Микропроцессорная система охранной сигнализации автомобиля

ВВЕДЕНИЕ

С появлением частной собственности появились лица, которые захотели ее получить незаконным путем. Среди множества материальных ценностей изобретённых человеком автомобиль занимает особое место. Являясь средством передвижения, он обладает значительной стоимостью и при этом очень часто бывает вне пределов видимости своего хозяина. Благодаря этому тенденция к хищению и раскомплектации личных автотранспортных средств постоянно растет. Чтобы противостоять этому, необходимо устанавливать дополнительные устройства на автомобиль, которые затрудняют злоумышленнику его чёрную работу. Эффективным методом является использование систем охранной сигнализации. Как показывает статистика, автомашины, оборудованные системой сигнализации, менее подвергаются угону или раскомплектации. Существующие ныне системы охранной сигнализации обладают недостаточными функциональными возможностями или большой стоимостью. Следовательно, есть потребность в разработке дешевых, не сложных в производстве и установке систем охранной сигнализации которые в то же время обладают достаточной функциональной насыщенностью, надежностью чтобы без ущерба выполнять свои функции- предупредить хищение или раскомплектацию автотранспортного средства.

Для расширения функциональных возможностей и для снижения стоимости при разработке охранных систем необходимо использовать микропроцессоры, что позволит реализовать аппаратуру с улучшенными техническими и потребительскими характеристиками.

Цель и задача настоящей работы:

На основе использования современной элементной базы (PIC контроллеры) и современных принципов организации информационного обмена между разнесенными объектами, разработать систему передачи извещений о проникновении отличающуюся: гибкостью (легкость и простота разворачивания, возможность конфигурирования);

надежностью (автоматический контроль за состоянием системы, канала передачи информации о состоянии системы и объектов охраны);

расширенными функциональными возможностями и простотой в обращении (автоматическая постановка под охрану и снятие с охраны объектов);

низкой себестоимостью, высокой экономичностью.

ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

1.1 Устройства и системы предотвращения угонов и посягательств на автомобиль

Проблема охраны автомобилей от посягательств в настоящее время весьма актуальна. В связи с этим производится большое число разнообразных защитных и охранных устройств. Наиболее простые из них представляют собой механические приспособления (например, специальные запорные устройства, блокирующие рычаг переключения передач, колесо рулевого управления, педаль газа и т.д.). Более сложные - электронные системы охраны.

Наиболее простой электронной системой охраны автомобиля от угона является иммобилайзер [1]. Иммобилайзер - средство пассивной защиты - дополнение к замку зажигания. Он может блокировать следующие цепи.

В автомобиле с бензиновым двигателем:

питание системы зажигания;

питание катушки зажигания;

запуск стартера;

запуск электрического топливного насоса;

включение топливного электроклапана (если установлен);

управление инжектором;

В автомобиле с дизельным двигателем:

цепь включения калильных свечей;

запуск стартера;

запуск электрического топливного насоса;

включение топливного электроклапана (если установлен);

Простейший вариант представляет собой скрытый в потайном месте выключатель.

Рассмотрим современные иммобилайзеры на примере иммобилайзера CYBORG (США). Управление этим иммобилайзером осуществляется плоским электронным ключом, выполненным по технологии фирмы DALLAS, который представляет собой энергонезависимую микросхему памяти с однопроводным протоколом обмена данными. Разрыв необходимых электрических цепей автомобиля производится с помощью специальных устройств - блокираторов. Управление ими осуществляется с помощью новой технологии Digital Code Communication Network (коммуникационная сеть с цифровым кодом), благодаря которой появилась возможность посылать кодовые сигналы по штатной проводке автомобиля. Цифровой код для деактивации блокираторов передается по всей сети. Это позволяет располагать их в любом месте автомобиля, не соединяя проводами с центральным блоком. Определить место расположения блокираторов для угонщика автомобиля крайне затруднительно. Максимальное количество блокираторов, и соответственно, цепей разрыва - восемь. Возможно программирование времени задержки активации каждого блокиратора.

Иммобилайзер CYBORG обеспечивает выполнение следующих функций:

Активация устройства осуществляется автоматически через 1 минуту после выключения зажигания.

Деактивация производится с помощью электронного ключа, который необходимо вставить в приемное гнездо считывателя. Загорается индикатор, и у водителя есть 1 минута для запуска двигателя.

Иммобилайзер CYBORG способен запрограммировать коды 4-х ключей, а так же стереть из памяти коды утерянных ключей. Он имеет высокую степень помехозащищенности и может быть установлен на любые отечественные автомобили.

Тем не менее при всех своих достоинствах, проблемы защиты от раскомплектации как механические устройства, так и эта система не решает. Проникнув в автомобиль, грабитель может применить весь арсенал техники (жидкий азот, дисковые пилы и т.д.) и в благоприятных условиях никто ему не будет мешать.

Следующим классом охранных устройств являются охранные сигнализации. Сигнализация в классическом исполнении (рис.1.1) состоит из:

центрального блока;

внешних датчиков;

сирены;

реле блокировок;

кодового брелка.

Рис.1.1. Устройство сигнализации в классическом исполнении.

Современные охранные сигнализации это сложные электронные устройства, которые имеют дистанционное управление, некоторые функции иммобилайзера (в отдельных моделях есть и полноценные иммобилайзеры) а также выполняют множество сервисных функций. Включенная сигнализация контролирует ряд точек в автомобиле, и, в случае вторжения, включает звуковые и световые сигналы для привлечения внимания и иногда выполняет и некоторые другие функции. Количество контролируемых точек зависит от комплекта поставки и количества дополнительных датчиков, подключаемых к сигнализации.

1.2 Датчики, применяемые в автомобильных сигнализациях

Электроконтактные устройства (ЭУ) стали использоваться для защиты и распознавания проникновения ранее всех остальных электронных и электрических охранных приборов и тот факт, что различные их разновидности всё ещё используют и поныне свидетельствует о наличии у них достоинств в определённых ситуациях [2]. ЭУ, вмонтированные в коробку двери (капота, багажника) известны как дверные контакты (дверные выключатели, концевые переключатели). Эти контакты всегда есть в дверях (соединены с лампой плафона). Установка их в багажнике и капоте не представляет труда. Достоинства данных датчиков: определённость действия (однозначность перехода между рабочими ситуациями и малая реакция на случайные помехи), высокая надёжность. Но есть и проблемы: загрязнение поверхности контактов, окисление, нагрев зоны контакта. Место установки контактов трудно скрыть, и традиционно считается, что их легко вывести из строя, закрепив рычажок в закрытой позиции кусочком жевательной резинки, если у преступников есть предварительный доступ к интересующей их двери.

Широкое применение нашли герконовые (магнитоуправляемые) датчики, когда контакты замыкаются при приближении магнита, установленного, например, на дверях. Но опытный преступник может нейтрализовать их, используя мощный внешний магнит. Однако, реально трудно одновременно удерживать магнит в требующемся положении открывать дверь. Более того, фирма Sigma, например, выпускает герконовые датчики, экранированные от постоянного магнитного поля специальными защитными пластинами-экранами и снабжённые специальными герконовыми контактами, срабатывающими в присутствии постороннего поля.

Ударный датчик. Ударный датчик представляет собой устройство, которое улавливает вибрации корпуса автомобиля. Если амплитуда вибраций превышает заданную величину, ударный датчик вызывает срабатывание сигнализации. Традиционно, ударные датчики являются самыми простыми и дешевыми, среди применяемых в автомобильных сигнализациях. Они поставляются, как правило, в базовом комплекте. Серьезным недостатком ударного датчика является нечувствительность к качанию и высокая чувствительность к помехам. Ударный датчик может с большим приоритетом срабатывать на проезжающие мимо тяжелые автомобили, чем на откручивание колеса.

Обычно, вибрационный датчик [3] содержит корпус, в котором соосно размещены верхний и нижний контакты, между которыми размещён сферический элемент из электропроводящего материала, в верхней части корпуса размещена с возможностью перемещения крышка, верхний контакт соединён с крышкой, а нижний контакт - с корпусом. С целью расширения области использования датчика, нижний и верхний контакты выполнены в форме шайбы, причём опорная поверхность верхнего контакта выполнена в форме углубления конической формы, а опорная поверхность нижнего контакта выполнена в виде углубления сферической формы.

Ударный датчик охранной сигнализации может содержать корпус [4], в котором размещён чувствительный узел, выполненный в виде подвижного и неподвижного элементов с возможностью их взаимодействия. В такой датчик введены винтовой элемент, пластина с отверстием и стопорное кольцо. Корпус выполнен в виде колпака с дном, в котором выполнено отверстие, в котором размещена пластина, закреплённая стопорным кольцом. Неподвижный элемент чувствительного узла выполнен в виде полого цилиндра из поляризованного пьезокерамического материала, на торцах цилиндра размещены обкладки, цилиндр размещён на пластине соосно с её отверстием. Подвижный элемент чувствительного узла выполнен в виде маятника, нить которого соединена с винтовым элементом, а инерционная масса маятника размещена во внутреннем диаметре цилиндра, обкладки которого являются выходами датчика.

К данному классу относится и лазерный датчик, принцип работы которого заключается в смещении чувствительного элемента фотоприемника относительно узкого луча полупроводникового светодиода при вибрациях и ударах по кузову автомобиля.

Основной недостаток вышеупомянутых вибродатчиков - труднорегулируемая чувствительность [5].

Датчик качания. Очень простой датчик. Опишем датчик колебаний кузова, пригодного для совместной работы с цифровыми автомобильными сторожевыми устройствами (выходное напряжение может принимать значения, соответствующие принятым логическим уровням цифровых микросхем) [6]. Благодаря своим высоким характеристикам подобные датчики весьма популярны у автолюбителей. Датчик формирует импульсный выходной сигнал, содержит минимальное число элементов, может работать в широком интервале напряжений без существенных изменений основных характеристик. В качестве чувствительного элемента, преобразующего механические колебания в электрические сигналы, используется малогабаритный микроамперметр М476/1 с утяжелённой стрелкой. Даже при незначительном толчке подвижная система начинает колебаться, и на выходе микроамперметра появляется напряжение, по форме близкое к синусоидальному. Усилитель-преобразователь собран на компараторе, а не на традиционном операционном усилителе. Отсюда и все основные преимущества. Большой коэффициент усиления (не менее 150 000 для К554СА3) позволяет добиться высокой чувствительности датчика в целом во всём интервале питающего напряжения (5..15 В), а выходная ступень компаратора упрощает сопряжение его с любыми цифровыми микросхемами. Налаживание устройства заключается в установке требуемой чувствительности резистором, изменяя напряжение смещения “нуля”, приведённого ко входу.

Ультразвуковой сканер. Ультразвуковой сканер предназначен для обнаружения движения в салоне. Он относительно не сложен, доступен по элементной базе и не требует для налаживания узкоспециальной аппаратуры.

а) б)

Рис1.2. Строение системы УЗ обнаружения.

Излучатель и приёмник располагают как показано на рис.1.2.а,б [7]. Излучатель ВQ1 возбуждает стабильные по частоте и амплитуде ультразвуковые колебания (хотя можно применять и специальное амплитудное заполнение [19]). Принятый УЗ сигнал микрофон ВМ1 преобразует в электрический. Далее в электронном устройстве сигнал претерпевает усиление, детектирование и анализ по амплитуде. При колебании амплитуды УЗ сигнала устройство формирует сигнал тревоги. Энергия волны в зоне микрофона есть результат интерференции всех падающих волн (прямая волна, отражения от всех предметов в объёме). Какое-либо движение отражающих или поглощающих поверхностей или изменение физических свойств Среды приведёт к изменениям путей прохождения волн, а следовательно, к изменениям интерференционной картины. Это приведёт к колебаниям амплитуды микрофона.

Способ на рис.1.2а экономичнее, т.к. волна от излучателя к приёмнику проходит по наиболее короткому пути с наименьшим затуханием. Но высока вероятность ложной тревоги из-за возможных потоков воздуха. Сложение скорости звука со скоростью воздуха воспринимается как перемещение объекта. При втором способе на рис.1.2б длина пути волны увеличится, что потребует увеличение излучаемой мощности. Но при этом приращение скорости взаимно компенсируется, что и повышает устойчивость устройства к ложным тревогам в условиях относительно равномерных потоков воздуха, движущихся в любых направлениях. Однако, нестабильность интерференционной картины из-за деформации стекол и дверей в результате порывов ветра снаружи, вибрации и т.д. заставили применять более помехоустойчивый метод детектирования сигнала - не по амплитуде, а по частоте. При любом перемещении объекта (особенно вдоль распространения волны) отражённая от него волна будет иметь некоторое смещение по частоте относительно излучаемой. Это явление получило название эффекта Доплера. Поэтому движущийся объект не может быть не обнаружен. К недостаткам ультразвукового сканера относятся:

низкая чувствительность к медленным перемещениям;

возможность экранирования излучателя (звукоизолирующим материалом);

ложные срабатывания при воздействии конвекционных потоков воздуха.

Микроволновой сканер. Микроволновой сканер обнаруживает движение внутри салона и вблизи автомобиля. Его действие основано на интерференции радиоволн сантиметрового диапазона. Устройство очень эффективно, но нуждается в тщательной регулировке, т.к. его действие может распространяться за пределы автомобиля и вызывать ложные срабатывания. Микроволновой сканер нечувствителен к движению потоков воздуха, шумам, вибрациям, но не обнаруживает медленные движения. Существуют двухпороговые модели, позволяющие реализовать отпугивание при приближении к автомобилю. Наибольшее распространение получили микроволновые сканеры AU-94 и AU-94T (одно-зонный и двухзонный соответственно). Среди микроволновых сканеров отечественного производства можно рассмотреть сканер «АРГУС-АВТО2», который изготавливается Санкт-Петербургским АО «Аргус-Спектр» [ ]. Эта модель является 2-х зонной, предназначена для использования в качестве дополнительного или основного датчика в автомобильных охранных системах с дистанционным управлением и имеет следующие технические характеристики:

- рабочий диапазон питающих напряжений, В от 8 до 25

- рабочий диапазон температур,С от -30 до +50

- ток потребления в режиме «Охрана», мА не более 20

- количество охраняемых зон 2

- количество регулировок чувствительности 2

- допустимый ток нагрузки сигнальных цепей, мА не более 500

- габаритные размеры, мм 66х48х25

- масса, г не более 50

Принцип работы:

Внешняя зона- обеспечивает охрану некоторого периметра вокруг автомобиля и зависит от типа автомобиля и места установки сканера. Внутренняя зона- имеет меньший радиус действия и может быть настроена на охрану салона автомобиля. При движении объекта внутри внешней зоны (не пересекая внутреннюю) на исполнительное устройство периодически поступает сигнал тревоги длительностью 5+1 сек. по сигнальной цепи внешней зоны. При пересечении границы внутренней зоны по сигнальной цепи этой зоны поступает сигнал тревоги 5+1 сек. При дальнейшем движении объекта внутри внутренней зоны этот сигнал тревоги периодически повторяется, а по цепи внешней зоны сигнал тревоги выдается непрерывно.

Рекомендуемые места установки:

внизу возле кулисы коробки передач или между креслами (при этом обеспечивается оптимальная настройка внутренней зоны);

на потолке в центре (при этом обеспечивается симметрия зон по длине автомобиля);

на потолке между светозащитными козырьками (при этом обеспечивается максимальная внешняя зона в направлении капота автомобиля).

Датчик изменения объема салона. Датчик изменения объема салона обнаруживает изменение давления воздуха при открывании двери. Распространенный тип датчика AU-95T.

Датчик разбития стекла. Датчик разбития стекла - датчик микрофонного типа, реагирует на характерный звук разбивающегося стекла. Однопороговые датчики срабатывают даже от звука разбиваемой рядом с автомобилем бутылки, а при понижении чувствительности - вовсе не реагируют. Срабатывание таких датчиков в большей степени зависит от сорта стекла, его толщины и расположения датчика относительно стекла. Двухпороговые датчики регистрируют звук удара по стеклу и звон разбиваемого стекла. Для индикации тревоги такой датчик должен зарегистрировать два соответствующих сигнала с интервалом не более 150 мс.

Датчик падения напряжения бортсети. При включении какого-либо электрооборудования в бортсети автомобиля возникают небольшие броски напряжения. Датчик анализирует эти броски напряжения, идентифицирует подключение и выдает сигнал вторжения в автомобиль. Датчики такого типа, обычно встраивают в центральный блок и входят в базовые комплекты многих сигнализаций.

Сирены. В качестве устройства звукового оповещения широко используются сирены, которые предназначены для беспроводной охраны объектов. Ясно, что такого средства оповещения недостаточно для систем высокого уровня. Особенно, если это вызывает недовольство, например, соседей в ночное время. Однако, мощный звуковой сигнал отпугивает злоумышленников и привлекает внимание охраны или потенциальных свидетелей[8]. Такие устройства должны отвечать следующим требованиям:

минимальный потребляемый ток в режиме ожидания,

мощный звуковой сигнал,

максимальная простота при минимальных габаритах,

высокий КПД,

иметь, по возможности, автономное питание,

характер звукового рисунка должен позволять хозяину реагировать лишь на сигналы своего автомобиля.

В звуковых сигнализаторах важным элементом является звуковой излучатель. Большинство сирен используют динамические головки, что приводит к повышенному расходу энергии источника питания. Однако, обладая весьма малыми габаритами и сравнительно большой громкостью, пьезокерамические излучатели (например, СП-1) [9] способны дать лучшие результаты по сравнению с динамической головкой при использовании их в различных охранных устройствах. Ведь согласно паспортным данным, при подаче на СП-1 переменного напряжения амплитудой 25 В и частотой 3-4 кГц (резонансная частота излучателя) уровень звукового давления достигает 100 dB -- этого достаточно, чтобы прозвучал громкий сигнал тревоги. Кроме того, такой сигнал весьма неприятен для слуха.

Из промышленно выпускаемых сирен можно выделить двухтональную электродинамическую SR-74 (120 dB, 12 В), двухтональную с автономным питанием MITRIDAT S-35B (120 dB), двухтональную пьезоэлектрическую TA-AS (125 dB, 12В) [10].

1.3 Питание

При питании от бортовой сети автомобиля микропроцессорных устройств надо предпринимать особые меры [11]. При неработающем двигателе, когда напряжение в ней определяется напряжением аккумулятора и составляет примерно 12 В, можно использовать цепочку “вычитающих” диодов. При запуске двигателя бортсеть питается от генератора, напряжение которого поддерживается реле-регулятором на уровне 14 В. При этом желательно применять вместо диодов стабилитрон, включённый в обратном направлении. В бортсети часто из-за увеличения переходных сопротивлений или неисправности реле-регулятора напряжение повышается до 16 В и более, что может привести к порче электронных систем. Поэтому, питание следует производить через стабилизатор напряжения [12]. Стабилизатор обязательно должен иметь предохранитель, а лучше - схему защиты от коротких замыканий. Аппаратуру следует снабдить защитным диодом, включённым в прямом направлении в цепь питания, если потеря до 10 напряжения источника на нём не сказывается на работе системы. Корпус автомобиля используется в качестве отрицательного проводника в системе автомобильного электрооборудования.

1.4 Применение радиоканала

Применение для оповещения лишь звуковой сигнализации и (или) мигания фар не всегда надёжно и удобно. С развитием средств связи более широко начали использовать радиоканал. С его же помощью возможно дистанционное управление аппаратурой автомобиля.

В качестве электронного ключа и пульта управления применяют кодовые брелки. Кодовый брелок - миниатюрный передатчик, работающий, как правило, в диапазоне дециметровых волн (200- 50 МГц). В таблице приведены значения частот для некоторых стран.

Таблица 1.1. Рабочие частоты кодовых брелков.

Страна	Рабочая частота, МГц
Франция	244,50
Италия, США, Испания, Австралия, Греция	300,10
Великобритания	418,00
Германия, Скандинавия	433,92

При срабатывании датчика передатчик начинает излучать радиосигнал, модулированный импульсным кодом, формируемый шифратором. Приёмник с дешифратором выделяет из массы сигналов “свой” сигнал и включает генератор тревожного сигнала.

При использовании в автомобилях радиоканала наиболее трудной задачей является выполнение антенны [13]. Применение выступающих передающих, например штыревых, антенн практически исключается из-за возможности повреждения злоумышленником [14].Данный недостаток устраняется периодической проверкой линии связи. Дальность и устойчивость работы также зависит от правильности выбора антенно-фидерной системы. Диаграмма направленности антенны должна быть близка к круговой в плоскости горизонта и узкой по вертикали[15]. При горизонтальной поляризации глубина интерференционных провалов больше, чем при вертикальной. Поэтому в низовой радиосвязи целесообразно применение вертикальной поляризации [16]. Диаграмма направленности антенны в автомобиле отличается от диаграммы с свободном пространстве, т.к. результирующее излучение формируется с учётом токов на проводящей поверхности корпуса автомобиля [17]. Интересным решением является использование кузова автомобиля в качестве щелевой антенны [18].

Для повышения устойчивости (уменьшения вероятности блокировки) к помехам применяются системы “развёрнутого” спектра. Передатчики СпредНет передают идентичные сигналы на более чем ста частотах за один импульс. Поэтому радиус действия в три раза больше чем у ближайших конкурентов [19].

В качестве типичной сигнализации, использующей радиоканал, рассмотрим автосигнализацию EXCALIBUR 900JX .

Возможности EXCALIBUR 900JX присущи многим другим сигнализациям. EXCALIBUR 900JX контролирует состояние дверей, капота, багажника автомобиля, а так же оснащен двухпороговым ударным датчиком. Возможно дооборудование микроволновым сканером и пейджером.

Управление сигнализацией осуществляется кодовым брелком на расстоянии. EXCALIBUR 900JX защищен от подбора и перехвата кода из эфира технологией «динамических кодов».

Имеется возможность управления центральным замком автомобиля. Брелком можно также управлять двумя дополнительными устройствами в автомобиле (стеклоподъемниками и отпиранием багажника).

Сигнализация имеет трехступенчатую систему защиты от пропадания питания. Сирена, входящая в комплект, имеет автономное питание. Центральный блок сигнализации также поставляется с автономным источником питания.

В системе EXCALIBUR 900JX предусмотрена возможность отключения охранных функций - гаражный режим. Это позволяет оставлять автомобиль на СТО, не оставляя своего кодового брелка.

При каждодневном использовании сигнализации, достаточно пользоваться одной кнопкой на кодовом брелке, с помощью которой осуществляется включение и выключение режима охраны.

В стоящем под охраной автомобиле разрывается цепь зажигания. Любое несанкционированное проникновение при включенной охране ведет к срабатыванию сигнализации.

При срабатывании сигнализации происходит следующее:

начинает работать сирена;

габаритные огни вспыхивают;

если двери были открыты и закрыты, происходит повторное запирание замков.

Эти действия продолжаются в течении 60 секунд или до выключения сигнализации кодовым брелком.

После окончания цикла, EXCALIBUR 900JX снова станет на охрану, если все проверяемые точки находятся в пассивном состоянии (двери закрыты и т.д.). Если какая-то точка осталась активна к концу 60 секундного цикла, сигнализация проработает 3 минуты и временно исключит эту точку из под контроля.

При срабатывании внешне зоны ударного датчика от слабых ударов, система, вместо полного срабатывания, подает сиреной три сигнала, мигает габаритными огнями и закрывает замки. После пятикратного срабатывания внешней зоны, эта точка исключается из числа контролируемых.

EXCALIBUR 900JX оснащен противоугонной функцией HIJECK, которая затруднит угон автомобиля даже если злоумышленник завладел кодовым брелком и ключами зажигания. Если этот режим включен, то каждый раз, после включения зажигания активизируется противоугонная схема. Для того, чтобы пользоваться автомобилем, необходимо нажать потайную кнопку по истечении 60 секунд с момента включения зажигания.

В том случае, если этого не сделать, на 53 секунде сигнализация короткими звуковыми сигналами напомнит о том, что не была нажата потайная кнопка. На 60 секунде начинают мигать габаритные огни, и включается сирена. Противоугонную функцию уже нельзя выключить простым нажатием потайной кнопки. На 90 секунде EXCALIBUR 900JX разорвет цепи зажигания и заглушит двигатель автомобиля. Теперь сирена и габаритные огни будут работать до полного разряда аккумулятора. Сбросить противоугонную функцию можно только выключив зажигание и не позднее 5 секунд нажав потайную кнопку.

Если сигнализация была снята с охраны но в течении 90 секунд не открывалась дверь салона и не включалось зажигание, то произойдет повторная автоматическая постановка на охрану. Кроме того, имеется ряд дополнительных функций:

ставить и снимать с охраны все свои автомобили одним брелком;

определить, что произошло с автомобилем в ваше отсутствие;

отключать с помощью брелка ударный датчик;

включать режим «Паника».

Технические характеристики радиоканала:

Рабочая частота 300,1 МГц

Мощность передатчика 8 мВт

Чувствительность приемника 3 мкВ

Радиус действия 30-50 м

Число кодовых комбинаций 1810¹⁸

Интересной разработкой может послужить изделие одной из Российских фирм противоугонная система BLACK BAG.

Работа системы: ложишь в карман карточку, напоминающую водительское удостоверение, садишься в машину, включаешь зажигание, слышишь три коротких звуковых сигнала и пускаешь двигатель. Все - автомобиль снят с охраны без всяких ключей, радиобрелков и клавиш. Если систему не выключить, то через 10 секунд BLACK BUG сделает несколько предупредительных включений сирены. Потом выключит двигатель, но не сразу, а только когда он сбавит обороты до установленного порога. После этого любая попытка пуска блокируется. BLACK BUG периодически проверяет, на месте ли хозяин карточки даже если двигатель не заглушен. Если его не оказалось на месте то смотри выше. Новация в BLACK BUG - способ управления - дистанционный с помощью транспондера. Ключ- «карточка», которая не требует питания. Снимает систему с охраны простым фактом своего присутствия. Достоинства системы:

скрытность от внешних наблюдателей;

карточка-ключ имеет индивидуальный код, который нельзя подслушать.

В качестве дополнительных аксессуаров некоторые сигнализации могут оснащаться пейджерами. Пейджер автомобильной сигнализации представляет собой миниатюрный приемник, который владелец машины носит с собой. При использовании пейджера к автосигнализации подключается передатчик, который включается при срабатывании сигнализации. Сигнал от передатчика улавливается приемником и, в случае совпадения кодов передатчика и приемника, пейджер выдает звуковой сигнал.

Реальный радиус действия пейджеров в условиях города колеблется от 300 до 1000 метров. Они могут работать в диапазонах 27 МГц и 300 МГц при мощности передатчика 1,5…4 Вт и 0,5 Вт соответственно.

Характеристики некоторых моделей пейджеров приведены в таблице1.2.

Таблица 1.2 Характеристики пейджеров.

Наименование модели	Рабочая частота, МГц	Мощность передатчика, Вт
COP 15-107	27	1,5
ENFORSER 5905	27	4
ENFORSER Secopage-35	27	4
ROAD STAR	300	0,5

Некоторые модели пейджеров (ENFORSER Secopage-35) позволяют не только зафиксировать факт срабатывания сигнализации, но и определить по цветовой индикации источник беспокойства (сработал ударный датчик, открыта дверь, капот).

В настоящее время в республике вводится в эксплуатацию комплекс охраны, обнаружения, оперативного розыска и задержания угнанных транспортных средств КОРЗ [20]. При несанкционированном проникновении в транспортное средство, передатчик информационного канала подаёт команду на приёмное устройство владельца, на котором появляется звуковой сигнал, и на приёмную аппаратуру поста ГАИ с фиксацией информации об угоняемом средстве (государственный номер, тип, цвет). Далее с поста ГАИ по командному каналу на угнанном автомобиле через исполнительное устройство включается звуковой сигнал и осуществляется принудительная остановка. Дальность действия по информационному каналу 500-700м., по командному каналу 70-200 м. Радиоохранное устройство владельца “Ахова” комплекса КОРЗ подаёт сигнал тревоги при проникновении в автомобиль, взламывании дверей, багажника, капота, попытке снятия колёс и лобового стекла. Сигнал тревоги подаётся в виде прерывистого звукового и светового (мигание фар) сигналов, используется радиоканал. Имеется возможность дистанционной блокировки и разблокировки канала звукового сигнала тревоги [21].

Утверждение в 1993 году нового европейского стандарта телекоммуникаций I-ETS 300 220 послужило для ряда европейских фирм-производителей электронной техники толчком к разработке целого ряда миниатюрных радиомодулей, позволяющих осуществлять беспроводную передачу цифровой информации на расстояние [22].

Характеристики некоторых модулей приведены в таблице 1.3.

Во время пауз между передачами передатчик рекомендуется выключать. Такое управление производится путём коммутации питающего напряжения (посредством, например, полевого транзистора). При выключении приёмника в паузах между передачами сохраняется возможность диагностирования состояния эфира и определять момент начала передачи благодаря специальному выводу “Carrier Detect” (“Обнаружение несущей”). Для этого управляющая система может включаться на короткие промежутки времени. Если при этом выход “Carrier Detect” переходит в активное состояние, приёмник включают на постоянный приём и осуществляют приём информации. Благодаря малым габаритам и низкому энергопотреблению миниатюрные радиомодули могут эффективно применяться в системах охраны транспортных средств и для их дистанционного управления.

Таблица 1.3. Миниатюрные радиомодули.

Прибор	Функция	Uпит., В	Iпотр.,мА	Скорость предачи, бит/сек.	Дальность,м	Габариты, мм
CDP-TX-01	Передатчик	5,5..10	18	4800	800	36х26х10
CDP-RX-01S	Приёмник	4,5..14	10	4800	800	50х30х8
TXM433A	Передатчик	6..9	10	5000	200	30х20х6
TXM433F	Передатчик	3..4	10	10000	200	30х20х6
SILRX433A	Приемник	4..9	14	5000	200	48х28х6
SILRX433F	Приемник	4..9	14	10000	200	48х28х6
TX-SAW-I.A	Передатчик	4..12	4	2000	30-50	51х16х4
BC-NBK	Приемник	5	3	1000	30-50	38х14х6

2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К СИСТЕМЕ

Требуется разработать радиосистему автономной охранной сигнализации автомобилей. Целью разработки является создание на основе современной элементной базы эффективной системы оповещения о несанкционированных воздействиях на автомобиль, обладающей улучшенными техническими характеристиками и функциональными возможностями.

Назначение разработки -- предотвращение угонов, хищений, разукомплектований и повреждений автомобилей, обеспечение возможности задержания лиц, допустивших эти действия. Так же в системе должна быть реализована возможность контроля доступа на охраняемую стоянку.

Система предназначена для круглосуточной эксплуатации в закрытых помещениях с естественной вентиляцией.

В зависимости от способа выдачи сигналов о проникновении охранные системы делятся на системы автономной, солидарной и централизованной охраны.

Разрабатываемая система должна реализовывать вариант автономной охраны с возможностью, в перспективе, использоваться в централизованной системе охраны.

Так как регламентирование в области разработки радиоэлектронной аппаратуры весьма объёмно и перечисление всех требований может занять много пространства, то будет более разумным перечислить всю совокупность нормативно-технической документации в отдельном перечне [23,24--49]. Основные требования, предъявляемые к проектируемой охранной системе, будут учитываться непосредственно по ходу разработки системы.

На основе использования современной элементной базы (PIC контроллеры, микросхем динамического кодирования/декодирования) и современных принципов организации информационного обмена между разнесенными объектами, необходимо разработать систему охраны, которая будет характеризоваться следующим:

гибкостью (легкость и простота разворачивания, возможность конфигурирования функций);

надежностью (автоматический контроль за состоянием системы, передача информации о автомобиле в режиме «Тревога», реализацией режима антиограбления Anti-Hi-Jack );

расширенными функциональными возможностями и простотой в обращении (автоматическая постановка под охрану, автоматическое запирание дверей);

низкой себестоимостью и экономичностью;

возможностью, в перспективе, централизованного наблюдения за объектами;

возможностью осуществления контроля доступа на охраняемую автостоянку.

Общие требования.

Формировать, получать, обрабатывать и передавать информацию о посягательстве на охраняемый предмет.

Формировать, получать, обрабатывать и передавать информацию о действиях пользователя в отношении режимов работы системы.

Система должна обеспечивать защиту салона кузова, капота, багажника и других частей автомобиля от несанкционированных воздействий, а также препятствовать угону автомобиля.

Вид климатического исполнения бортовых устройств УХЛЗ ГОСТ 15.150-69, приёмника и электронного разблокирующего устройства УХЛ4 ГОСТ 15.150-69.

Общие требования к деталям по ОСТ4 ГО.070.014, к сборочным единицам -- по ОСТ 4.ГО.070.015.

Бортовые устройства системы должны выдерживать без повреждений воздействие механических нагрузок, предусмотренных ГОСТ 3940-84 для изделий устанавливаемых не на двигатель.

Система должна разрабатываться по модульному принципу.

Отдельные блоки системы должны иметь чёткую маркировку, наносимую непосредственно на корпус и содержащую: наименование блока; товарный знак завода изготовителя; порядковый номер.

Сигнально-охранные требования.

1. Детектирование несанкционированных воздействий на автомобиль подлежат следующие действия:

открывание дверей, багажника или капота -- по замыканию контактов датчиков открывания дверей, багажника или капота;

система выдает извещения о посягательстве при получении ею извещений о нарушении шлейфов охранной сигнализации;

снятие стекол, механические воздействия на автомобиль -- с помощью датчика ударов;

проникновение в салон автомобиля -- с помощью УЛЗ датчика проникновения.

2. Для подачи сигнала тревоги должны использоваться:

звуковой сигнал автомобиля;

световой сигнал с помощью габаритных огней автомобиля;

передача в радиоканал сообщения тревоги с информацией об автомобиле;

Сигналы тревоги должны быть прерывистыми с частотой повторения от 0,5 до 3 Гц, длительность звуковых извещений о посягательстве, выдаваемых системой не менее 2с.

3. Управление системой должно осуществляться:

включение -- с помощью клавиатуры в салоне автомобиля, дистанционно с пульта управления;

отключение -- дистанционно с расстояния не менее 0,01 м при помощи кодированного радиоизлучения и клавиатуры в салоне;

включение режима Anti-Hi-Jack с клавиатуры в салоне автомобиля, дистанционно с кодового брелка;

с пульта управления включается также режим «Паника» (включаются звуковое и световое оповещение, блокируется зажигание).

4. Защищённость системы.

элементы и устройства системы, также соединяющая их проводка должны располагаться так, чтобы исключалась возможность повреждения их снаружи автомобиля;

должна быть обеспечена возможность нейтрализации систем из салона автомобиля не предусмотренным способом;

должна быть исключена возможность установления кода устройств путем визуального наблюдения;

в системе не должны применяться способы активного вредного воздействия на человека.

5. Бортовая цепь питания системы должна быть защищена предохранителем.

В системе должна быть реализована противоугонная функция по цепи зажигания и путем блокировки дверей.

Эксплуатационные свойства.

Конструкция отдельных устройств должна предусматривать максимально возможное штатное размещение в автомобиле.

При монтаже устройств должно предусматриваться минимальное количество слесарных работ.

В качестве датчиков открывания должны использоваться:

для дверей -- штатные автомобильные дверные выключатели;

для багажника, капота и других узлов и деталей -- специальные выключатели, конструкция которых должна обеспечивать простоту регулировки на срабатывание.

4. Все электрические соединения устройств системы между собой и присоединения их к электрической цепи автомобиля должны производиться без применения паек с помощью штекерных разъемов или крепежных изделий.

5. Бортовые устройства системы должны питаться от аккумулятора автомобиля напряжением 12 В с минусом на массе.

6. Носимые устройства системы должны питаться от гальванического элемента с суммарной э.д.с. не менее 4.5 В с минусом на массе.

7. Температурный диапазон работы -25+55С.

8. Срабатывание сигнализации и выдача сигнала о тревоге в линию передачи при нарушении любых блокировок, при механическом воздействии и при проникновении в салон должно происходить без задержек.

В системе должна быть предусмотрена индикация режима охраны, включенного состояния или индикация перехода системы из одного состояния в другое.

Требования к приемо-передающим устройствам системы.

В системе должна быть применена система кодирования радиосигнала, обеспечивающая не менее 10⁶ возможных комбинаций индивидуальных номеров.

Входящие в систему радиомодули должны соответствовать Временному Европейскому Стандарту Телекоммуникаций (I-ETS 300 220) для класса 1а:

несущая частота 433,92 МГц;

чувствительность 0,5 мкВ при отношении сигнал/шум 20дБ;

максимальная эффективная излучаемая мощность 10 мВт;

уровень внеполосных излучений передатчика 4 нВт.

При дальнейшем проектировании необходимо руководствоваться техническими требованиями и характеристиками, предъявляемыми к системе.

3.РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ

3.1 Разработка структурной схемы

В результате анализа существующих технических решений и приняв во внимание выдвинутые требования к проектируемой системе была разработана структурная электрическая схема (рис.3.1)

Структурная электрическая схема состоит из двух подсистем: подсистема, устанавливаемая на охраняемом автомобиле (рис.3.1а), и подсистема, находящаяся у пользователя (рис.3.1б).

Рис.3.1а. Структурная схема бортовой подсистемы.



Рис.3.1б. Структурная схема подсистемы носимой.

Первая подсистема содержит центральный блок, датчики открывания дверей, ультразвуковой датчик движения, датчик ударов, сирену, приемник, передатчик, антенну, пульт управления, дешифратор динамического кода. Центральный блок контролирует работу периферийных устройств. На него постоянно поступает информация о состоянии датчиков открывания дверей, датчика ударов, датчика проникновения. Режим работы центрального блока можно задавать пультом управления, находящимся в салоне автомобиля или дистанционно, принятием радиосигналов с подсистемы пользователя с использованием радиоприёмного устройства. По желанию пользователя охранная система производит блокировку дверей и системы зажигания. В случае проникновения или по желанию пользователя центральный блок управляет сигналами сирены и габаритными огнями автомобиля, а так же управляет выводом информации через радиоканал с помощью передатчика. Питание подсистемы автомобиля производится от бортовой сети автомобиля. Подача сигналов тревоги осуществляется с помощью сирены, миганием габаритных огней и через радиопередающее устройство. Радиоприёмное и радиопередающее устройство работают на одну антенну.

Вторая подсистема (пользователя) с помощью устройства управления осуществляет связь с аппаратурой автомобиля через радиопередающее устройство с использованием клавиатуры. Питание данной подсистемы производится от портативного источника.

Две подсистемы, объединенные с использованием радиоканала, образуют радиосистему автономной охранной сигнализации автомобиля.

При работе шифратора и дешифратора динамического кода должна осуществляться их синхронизация. Она происходит следующим образом. На стадии разработки в кодер заносится информация: серийный номер передатчика, код производителя. На основе этих данных по некоторому алгоритму вычисляется ключ шифрования. Чтобы шифратор и дешифратор могли работать вместе, дешифратор должен сначала узнать и сохранить следующую информацию из шифратора в защищенной EEPROM:

серийный номер передатчика;

ключ шифрования;

текущее значение счетчика синхронизации;

код производителя.

Всего в дешифраторе семь слотов памяти, поэтому он может запомнить семь шифраторов.

Схема формирования кода в шифраторе показана на рис.3.2.

Рис.3.2. Схема формирования кода в шифраторе.

Схема процесса дешифрации показана на Рис.3.3.

При приеме дешифратором кода вначале производится проверка на соответствие серийного номера шифратора. Если хоть в одном слоте памяти хранится принятый серийный номер, то шифратор считается опознанным. Дальше используя полученный динамический код и ключ шифрования, сохраненный в слоте памяти, вычисляется переданное синхрочисло. Затем оно сравнивается с сохраненным в памяти синхрочислом.

Рис.3.3. Схема процесса дешифрации.

Далее возможны следующие варианты:

Если полученное декодированное синхрочисло попадает в текущее окно кодов 1 (рис.3.4.), то оно сохраняется и команда выполняется;

Если полученное декодированное синхрочисло вышло за предел текущего окна кодов 1, но внутри блока открытых кодов 2, то оно временно сохраняется и декодер ждет следующего синхрочисла. Если две величины последовательны, то принимается, что счетчик синхронизации шифратора только что вышел из текущего окна кодов 1, но теперь снова там и новое синхрочисло (второе) сохраняется и выполняется команда;

Если шифратор каким-то образом вышел из блока открытых кодов 2, то его надо перезапомнить.



Рис.3.4. Окно кодов.

3.2 Форматы сообщений

В режиме «Тревога» радиопередающее устройство аппаратуры автомобиля излучает периодическую последовательность, содержащую четыре байта адреса (два байта для идентификации цифрового регистрационного номера машины в двоично-десятичном коде и по одному байту на каждую из двух букв в номере машины) и байт проверочного слова (двоичная сумма байтов адреса и байта состояния по модулю 256). Каждый байт начинается стартовым битом и заканчивается стоп-битом. Таким образом, длина сообщения составляет 50 бит информации.

При передаче ключа для выезда/въезда на охраняемую автостоянку передаваемая последовательность содержит три байта личного кода автомобиля и один проверочный байт (двоичная сумма байтов личного кода по модулю 256). Каждый байт также начинается стартовым битом и заканчивается стоп-битом. Таким образом, длина сообщения составляет 40 бит информации.

Для снятия/постановки на охрану, включения режима «Anti-Hi-Jack» и режима «Паника» с носимой подсистемы передается кодовая последовательность.



Рис.3.5. Формат кодовой посылки

Так как в разрабатываемой системе применяется технология динамического кодирования, основанная на использовании специализированных кодера и декодера HCS300 и HCS500 фирмы Microchip, то формат передаваемого сообщения будет определятся данными микросхемами. Структура кодовой посылки изображена на рис.3.5.

Кодовая посылка начинается передачей преамбулы, состоящей из 12 импульсов длительностью 9,2 мс. Далее следует заголовок длительностью 4 мс в котором импульсов нет. Затем передается кодированная часть сообщения, состоящая из 32 бит, длительностью 38,4 мс и фиксированная часть сообщения, состоящая из 34 бит, длительностью 40,8 мс. Завершает кодовую посылку защитный промежуток длительностью 15,6 мс. В результате длительность всей кодовой посылки составляет 108 мс.

Формат передаваемого сообщения показан на рис.3.6.

Рис.3.6. Формат сообщения.

Сообщение состоит из фиксированных данных и шифрованных данных. Фиксированные данные состоят в свою очередь из бита снижения напряжения питания брелка, бита статуса повтора, 4-битного кода клавиши и 28-битного серийного номера. Шифрованные данные несут информацию о коде клавиши (4 бита), о переполнении счетчика синхронизации (2 бита), о дискриминационной величине (10 бит) и текущем значении счетчика синхронизации (16 бит). Эти данные получаются в результате действия алгоритма шифрования KEELOQ.

3.3 Протокол обмена

Передающий радиомодуль может передавать цифровую информацию с максимальной частотой 4800 бит/сек. Максимальная, входящая в эту границу, скорость передачи последовательного асинхронного передатчика на PIC16С73А составляет 2400 бит/сек., следовательно, возьмем скорость передачи информации равную 2400 бит/сек.

При подаче тревожного сигнала выход в эфир осуществляется с учётом анализа наличия несущей в эфире. После освобождения эфира в течение времени передачи одного байта (при скорости передачи информации 2400 бит/сек.) могут начинать выходить в эфир сообщения с автомобилей о тревоге (рис.3.7).

Рис.3.7. Анализ несущей в эфире.

При их отсутствии в течение следующего байта могут начинать выходить в эфир информационные посылки с подсистем пользователя (пультов управления). Если в течение этих двух байтов в эфир никто не выходил, то через восемь байтов начинается контрольная посылка от очередного автомобиля. В противоположном случае (наличие начала сообщения в течение одного из двух контрольных байтов или следующих восьми байтов) алгоритм начинается заново после окончания сообщения, но контрольная посылка при этом выйдет уже через семь байтов и шесть бит, т. е. сдвинется влево на два бита. Это необходимо для приоритетного занятия очереди выхода в эфир, т. к. в данный момент должна была выйти в эфир информация от следующей машины.

Таким образом, сдвигая очередные информационные посылки от автомобилей на 2n битов влево (где n - число раз занятого эфира) в системе сохраняется очерёдность опроса автомобилей. Очевидно, что число невыходов в эфир не может быть больше 32-х раз.

3.4 Расчёт системных показателей

Так как в разрабатываемой системе применяется кодирование ключа, то представляет интерес такой параметр, как его стойкость.

Если предположить, что злоумышленник знает форматы сообщений, но не знает кода для снятия автомобиля с охраны, то ему придётся перебирать код. В передаваемом коде из 66 бит 34 бита фиксированные и их можно узнать с помощью граббера. 32 бита изменяются с каждой новой посылкой. Количество всех комбинаций для бинарного ключа при длине 32 бита определяется выражением

N₂ = 2³² = 4294967296 комбинаций. (3.1)

При этом стойкость шифра можно определить по формуле

W_Ш = N₂х(Т/2), сек, (3.2)

где Т -- время на одну операцию подбора кода.

В нашем случае время на одну операцию подбора кода определяется временем передачи одной кодовой посылки. Как было рассмотрено выше, она составляет 108 мс. Тогда время на подбор кода определяется

W_Ш = 4294967296х[108х 10^-3)/2] = 231928234 сек, (3.3)

или с 2684 суток.

Так как данной системой предполагается оснастить большое число автомобилей, то важным параметром будет являться вероятность сбоя при передаче кодовой посылки для снятия и постановки на охрану автомобилей.

Рассмотрим наихудший вариант - снятие и постановка на охрану автомобилей, находящихся на большой городской автостоянке при условии, что все автомобили оснащены разрабатываемой системой охраны.

Возьмем размеры стоянки 600х600 метров. Стандартное место стоянки одного автомобиля имеет размеры 3х6 метров. При расположении автомобилей на стоянке, как показано на рис.3.8., на площади стоянки может разместиться (6002)/3+(322600)/3= 14800 автомобилей.

Рис.3.8. План автостоянки.

При этом плотность автомобилей, приходящихся на 1 м² n=14800/360000=0,041шт/м² . Так как радиус действия передатчика кодового брелка равен 50 метров, то в окружности этого радиуса окажется 50²0,041=322 автомобиля. Интенсивность пользования кодовым брелком на автостоянке для одного владельца автомобиля л₁ за сутки составляет в среднем около 10 раз. Интенсивность появления кодовых посылок на автостоянке в радиусе 50 м - за сутки составляет л_У=32210=3220 раз. Так как появление кодовых посылок случайно, то для вычисления вероятностных характеристик можно воспользоваться формулой Пуассона:

(3.4)

В нашем случае можно посчитать вероятность не появления ни одной посылки за время передачи Дt:

, (3.5)

где z - среднее число излучений на интервале передачи кодовой посылки:

(3.6)

Подставим это значение в формулу (3.5) и получим значение вероятности равное 0,99598.

На рис.3.9. приведены графики зависимости н₀ от числа автомобилей в радиусе действия кодового брелка при фиксированных значениях л_1, равных 5, 10, 50 и 100 соответственно. На рис.3.10. приведены графики зависимости н₀ от средней интенсивности пользования кодовым брелком л_1, при фиксированных значениях числа автомобилей в радиусе действия кодового брелка, равных соответственно 10, 100, 200, 322, 400.

Рис.3.9.Графики зависимостей н₀ от N.

Рис.3.10. Графики зависимостей н₀ от л_1.

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ

4.1 Выбор микроконтроллера

В проектируемой системе разработке подлежит две подсистемы. Для повышения технико-экономических показателей (стоимости, надёжности, потребляемой мощности, габаритных размеров) и придания изделию таких потребительских качеств как расширенные функциональные возможности, модифицируемость, адаптивность бортовая подсистема строится на базе микроконтроллера.