным пользовательским сценарием. В данную категорию устройств входят различные реле, при помощи которых микроконтроллер системы подает питание на электрический прибор. Так, можно при помощи команды дежурного на узле связи удаленно подать команду на включение либо отключение аппаратуры, тем самым организовать систему удаленного доступа к системе электропитания объекта. Также имеется возможность отслеживать состояние элементов, входящих в систему, и делать вывод о том, какие из них активны в настоящий момент.

Вычислительная часть, как правило, представлена процессором обработки, который также называют микроконтроллером. Он является «мозгом» всей системы охранно-пожарной сигнализации, именно здесь происходит обработка всех полученных данных из сенсорной части и передача команды на выполнение на исполнительную часть. Микропроцессор также координирует и связывает работу всех составляющих системы ОПС. Немаловажной частью всего проекта является программное обеспечение, которое является специализированным для данной аппаратной платформы. Программное обеспечение представляет собой набор инструкций, выполняемых процессором. Программа, в свою очередь, может быть написана пользователем самостоятельно, либо взята из библиотеки скетчей. [1]

Для реализации охранно-пожарной сигнализации с возможностью контроля состояния объекта имеются различные аппаратно-вычислительные платформы (АВП). Наиболее популярными вариантами контроля параметров системы охраны и управления автоматикой являются системы безопасности «КОДОС», а также ОПС на базе АВП «Raspberry Pi» и «Arduino». Для решения задач по конфигурированию системы охранно-пожарной сигнализации узла связи будем использовать АВП Arduino Mega 2560, так как данная платформа обладает необходимым функционалом по организации требуемых датчиков системы ОПС, достаточной вычислительной мощностью, возможностью масштабирования всей системы, а также достаточной экономичностью реализации.

Arduino – это торговая марка аппаратно-вычислительных средств, представляющая собой совокупность как аппаратных платформ, конструктивов и элементов, так и программных сред разработки. Аппаратная часть представлена комплектом печатных плат, которые могут варьироваться в зависимости от функциональных возможностей, необходимых при разработке проекта. Программная часть состоит из интегрированной среды разработки IDE, написанной на языке программирования С++ и использующей схожие операнды. Программная оболочка отвечает за компиляцию программного кода и программирование вычислительной аппаратуры.

Перспективность использования АВП Arduino обусловлена рядом особенностей, к которым относятся простота использования, широкий выбор аппаратных конструктивов, а также доступная цена. В настоящее время Arduino используется как доступная альтернатива автоматизированному решению с более сложным интерфейсом, за счет чего платформа приобретает популярность для разработки домашних решений по автоматизации, а также систем ОПС. Внешний вид аппаратно-вычислительной платформы Arduino Mega 2560 представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Внешний вид аппаратно-вычислительной платформы
Arduino Mega 2560

 

При разработке системы охранно-пожарной сигнализации рекомендуется использовать наиболее производительную плату из серии Arduino, а именно Arduino Mega 2560. Данный конструктив обладает повышенной тактовой частотой процессора относительно других моделей АВП производителя, поэтому Arduino Mega лучше справляется с обработкой значительных по объему потоков данных, может оперировать с большим количеством переменных.

Краткие технические характеристики платы Arduino Mega 2560 представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Технические характеристики платы Arduino Mega 2560

Микроконтроллер

ATmega2560

Рабочее напряжение

5B

Цифровые входы/выходы

54

Аналоговые входы

16

Флэш-память

256 kB

ОЗУ

8 kB

Тактовая частота

16 MHz

АВП Arduino Mega 2560 выполнена на базе микроконтроллера ATmega2560. Платформа имеет 54 цифровых входа/выхода, 16 аналоговых входов, 4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, USB коннектор, разъем питания, разъем ICSP и кнопка перезагрузки. 14 цифровых входов могут использоваться как выходы ШИМ. В нашем случае идет эмуляция аналогового входа на цифровом поле контактов ШИМ. Arduino Mega 2560 совместима со всеми платами расширения (шилдами) и сенсорами, разработанными производителем. [2]

Для работы требуется подключить АВП к компьютеру посредством кабеля USB или подать питание при помощи адаптера AC/DC, или аккумуляторной батареей. В рассматриваемом варианте схемы организации функциональных элементов используем питание по интерфейсу USB от внешнего аккумулятора.

При организации системы ОПС и проектировании исполнительной части следует обратить внимание на вид датчика и тип информации, передаваемый на устройство для обработки и выдачи пользователю заключения. В данной статье будут рассмотрены рекомендуемые варианты конфигурации системы ОПС с соответствующим оборудованием.

Для контроля за состоянием угарного газа СО в помещении используется датчик газа MQ7. Внешний вид датчика газа и дыма представлен
на рисунке 2.

Рисунок 2 – Внешний вид датчика газа и дыма MQ7

 

Основным источником выделения угарного является сгорание углеродного топлива при недостаточном количестве кислорода. Углерод "не догорает" и вместо углекислого газа CO2, в атмосферу выбрасывается угарный газ CO. Он чрезвычайно ядовит, однако, не имеет ни цвета, ни запаха.[3] Попав в помещение с угарным газом, вы только по косвенным симптомам сможете понять, что подвергаетесь воздействию яда. Пользу этого датчика нельзя недооценить, поэтому он широко применяется в схемах ОПС и автоматизации.

Система пожарной охраны включает в себя непрерывный мониторинг за состоянием окружающей среды, включая такие параметры, как температура и влажность. DHT11 — это цифровой датчик влажности и температуры, отображающий на дисплее контроля уровень замеряемого параметра. Датчик состоит из термистора и емкостного датчика влажности.[3] Внешний вид DHT11 представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Внешний вид датчика влажности и температуры DHT11

 

Датчик DHT11 включает в себя АЦП для преобразования аналоговых значений влажности и температуры. Модуль не отличается высокой точностью измерений, однако, прост в настройке и является экономичным вариантом. Подходит для установки в помещениях и на объектах с техникой связи.

С целью обнаружения проникновения на охраняемую территорию либо на контролируемый узел связи посторонних лиц используется модуль датчика движения HCSR501. Датчик движения основан на пироэлектрическом эффекте, и состоит из PIR-датчика 500BP с дополнительной электрической развязкой на микросхеме BISS0001 и линзы Френеля, которая используется для увеличения радиуса обзора и усиления инфракрасного сигнала. Модуль используется для обнаружения движения объектов, излучающих инфракрасное излучение. Принцип работы устройства основан на пироэлектричестве. Пироэлектричество — это явление возникновения электрического поля в кристаллах при изменении их температуры.[3] Внешний вид датчика движения HCSR501 представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 - Внешний вид датчика движения HCSR501

 

В качестве ответной реакции на движение рассмотрим в проекте включение освещения на узле связи. Включение или выключение освещения будет обеспечиваться соответственно наличием либо отсутствием движения. Подобную операцию можно проделать при совместной работе с АПВ Arduino датчика движения HCSR501.

Для персонала, имеющего непосредственный доступ к технике связи, находящейся на узле связи, имеется возможность входа на территорию объекта. В качестве устройства контроля пропуска используется система RFID. Сканер бесконтактных RFID RC522 меток позволяет обнаружить и считать идентификаторы бесконтактных карт, меток, пропусков. Данная система является своего рода электронным замком на объекте. Радиочастотная идентификация (RFID) — это технология бесконтактной идентификации объектов при помощи радиочастотного канала связи. Идентификация объектов производится по уникальному идентификатору, который имеет каждая электронная метка. В качестве электронных меток используются RFID-брелки, а также пластиковые RFID-карты.[3] Внешний вид сканера бесконтактных RFID RC522 меток представлен на рисунке 5.

RFID-модуль RC522 (13.56 МГц)

Рисунок 5 – Внешний вид сканера бесконтактных RFID RC522 меток

 

Для контроля безопасности на объекте предусмотрена визуальная и звуковая сигнализация. Визуальная сигнализация представлена тремя светодиодами: зеленым, желтым и красным. Зеленый светодиод свидетельствует о нормальном функционировании на узле связи, желтый светодиод говорит о нештатной ситуации, красный светодиод сообщает об аварии на узле либо незаконном проникновении на объект. Визуальная сигнализация включается дежурным по узлу связи. Звуковая сигнализация включает в себя пьезоизлучатель непрерывного звука на 95 дБ, а также сигнальные цепи. Звуковая сигнализация сработает в случае разрыва сигнальной цепи либо по команде дежурного по узлу связи с диспетчерского пульта (пульта управления). Пьезоизлучатель (зуммер) - электроаккустическое устройство, способное излучать звуковые сигналы, основываясь на принципе обратного пьезоэлектрического эффекта: возникновение деформации под действием электрического поля. В статье рассматриваем пьезоизлучатель для реализации звуковых сигналов. Зуммер издает непрерывный сигнал на 95 дБ.[3] Внешний вид пьезоизлучателя представлен на рисунке 6.

Пьезоизлучатель непрерывного звука на 95дБ

Рисунок 6 – Внешний вид пьезоизлучаетеля

 

Отображение состояния функционирования узла связи происходит на дисплее контроля, в качестве такового используется символьный дисплей LCD 1602. Стандартный 16X2 символьный ЖК-модуль используется для вывода текстовой и графической информации, которая выводится в монохромном режиме (только белый цвет) на синем фоне. Дисплей представляет собой матрицу из 16 пикселей по горизонтали и 2 пикселя по вертикали [3]. Внешний вид LCD дисплея представлен на рисунке 7.

LCD1602 Символьный дисплей 16×2 Синий

Рисунок 7 – Внешний вид дисплея LCD1602

 

АВП Arduino может использоваться для реализации автономных проектов автоматики, а также подключаться к программному обеспечению на компьютере через стандартные проводные и беспроводные интерфейсы. Стандартная плата снабжена USB-портом для задания конфигурации с ПК. При необходимости организации доступа к платформе через иной интерфейс существует возможность расширения Arduino при помощи специальных надстроек (шилдов).[4]

Обмен данными между диспетчерским пультом и АВП будет осуществляться по протоколу Ethernet посредством надстройки Ethernet Shield W5100. Ethernet Shield обеспечивает подключение АВП Arduino к локальной сети или интернету через витую пару, что дает возможность обмена пакетным трафиком. Данная технология позволяет передавать информацию на расстояние, много большее, чем стандартный USB-интерфейс. Например, при использовании кабеля FTP-600MHz-Cat5e возможна передача данных на расстояние до 100 м, в то время как при использовании стандартного выхода USB можно передать информацию на расстояние менее 10 м. Ethernet Shield сконструирован на чипе W5100, который имеет внутренний буфер на 16 Кбайт. Скорость подключения соответствует стандарту 10/100 Base-T. Шилд работает с использованием библиотеки Arduino Ethernet library, которая встроена в интегрированную среду разработки Arduino IDE. Шилд оборудован слотом для SD-карты, на которую могут быть записаны большие массивы информации, а также загружены веб-сайты с самой платы Arduino. Внешний вид Ethernet Shield W5100 представлен на рисунке 8.[5]

Рисунок 8 – Плата расширения Ethernet Shield W5100

 

Рассмотрим вариант схемы функционирования системы охранно-пожарной сигнализации на базе Arduino Mega 2560 (рисунок 9). Сенсорную часть системы представляют приведенные выше датчики, а именно датчик движения (Motion sensor PIR), датчик газа и дыма (MQ7), датчик влажности и температуры (DHT11). В качестве элемента аутентификации для допуска на объект лиц применяется RFID-система, также привязанная к ядру вычислительной части ОПС – плате Arduino. В случае успешной идентификации лица, имеющего право доступа к объекту, система охраны подает сигнал на пульт диспетчера о пропуске. Информация, выводимая на экран диспетчера системы ОПС (дежурного по узлу связи) также дублируется на экран отображения состояния датчиков температуры и влажности (LCD I2C).

     Рисунок 9 –Функциональная схема системы
охранно-пожарной сигнализации


Таким образом, для получения экономичной и простой в управлении системы охранно-пожарной безопасности необходимо собрать совокупность устройств, рассмотренных выше, которые будут транслировать снимаемую информацию на аппаратно-вычислительную платформу. Представленная в статье АПВ удовлетворяет условиям экономичности, масштабируемости системы, а также удобству взаимодействия, как с программным обеспечением, так и с аппаратными составляющими проекта системы ОПС.

 

Список литературы:

1.     Охранная сигнализация. Что такое ОПС? Предназначение и виды [Электронный ресурс] URL: https://bezopasnostin.ru

2.     Arduino Mega 2560 [Электронный ресурс] // Arduino.ru
URL: http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardMega2560

3.     Датчики Arduino [Электронный ресурс // 3DIY. URL:
https://3d-diy.ru/wiki/arduino-datchiki/

4.     Arduino [Электронный ресурс] //. URL: https://andrey0095.github.io/proarduino/

5.     Протокол Ethernet [Электронный ресурс] // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ethernet

 

n