МНОГОЗОНАЛЬНАЯ РАДИОВОЛНОВАЯ СИСТЕМА ТРЕВОЖНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК G08B13/24 

Изобретение относится к области тревожной сигнализации, а именно к устройствам радиоволнового обнаружения нарушителя (человека, транспортного средства и т.д.), вторгающегося на контролируемую территорию (зону обнаружения), и передачи сигналов тревоги (сообщений) на удаленные пульты управления (охраны) по беспроводным радиолиниям связи.

Известны радиоволновые системы сигнализации, основанные на принципах построения беспроводных радиолиний двухпозиционной беспроводной связи, когда на одной стороне радиолинии размещают «дискретную» передающую антенну, размеры которой много меньше протяженности радиолинии, и радиопередающий блок, а на противоположной стороне линии - такую же приемную антенну и радиоприемный блок. Для передачи сообщений радиопередающий блок реализует функции кодирования передаваемого сообщения, функцию модуляции и генерации амплитуды передаваемого через передающую антенну высокочастотного (ВЧ) зондирующего сигнала, а радиоприемный блок реализует функции: прием ВЧ сигнала через приемную антенну, его детектирование, декодирование и отображение принятого информационного сообщения. Для использования радиолиний в качестве «датчика обнаружения» (сенсора, детектора, извещателя и т.д.) применяют радиолинию, в которой радиоприемный блок анализирует принятый через приемную антенну зондирующий ВЧ сигнал и реализует: функцию детектирования огибающей амплитуды интенсивности (мощности) ВЧ сигнала; функцию выделения низкочастотного (НЧ) сигнала в форме модуляции амплитуды принимаемого ВЧ сигнала, возникающей при движении нарушителя (Н) в существенном для распространения радиоволн пространстве между передающей и приемной антеннами; функцию сравнения амплитуды НЧ сигнала модуляции с заданным порогом обнаружения; функцию формирования сигнала тревоги при превышении амплитудой НЧ сигнала порогового уровня. Пространство между антеннами, в котором реализуется обнаружение нарушителя, обычно называют «зоной обнаружения двухпозиционного радиоволнового датчика». Перечисленными техническими признаками, например, обладает устройство по патенту RU №2155382 МПК7 G08B 3/24 от 15.06.1998. Совокупность радиолиний беспроводной связи, используемую для передачи сообщений между элементами системы сигнализации, и радиопульты управления, используемые в системе, обычно называют «транспортной радиосетью» (radio transport networks). Группу линий радиосвязи, используемых в качестве «датчиков обнаружения» с радиопультом управления иногда называют «кластером датчиков сенсорной радиосети» (claster radio sensor networks).

Сходными признаками настоящего изобретения с упомянутыми выше устройствами являются: двухпозиционный радиоволновой способ обнаружения нарушителя, радиопульт управления, блоки радиопередающий и радиоприемный, дискретные антенны, двухпозиционный радиоволновой датчик обнаружения, транспортная радиосеть для передачи сообщений и команд управления.

Недостатки ранее упомянутых устройств состоят в их ограниченных функциональных возможностях по применению, обусловленных: использованием в сенсорных радиосетях только дискретных антенн; использованием в радиолиниях способа односторонней асинхронной радиосвязи: использованием двойного комплекта аппаратуры для организации радиосетей с однонаправленной передачей сообщений и сенсорных радиосетей для однонаправленного обнаружения нарушителя в качестве датчиков обнаружения.

Эти недостатки частично устранены в известном и наиболее близком по сущности к настоящему изобретению устройстве: «Способ и устройство комбинированного обнаружения нарушителя и передачи сигналов радиосообщений», описанном в патенте RU №2319211 C2 МПК G08B 13/24 от 10.03.2008. Это устройство представляет собой мобильную систему тревожной сигнализации. Техническим результатом этого устройства является возможность комбинированного использования одной и той же радиолинии и для цифровой транспортной радиосети связи на основе времяпозиционного цифрового кода с двусторонней передачей радиосообщений, и для двухпозиционного двустороннего обнаружения нарушителя в качестве датчика сенсорной радиосети связи. Устройство содержит радиопульт управления, набор дискретных антенн и набор из «N» конструктивно автономных периферийных приемопередающих блоков обнаружения, содержащий каждый программируемый контроллер для цифровой обработки обнаруживаемых сигналов и для цифрового кодирования и декодирования передаваемых и принимаемых сообщений. Приемопередающие блоки и радиопульт управления с антеннами организуют в пространстве синхронную систему беспроводных радиолиний для двусторонних адресных обменов информационными сообщениями с возможностью управления режимами работы приемопередающих блоков со стороны радиопульта и работой пульта со стороны блоков на основе общеизвестных стандартных протоколов цифровой радиосвязи и времяпозиционного кода. Радиопульт и периферийные блоки выполнены в автономных модульных конструктивах. Каждый модуль (М) содержит: блоки радиоприемный и радиопередающий, объединенные в приемопередающий блок; антенный ВЧ коммутатор для поочередного подключения блоков к одной и той же дискретной приемопередающей антенне, работающей или «на передачу», или «на прием»; и программируемый цифровой контроллер. Такие модули в дальнейшем будем называть «радиомодемами». Формируемые между антеннами беспроводные радиолинии являются одновременно двухпозиционными двухсторонними зонами обнаружения и двухсторонними радиолиниями связи. Пространство, контролируемое кластерной группой датчиков обнаружения, называют «зоной кластера обнаружения». Совокупность зон кластеров обнаружения составляет «зону обнаружения системы сигнализации». Радиомодем, входящий в состав радиопульта, будем называть «радиомодемом управляющим», а радиомодемы, входящие в сенсорный кластер, - «радиомодемами периферийными». По функциональному назначению любой радиомодем может быть управляющим или периферийным, в зависимости от заложенных в память контроллера программируемых функций протоколов сетевого управления, например: «координатора» (pan-coordinator, klasterhead), маршрутизатора (router), ретранслятора (retranslater) и ряда других. Эти функции известны и стандартизированы международными протоколами управления мобильной цифровой радиосвязью (см., например Шахнович И.В. «Современные технологии беспроводной связи» / монография // М.: - «Техносфера», 2006 г., 287 с.»).

Сходными признаками вышеупомянутого устройства с предметом настоящего изобретения являются: дискретные антенны; центральный радиопульт управления (ЦПУ); радиомодемы периферийные и управляющие, содержащие каждый антенный переключатель, блок радиопередающий, блок радиоприемный и цифровой программируемый контроллер управления; сенсорная и транспортная радиосети.

Основным недостатком упомянутого устройства являются ограниченные функциональные возможности по применению на участках периметров объектов нелинейной формы и на поросшей растительностью местности с пересеченным рельефом. Этот недостаток определен тем, что дискретные малогабаритные антенны, выполненные в виде радиоволновых диполей или фазированных решеток, с размерами много меньшими линейных размеров зоны обнаружения, формируют в пространстве прямолинейные зоны из-за прямолинейности хода распространения радиолучей в свободном пространстве. Линейные зоны легко сопрягаются по пространству с линейными участками формы периметра на плоской подстилающей поверхности грунта. На пересеченных участках местности допустимые по протяженности линейные размеры зон резко уменьшаются и использование кусочно-линейного метода сопряжения зон обнаружения с нелинейными по форме участками контролируемого пространства приводит к существенному увеличению аппаратных и материальных затрат.

Известны двухпозиционные радиоволновые датчики обнаружения, основанные на использовании «распределенных» антенн с длиной, много большей длины радиоволны и соизмеримой по протяженности с длиной зоны обнаружения датчика. Подобные антенны обычно представляют собой «линии поверхностных волн» в форме волновода с излучением радиоволн в окружающее волновод пространство. Таким волноводом, например, является гибкий радиочастотный коаксиальный кабель, содержащий центральную проводную жилу, окруженную электропроводным цилиндрическим экраном с периодически прорезанными в экране радиопрозрачными щелями по его длине. Часть проходящей по кабелю ВЧ энергии излучается через щели в окружающее кабель пространство. Такой кабель называют «кабелем вытекающих волн (КВВ)» (leaky wave cabels).

Известна система обнаружения, например, описанная в патентах Великобритании: №1497867 МПК G08B 13/24 (НКИ кл. G4N) от 12.01.1978 и №1552777 МПК G0BB 13/24 (HKH кл. G4N) от 01.01.1980, представляющая собой двухпозиционный радиоволновой датчик обнаружения на распределенных антеннах. Сенсорная радиолиния образована двумя распределенными антеннами в форме отрезков КВВ, размещенных вдоль контролируемого участка под поверхностью грунта на глубине 0,1…0,5 м на расстоянии 1,5…2,5 м один от другого. К одному отрезку подключен радиопередающий блок, ко второму - радиоприемный блок. Технический результат: сенсорная радиолиния (зона обнаружения датчика) формируется в пространстве между распределенными антеннами в форме отрезков кабеля вытекающих волн, прокладываемых вдоль участка параллельно. Зона легко сопрягается с нелинейной формой периметра участка и его неровной подстилающей поверхностью. Подобные антенны в метровом диапазоне радиоволн могут работать из-под поверхности земли и на открытом воздухе через лиственную растительность.

Сходные технические признаки с признаками настоящего изобретения: сенсорная двухпозиционная радиолиния связи, радиопередающий и радиоприемный блоки, распределенные антенны на основе кабеля вытекающих радиоволн.

Основным недостатком указанного устройства является отсутствие технических признаков, позволяющих: сформировать многозональные сенсорную и транспортную радиосети с двусторонними направлениями радиосвязи в комбинациях: «распределенные антенны - распределенные антенны»; «распределенные антенны - дискретные антенны» и осуществить беспроводную передачу сообщений на удаленный радиопульт. Это ограничивает функциональные возможности устройств по применению в системах тревожной сигнализации на объектах охраны.

Целью настоящего изобретения является устранение упомянутых недостатков, а именно: расширение функциональных возможностей многозональных радиоволновых систем тревожной сигнализации по применению в охране на периметрах объектов нелинейной формы на участках пересеченной, поросшей растительностью местности.

Для достижения указанной цели в настоящем изобретении поставлена следующая техническая задача: ввести в устройство новые технические признаки, позволяющие обеспечить возможность организации многозональной системы обнаружения путем комбинированного использования беспроводных радиолиний связи на основе дискретных и распределенных антенн.

Эта техническая задача, согласно настоящему изобретению, решается тем, что в многозональную радиоволновую систему тревожной сигнализации, содержащую центральный радиопульт управления, набор периферийных радиомодемов связи и разнесенных в пространстве «дискретных» антенн, каждая из которых подключена к ВЧ выходу одного из упомянутых радиомодемов; упомянутые дискретные антенны, попарно синхронно включаемые через соответствующие радиомодемы в режимы работы «передача - прием», создают в пространстве радиосеть беспроводных радиолиний двухсторонней связи типа «дискретная антенна - дискретная антенна» для передачи сообщений и формируют локальные двухпозиционные радиоволновые зоны обнаружения нарушителя, причем протяженность упомянутых зон много больше габаритов «дискретных антенн», а их пространственная совокупность локальных зон является зоной обнаружения системы в целом, введен дополнительный набор «распределенных» антенн, выполненных в виде отрезков радиочастотного коаксиального «кабеля вытекающих волн» с подключенными к противоположным концам отрезков периферийными радиомодемами, причем длина отрезков упомянутого кабеля соизмерима или равна протяженности локальной зоны обнаружения. Центральный радиопульт управления на основе двухстороннего цифрового программируемого управления синхронными режимами работы «прием - передача» периферийных радиомодемов и антенн формирует в многозональной системе дополнительные двухсторонние сенсорные радиолинии связи типа «дискретная антенна - распределенная антенна», «распределенная антенна - распределенная антенна», сопрягаемые по пространству с нелинейными формами рельефа контролируемых участков пересеченной местности.

Работа устройства, согласно настоящему изобретению, поясняется на фиг.1-3.

На фиг.1а, 1б, 1в - представлены пространственные схемы, иллюстрирующие вариант структуры многозональной радиоволновой системы тревожной сигнализации как комбинированную совокупность радиолиний транспортной и сенсорной радиосетей беспроводной связи, организуемых по принципу «дискретная антенна - дискретная антенна».

На фиг.2а, 2б, 2в - представлен аналогичный вариант структуры радиосетей, организуемых по принципам: «распределенная антенна - распределенная антенна», «распределенная антенна - дискретная антенна».

На фиг.3а, 3б - представлена структура радиосетей демонстрационного образца многозональной системы тревожной сигнализации.

На указанных фигурах использованы следующие обозначения: «Н» - нарушитель; «MN» - модуль М радиомодема связи с адресом N; КВВ - отрезок кабеля вытекающих волн (распределенная антенна); А - дискретная антенна; - модуль радиомодема периферийного; - модуль радиомодема управляющего; «M1↔М2» - радиолиния двухсторонней беспроводной связи между радиомодемами с адресами «1», «2»; - центральный радиопульт управления; ЗО - зона обнаружения; l - размер «дискретной» антенны; L - размер «распределенной» антенны; l<<L.

Сущность принципа действия, предложенного в настоящем изобретении устройства определяется комбинированным способом пространственной организации двухпозиционных транспортных и сенсорных радиолиний беспроводной связи типа: «дискретная антенна - дискретная антенна», «дискретная антенна - распределенная антенна», «распределенная антенна - распределенная антенна».

На фиг.1а приведена пространственная структура беспроводной радиолинии типа «дискретная антенна - дискретная антенна», организуемой в пространстве между двумя разнесенными дискретными антеннами А, размещенными на некоторой высоте над подстилающей поверхностью грунта. Линейный размер антенны А много меньше протяженности контролируемого участка L. При работе модуля M1 в режиме «передачи», а модуля М2 в режиме «приема» в упомянутом пространстве формируется односторонняя транспортная радиолиния связи для передачи сообщения M1→М2 и однонаправленная сенсорная радиолиния связи для обнаружения нарушителя Н, вторгающегося в пространство между антеннами. При работе модуля M1 в режиме «приема», а модуля М2 - в режиме «передачи» формируется однонаправленная радиолиния M1←M2 с противоположным направлением распространение радиоволн, передачи сообщений и обнаружения нарушителя Н. При синхронной поочередной работе модулей M1 и М2 в режимах «передача» и «прием» в пространстве между антеннами организуется двусторонняя линия радиосвязи (M1↔М2) и, это же пространство является локальной двунаправленной «зоной обнаружения» двухпозиционного радиоволнового датчика.

На фиг.1б схематично изображен первый вариант радиосетевой структуры многозональной радиоволновой системы тревожной сигнализации, представленной совокупностью отдельных зон сетевых кластеров обнаружения, центральным пультом управления ЦПУ и транспортными линиями радиосвязи между ЦПУ и радиомодемами управления M1, входящими в состав радиосетей каждого кластера. ЗО кластера представляется пространством между четырьмя дискретными антеннами (l<<L), размещенными, например, в форме четырехугольника на границах контролируемого участка местности. В этом пространстве модуль радиомодема управления M1 координирует синхронность работы модулей радиомодемов периферийных М2, М3, М4 и ретранслирует тревожные сообщения на ЦПУ, организуя в пространстве «ЗО кластера», как совокупность сенсорных зон шести двусторонних радиолиний: M1↔М2; M1↔М3; M1↔М4; М2↔М3; М2↔М4; М3↔М4, каждая из которых, в свою очередь, является совокупностью двух сенсорных зон односторонней связи с противоположными направлениями облучения нарушителя электромагнитным полем.

На фиг.1в представлен вариант многозональной системы сигнализации, предназначенной для сигнального блокирования периметра охраняемого объекта. В этом варианте модели радиомодемов управления M1, М2, …, MN размещены вдоль линии периметра, создавая цепочечную линейно-пространственную сеть локальных сенсорных зон: M1↔М2; М2↔М3; …; M(N-1)↔MN. В этом варианте, при вторжении Н тревожное сообщение формирует лишь одна, например, сенсорная радиолиния М2↔М3, но тревожное сообщение на ЦПУ может быть передано по транспортной радиосети: или по линии (М3→ЦПУ), или по линии (М3→М2→ЦПУ), или по линии (М3→М4→ЦПУ) и т.д., обеспечивая высокую устойчивость сети транспортной радиосвязи системы.

На фиг.2а приведена пространственная схема волноводного датчика с распределенной антенной, представленной отрезком КВВ с длиной L, к концам которого подключены модули радиомодемов M1 и М2, организующие в пространстве вдоль антенны транспортную и сенсорную радиолинии связи M1↔М2. Кабель может быть размещен под поверхностью грунта на небольшой глубине. Необходимо указать, что поскольку большая часть ВЧ мощности проходит внутри кабеля, НЧ - сигнал модуляции при приближении Н к кабелю имеет очень малую амплитуду. Поэтому ЗО волноводного датчика формируется в пространстве вдоль кабеля диаметром всего несколько десятков сантиметров.

На фиг.2б приведена пространственная схема кластера КВВ вида «распределенная антенна - распределенная антенна», представленная двумя отрезками КВВ с подключенными к их концам модулями периферийных радиомодемов M1, М2, М3, М4. В этом варианте энергия ВЧ поля, излученная через оболочку кабелей в пространство между ними, соизмерима с энергией ВЧ поля, рассеянного телом Н, и амплитуда НЧ модуляции существенно возрастает. Это позволяет обеспечить в открытом пространстве между кабелями устойчивую ближнюю радиосвязь на расстоянии 1,0…5,0 и более метров. Зона обнаружения кластера КВВ представлена сенсорными двухсторонними радиолиниями: M1↔М3, M1↔М4; М2↔М3; М2↔М4, - формируемыми в пространстве между КВВ1 и КВВ2, и дополнительными радиолиниями: M1↔М2; М3↔М4, формируемыми вдоль каждой распределенной антенны на КВВ. Технический результат предложенной схемы кластера по сравнению с аналогами, описанными в ранее упомянутых патентах Великобритании №1497867 и №1552777, определен возможностью формирования на контролируемом участке многозональной сенсорной сети в составе двенадцати однонаправленных зон обнаружения вместо одной зоны по упомянутым аналогам. Это обеспечивает принципиальную возможность повышения надежности обнаружения Н по результатам логического анализа потока тревожных сообщений, вырабатываемых многозональной системой при движении Н через зону кластера КВВ.

На фиг.2в приведена пространственная схема кластера комбинированного обнаружения, иллюстрирующая расширенные функциональные возможности многозональной радиоволновой системы тревожной сигнализации, представленной пространственными структурами радиолиний «дискретная антенна - дискретная антенна»; «дискретная антенна - распределенная антенна»; «распределенная антенна - распределенная антенна». Линейная совокупность таких комбинированных кластеров образует в пространстве периметровую зону обнаружения продольно-объемной формы, создаваемую по пространству практически с любыми формами линии периметра и рельефа пересеченной местности.

Совокупная зона обнаружения комбинированного кластера представлена следующими фрагментами. Во-первых, двухсторонними радиолиниями связи зоны обнаружения кластера КВВ типа «распределенная антенна - распределенная антенна» (см. фиг.2б), организованной шестью двухсторонними радиолиниями (M1↔М2; M1↔М3; M1↔М4; М2↔М3; М3↔М4). Во-вторых: двухсторонней радиолинией «дискретная антенна - дискретная антенна» (М5↔М6). В-третьих: четырьмя двухсторонними радиолиниями «дискретная антенна - распределенная антенна» (М5↔M1; М5↔М2; М5↔М3; М5↔М4). В-четвертых: четырьмя двухсторонними радиолиниями «дискретная антенна - распределенная антенна» (М6↔М1; М6↔М2; М6↔М3; М6↔М4).

Технический результат предложенной схемы кластера по сравнению с прототипом (см. фиг.1в), описанном в ранее упомянутом патенте RU №2319211 C2, - определен возможностью формирования на контролируемом участке периметра охраны на местности с пересеченным рельефом комбинированной радиоволновой зоны обнаружения кластера, организованной четырнадцатью двухсторонними радиолиниями связи, вместо одной по упомянутому патенту, с сохранением возможности организации транспортных радиолиний дальней связи » M1↔ЦПУ и М6↔ЦПУ типа «дискретная антенна - дискретная антенна».

Техническая реализуемость настоящего изобретения подтверждена испытанием демонстрационного образца кластера обнаружения для многозональной системы тревожной сигнализации, предназначенной для сигнального блокирования приближения человека к высоковольтным опорам ЛЭП.

Состав кластера образца. На опоре ЛЭП на высоте ≈3,0…7,0 м подвешен модуль радиомодема управления M1 с подключенной дискретной антенной в форме полуволнового диполя с круговой диаграммой радиоизлучения на частотах 35,0…160,0 МГц. Две распределенные антенны в форме отрезков радиочастотного коаксиального кабеля вытекающих волн типа РИ-50-7-11 (ТУ 16705409-85) размещены по кольцевому радиусу (~5,0…10 м) периметра опорной площадки с параллельным смещением ≈1,0…2,0 м между собой. К концам отрезков подключены модули периферийных радиомодемов М2, М3, М4 и М5.

На рис.3б в разрезе по линии движения нарушителя приведены примерные формы локальных зон обнаружения: между двумя распределенными антеннами (см. рис.2б); между дискретной антенной и распределенной антенной КВВ1 (M1↔М3, M1↔М2); между дискретной антенной и распределенной антенной КВВ2 (M1↔М4, M1↔М5). Модули радиомодемов выполнены по известным схемам, приводимым в описании устройства по ранее упомянутому патенту RU №2319211 C2.

Областью применения настоящего устройства являются системы охраны периметров и территорий промышленного и общехозяйственного назначения.

Изобретение относится к области тревожной сигнализации. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей многозональных радиоволновых систем тревожной сигнализации по применению в охране на периметрах объектов нелинейной формы на участках пересеченной поросшей растительностью местности. Для этого в многозональную радиоволновую систему тревожной сигнализации дополнительно введен набор «распределенных» антенн, выполненных в виде отрезков радиочастотного коаксиального «кабеля вытекающих волн» с подключенными к противоположным концам отрезков периферийными радиомодемами, причем длина отрезков упомянутого кабеля соизмерима или равна протяженности локальной зоны обнаружения, а центральный радиопульт управления на основе двухстороннего цифрового программируемого управления синхронными режимами работы «прием - передача» периферийных радиомодемов и антенн формирует дополнительные двухсторонние сенсорные радиолинии связи типа «дискретная антенна - распределенная антенна», «распределенная антенна - распределенная антенна», сопряженные по пространству с нелинейными формами периметра и рельефа контролируемых участков пересеченной местности. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Многозональная радиоволновая система тревожной сигнализации, содержащая центральный радиопульт управления, набор периферийных радиомодемов связи и разнесенных в пространстве «дискретных» антенн, каждая из которых подключена к ВЧ выходу одного из упомянутых радиомодемов; упомянутые дискретные антенны попарно синхронно включены через соответствующие радиомодемы в режимы работы «передача - прием», создают в пространстве радиосеть беспроводных радиолиний двухсторонней связи типа «дискретная антенна - дискретная антенна» для передачи сообщений и формируют локальные двухпозиционные радиоволновые зоны обнаружения нарушителя, причем упомянутая радиосеть разделена по пространству на группы (кластеры) радиолиний, протяженность упомянутых зон много больше габаритов «дискретных антенн», а их пространственная совокупность является зоной обнаружения системы в целом, отличающаяся тем, что в состав системы введен набор «распределенных» антенн, выполненных в виде отрезков радиочастотного коаксиального «кабеля вытекающих волн» с подключенными к противоположным концам отрезков периферийными радиомодемами, причем длина отрезков упомянутого кабеля соизмерима или равна протяженности локальной зоны обнаружения, а центральный радиопульт управления на основе двухстороннего цифрового программируемого управления синхронными режимами работы «прием - передача» периферийных радиомодемов и антенн формирует дополнительные двухсторонние сенсорные радиолинии связи типа «дискретная антенна - распределенная антенна», «распределенная антенна - распределенная антенна», сопряженные по пространству с нелинейными формами периметра и рельефа контролируемых участков пересеченной местности.

2. Многозональная радиоволновая система по п.1, отличающаяся тем, что кластер радиолиний, например, содержит первый радиомодем управления - M1, подключенный к установленной над центром контролируемого участка местности дискретной антенной; первую распределенную антенну в виде отрезка кабеля вытекающих волн, размещенного по поверхности участка в форме кольца вокруг центра участка с подключенными к концам отрезка вторым - М2 и третьим - М3 периферийными радиомодемами связи, соответственно; формирующий в пространстве между распределенной и дискретной антеннами две сенсорные радиолинии двухсторонней связи вида M1↔М2 и M1↔М3 в форме шатровой поверхности конуса каждая, и третью сенсорную радиолинию связи вида М2↔М3, повторяющую форму кольца.