02 октября 2014
Акустомагнитная технология систем защиты от краж. Основы и принцип работы противокражных систем производства фирмы «Sensormatic»
А.С. Шептуцолов,
Директор ООО «ВидеоРек»
Система Ultra Exit
Все противокражные системы являются приборами бесконтактного обнаружения. Точнее, обнаружения строго определенных меток, заранее закрепляемых на товаре. Способов (технологий) такого обнаружения можно найти, а при необходимости и придумать новых, очень много, но широкое распространение, в качестве противокражных систем, получили всего три технологии:
-
Первая и самая распространенная в России – Радиочастотная технология
-
Вторая и самая малораспространенная – Электромагнитная технология
-
Третья, средняя по распространенности – Акустомагнитная технология. Именно о ней и пойдет речь.
Датой рождения акустомагнитной технологии можно считать 1988-й год, когда Американская компания «Sensormatic» объявила о выведении на рынок противокражного оборудования новой, Акустомагнитной технологии. Одновременно с этим, компания Sensormatic оформила срочный патент на эту технологию бесконтактного обнаружения. Данный патент уже перестал действовать, и сейчас производством систем данной технологии занимаются многие мировые компании.
Начнем с самого начала, название технологии «Акустомагнитная», что это значит? Как мы видим, название технологии состоит из двух слов – Акусто – Магнитная, и в данном случае, это означает, что в ее основе лежит использование магнитных волн (колебаний) в акустическом спектре частот, а точнее, в ультразвуковом спектре – 58 КГц.
Как работает Акустомагнитная технология:
Основой ее работы можно назвать принцип магнитострикционных свойств металла, из которого изготовлена бирка – датчик, который необходимо обнаружить. Именно с изобретения принципиально новой бирки и берет начало вся Акустомагнитная технология. Изначально, у инженеров Sensormatic не было задачи создать что-то принципиально новое, они искали пути модернизации и развития уже существующих, и неплохо себя зарекомендовавших, антикражных систем Радиочастотной и Электромагнитной технологии. К большому сожалению, Радиочастотные системы не очень подавались улучшению, но вот электромагнитная технология имела куда больший потенциал для развития.
Стоит отметить, что в начале 2000-х, компания Sensormatic вообще прекратила работу с Радиочастотной технологией.
И так, в ходе исследований, экспериментов и большой теоретической работы, инженерами компании был открыт новый способ обнаружения уже привычной Электромагнитной бирки.
В Электромагнитной технологии обнаружение бирки идет за счет возникновения гармоник частоты накачки. Очень грубо это можно выразить так: Антенны излучают электромагнитные волны с частотой, скажем, 100Гц. При внесении специальной бирки-датчика в это поле, из-за особых свойств сплавов металла в этой бирке, вокруг нее образуется 2-я гармоника той самой частоты накачки, которая уже составляет 200Гц. Остается только проверить, существует ли в радиусе действия систем источник Электромагнитных волн частоты 200Гц. К сожалению, такой принцип работы систем крайне мало эффективен. Многие компании пытались улучшить системы данной технологии, но так никому и не удалось превысить расстояние прохода между рамками свыше 1,2 метра. Даже и этого предела достичь очень сложно. Как правило, такое становится возможным только в очень спокойной окружающей Электромагнитной обстановке и при очень мощной накачке рабочей частоты.
Инженерам кампании Sensormatic удалось открыть другой способ обнаружения противокражной бирки, основанный на принципе не возникновения гармоник, а затухающего отклика от бирки на тех же частотах. Вот только частоты электромагнитных систем не очень для этого подходили в основном из-за огромного количества потенциальных источников помех. По этой причине и была увеличена рабочая частота систем до ультразвука.
Но это не единственное изменение, которое пришлось внести в основу действия данного Антикражного оборудования. Для возникновения постепенно затухающего отклика на той же частоте, в конструкцию бирки был добавлен еще один элемент – постоянный электромагнит. Также пришлось изменить саму конструкцию бирки – корпус и пропорции.
Рассмотрим конструкцию противокражной бирки Акустомагнитной технологии:
Бирка MiniUltra Strip III on sheet barcode
Принцип работы Акустомагнитной этикетки:
Этикетка-бирка состоит из трех основных элементов.
-
Магнитострикционная полоска. Выполнена из сплава металла определенного состава, который обладает сильным магнитострикционным действием. Не намагничивается. В этикетке она расположена в нижней части и зафиксирована клеем. Ее роль в работе этикетки: при попадании в электромагнитное поле рабочей частоты, она создает сильное переменное магнитное поле вокруг себя.
-
Металлические полоски – постоянный магнит. В данном случае их две, но вторая добавлена только для усиления эффекта. Выполнены из сплава определенного состава, который легко поддается намагничиванию и размагничиванию. В рабочем состоянии этикетки данные полоски слегка намагничены и выполняют роль постоянного магнита. Когда Магнитострикционная полоска образует вокруг себя переменное магнитное поле, постоянный магнит начинает механически колебаться в такт частоте этого поля. При выключении передатчика системы Магнитострикционная полоска уже не создает магнитного поля, однако колебания постоянного магнита еще продолжаются, и уже они начинают возбуждать появление переменного магнитного поля в магнитострикционной полоске. Колебания продолжаются совсем недолго и по убывающей траектории. Именно этот быстро-затухающий сигнал улавливает приемник противокражной системы. При деактивации специальным устройством – Акустомагнитным деактиватором, полоски постоянного магнита размагничиваются и перестают работать. В жесткой бирке – датчике, постоянный магнит выполнен из другого материала и не может быть размагничен. Поэтому такие датчики являются недеактивируемыми.
-
Корпус этикетки выполнен из прочного, но очень тонкого пластика, вверху которого сформирована область свободного размещения постоянного магнита, это сделано для того, чтобы постоянный магнит мог свободно перемещаться (вибрировать). В нижней части корпуса располагается магнитострикционная полоска, залитая клеем. Основание корпуса (тыльная сторона) также снабжена клеевым слоем (двухсторонний скотч 3М), который обеспечивает приклеивание этикетки к товару.
Все части этикетки специально рассчитаны и подобраны таким образом, чтобы эффект каждой из ее частей был максимальным. Резонансная частота всей бирки в целом, сопоставима с рабочей частотой противокражной системы, что обеспечивает максимально необходимый эффект.
Для простоты восприятия, бирку можно представить в виде камертона. Когда вы ударили по камертону, то оказали на него воздействие, в следствии чего камертон начал вибрировать. После удара эти вибрации еще продолжаются некоторое время и постепенно затухают.
Таким образом, при попадании этикетки в Электромагнитное поле противокражной системы бирка начинает свою работу, но так как частоты ее работы полностью соответствуют частотам работы передатчика, уловить ее наличие в поле невозможно – сигнал передатчика, в любом случае, будет мощнее. Для того, чтобы бирку можно было обнаружить, происходит выключение передатчика и включение приемника. За счет того, что это переключение происходит очень быстро, а бирка еще некоторое время продолжает свою работу, приемнику системы удается отследить наличие затухающего сигнала от бирки.
Рассмотрим более подробно, как это происходит:
Система работает периодами. Частота периодов – 75Гц. Один период включает в себя 3 основных такта (окна).
Один период работы Акустомагнитной системы Sensormatic
-
Tx. – Окно передатчика. Накачка идет на рабочей частоте – 58КГц.
-
Rx-1. – Окно приемника – Окно полезного сигнала.
-
Rx-2. – Окно приемника – Окно шумовое.
|
Окно передатчика служит для возбуждения бирки, после его выключения, система делает небольшую паузу, которая необходима для исключения возможных остаточных явлений работы передатчика и включает первое приемное окно – Rx-1. Это окно полезного сигнала, т.е. если в зоне действия системы есть бирка, в этом окне будет четко виден ее затухающий сигнал. Затем снова идет пауза, во время которой должен полностью пропасть сигнал от бирки. Далее снова включается окно приемника – Rx-2. В этом окне система измеряет естественный шум. Время каждого из трех окон составляет около 1.7 ms. Время всего периода – 13.3 ms. Периоды разбиты на группы по четыре, где 4-й период, так называемый, период тишины, в котором не включается передатчик Tx. Он существует для исключения ложных срабатываний. О нем чуть позже.
Ниже дано представление о том, как выглядит затухание сигнала от бирки:
Затухающий сигнал от бирки Sensormatic
Логика обработки полученных результатов основана на вычитании значений полученных в окне Rx-1 минус значения окна Rx-2. Полученная, положительная разность и является основанием полагать, что в поле действия системы находится бирка. Т.е. – Соотношение Сигнал-Шум.
Замечание: Существует еще одно окно – Синхронизации, оно располагается между окнами Rx-1 и Rx-2. О нем и о частоте периодов 75 Гц, мы поговорим позже, т.к. все это относится к синхронизации систем, а не к принципу работы.
Конечно же, не все так просто. Соотношение Сигнал-Шум является только одним из критериев анализа. В современных противокражных системах Sensormatic добавлено, как минимум, еще 10 дополнительных критериев. Но даже и в самых первых системах, тревожная сигнализация включалась не сразу, а только после последовательного анализа нескольких периодов, и если хоть в одном из них система не получала положительной разницы соотношения Сигнал-Шум, тревога не выдавалась.
Стоит отметить, что в программе настройки противокражных систем имеется огромное количество всевозможных дополнительных настроек анализа и реагирования на ситуацию. И с каждым новым релизом своих систем, компания Sensormatic добавляет их все больше и больше.
Одним из таких добавленных критериев проверки стал «Период тишины»:
Период тишины в системах Sensormatic
Данный рисунок приведен из официальных документов Sensormatic.
Этот критерий был добавлен в алгоритм работы систем Sensormatic еще в 80-ых, когда стало понятно, что данная технология подвержена слишком частым ложным срабатываниям.
Таким образом, перед тем, как выдать сигнал тревоги, система делает проверку четырех последовательных периодов. Если в первых трех подтверждается наличие бирки по соотношению Сигнал-Шум, то в четвертом система не включает передатчик, соответственно, отклика от бирки уже быть не может. Если же система и в этом периоде фиксирует наличие такого отклика, логика системы воспринимает такой сигнал – помехой, сигнал тревоги не выдается. В более поздних версиях систем, основываясь на этот критерий, появилась дополнительная функция – обнаружение постановщиков помех, так называемых «Глушилок» или «Jammer».
Одна такая группа из 4-х периодов названа «Hit», при настройке систем можно выбрать количество таких проверок — Hit-ов.
Теперь о самой важной и, наверное, самой сложной функции противокражных систем Акустомагнитной технологии – синхронизация систем.
Необходимость синхронизации располагающихся поблизости систем присутствует во всех трех основных технологиях, но в Акустомагнитной эта необходимость выражена в гораздо большей степени. Это обусловлено 2-мя факторами:
-
Полезный сигнал от бирки практически ничем не отличается от сигнала передатчика другой системы – он той же частоты и не имеет дополнительных модуляций. Соответственно, если сигнал передатчика одной системы будет попадать в приемные окна другой системы, он вызовет большие проблемы.
-
Рабочая частота противокражной системы, 58КГц., очень хорошо распространяется по эфиру, а зачастую, еще лучше по металлоконструкциям зданий. Сигнал одной системы может оказывать влияние на другие системы на расстоянии до 50-ти метров, в зависимости от направленности антенн и расположения коммуникаций.
Пример необходимости синхронизации систем Sensormatic
На приведенном рисунке наглядно показано, что при отсутствии синхронизации, окно передатчика системы X-2 может четко попадать в окно приемника системы X-1, а передатчик последней, в свою очередь, будет попадать в шумовое окно системы X-2. Таким образом, система X-1 в зависимости от настроек либо будет давать ложные срабатывания, либо не увидит слабый сигнал от бирки, т.к. он может оказаться меньше принимаемого сигнала от передатчика системы X-2. В свою очередь, в системе X-2 будет забито шумовое окно, что не приведет к ложным срабатываниям, но и не даст системе увидеть положительную разницу соотношения Сигнал-Шум при слабом сигнале от бирки. Соответственно, это не позволит настроить систему на максимальную чувствительность.
Чтобы избежать негативного влияния систем друг на друга, как уже было описано ранее, во всех противокражных системах, всех трех технологий, существуют варианты их синхронизации. В основном, используется проводной способ синхронизации, когда все расположенные рядом системы соединяются кабелем, одна из систем назначается Ведущей, остальные Ведомыми. Ведущая задает все параметры работы, как для самой себя, так и остальных – Ведомых систем.
В случае с Акустомагнитной технологией, такой вариант (проводной синхронизации) тоже возможен, но при условии, что влияние от них расходится на очень большие расстояния, соединить все системы даже небольшого Торгового Центра, как правило, не представляется возможным. Понимая это, инженерами Sensormatic был предложен альтернативный, принципиально новый, способ синхронизации – относительно Фазы питания.
Его смысл очень прост: Напомню, система работает циклами, каждый цикл содержит одно окно Tx и два Rx. Специально для синхронизации систем было добавлено еще одно окно – Синхронизации, которое расположилось между окнами Rx-1 и Rx-2, а частота периодов выбрана – 75Гц. Периоды разбиты на группы по 4.
При работе системы, за опорный (задающий) сигнал берется синусоида фазы питания 50Гц. Система анализирует этот сигнал, синхронизируется с ним и начало каждого четвертого периода начинается одновременно с положительным переходом синусоиды питания через ноль. Расположение окна синхронизации и частота периодов – 75Гц, выбраны не случайно, а специально рассчитаны и подобраны под 3-х фазные сети с частотой 50Гц, где синусоида, пофазно, сдвигается на 120 градусов.
Один период работы системы Sensormatic
Так выглядит один период работы системы. Данный рисунок приведен из официальных документов Sensormatic.
Окно синхронизации «Sync window» не является приемным или еще каким либо, это просто временной отрезок, который предназначен для сигналов сторонних систем, работающих со сдвигом на 120 градусов. Сигнал в этом окне анализируется только в программных средствах, относящихся к синхронизации.
Рассмотрим вариант установки систем на трех различных фазах:
Работа систем Sensormatic на трех различных фазах
Как видно из этого рисунка, первая система, подключенная на фазу А, полностью синхронизирована с системой, подключенной на фазу С (240 градусов). А вот система подключенная на фазу В, выбивается из общей картины, но окна передатчиков всех трех систем никак не пересекаются с приемными, они попадают в окна синхронизации. Таким образом, полностью исключается влияние систем друг на друга даже при условии подключения на различные фазы питания.
По задумке Sensormatic, проблема синхронизации была полностью исключена. Но, это – «по идее». По факту, все оказалось не так просто.
Во первых, во всех системах Sensormatic, переворот вилки в розетке соответствует сдвигу по фазе на 180 градусов. Зачастую, сами сотрудники магазина переворачивают вилку, даже не подозревая о существенном нарушении синхронизации систем.
Во вторых, в России появилось очень много различных компаний – установщиков. Многие «инженеры» вообще не представляют, что такое синхронизация и зачем она нужна, что, в свою очередь, влечет за собой беспорядочные программные сдвиги по фазе в системах, подстроиться под которые бывает очень сложно.
В третьих, компанией Sensormatic было выпущено несколько устройств (деактиваторов), у которых слегка отличался алгоритм работы, их начало периода не совсем соответствовало началу периода противокражных систем, что заставляло делать программный сдвиг по фазе для их полной синхронизации.
И в четвертых, после окончания действия патента Sensormatic на Акустомагнитную технологию, все чаще в магазинах можно наблюдать Акустомагнитные системы других производителей. К большому сожалению, алгоритм их работы сильно отличается от Sensormatic’овского, и идеальной синхронизации можно не добиться вообще.
Также существуют ограничения, продиктованные самим производителем и связанные с методом синхронизации по фазе питания:
-
Частота питания 50Гц +- 1%. Точных данных найти не удалось, однако по факту известно, что при уходе частоты за пределы допустимости в 1% системы отключают передатчики и выдают ошибку о потере синхронизации. Если отклонение носит постоянный характер – системы не будут работать вообще.
-
Частота должна быть стабильна, а ее изменения должны быть плавными. При частых и резких скачках частоты, системы также теряют синхронизацию, выключают передатчики и выдают ошибку. При стабилизации частоты, работа систем восстанавливается автоматически.
-
Фаза питания должна быть «чистой», без помех, особенно импульсных. Запрещено подключение на одну линию с противокражными системами любого дополнительного оборудования. Линия должна идти от отдельного автомата.
-
Должно быть хорошее заземление. Разница потенциалов между 0 и землей не более одного Вольта.
-
Частота фаз не должна меняться относительно друг друга. Запрещается подключать системы на бесперебойные источники питания, в которых собственный генератор работает в постоянном режиме (On-Line), если только его входящая частота не синхронизируется с исходящей. Также запрещается подключать системы на разные генераторы, если они не синхронизированы между собой. Запрещено подключение на разные фазы, имеющие сдвиг относительно друг друга отличный от 120 градусов.
Эпилог
За всю мою практику (более 10-ти лет), я всего три раза сталкивался с полным отсутствием возможности синхронизировать системы без вмешательства в электросети.
-
Небольшой магазинчик в Москве, на первом этаже жилого дома. Система была подключена на бесперебойный источник питания (On-Line), а деактиватор на кассе – в обычную розетку. Долго разбирались в чем же дело, пока не проверили фазировку систем и деактиватора. Получалось, что частота питания деактиватора «плыла» по отношению к частоте питания системы. К сожалению, данный бесперебойник не «тянул» еще и деактиватор, так как в момент деактивации бирки его потребление подскакивает до 10-ти А.
В итоге, хозяину пришлось вызвать специалистов по бесперебойникам. Они настроили ИБП так, что частота питания, входящая и исходящая синхронизировались, соответственно удалось синхронизировать и систему с деактиватором.
-
ТЦ Мега в Санкт-Петербурге. Там, Торговому Центру никак не удавалось договориться с Электросетями о подключении к ЛЭП, администрацией было принято решение, временное, запустить весь торговый центр от дизель-генераторов. В итоге, наверное четверть парковки была занята контейнерными генераторами, на которых ТЦ проработал около года. Этот год был кошмаром для всех инженеров-противокражников. Буквально соседний магазин мог оказаться на другом генераторе, а общее количество фаз, по всему ТЦ, вообще сложно представить. Так как все это было сделано по временной схеме, электрики еще и постоянно все переключали, меняли и т.п.
Итог: Практически все Акустомагнитные системы Торгового Центра, в течении года, работали с ОГРОМНЫМИ перебоями. После подключения ТЦ к внешней сети все наладилось и нормально работает до сих пор.
-
Торговый центр ХХХХХХХХ (не буду выдавать название, т.к. проблема до сих пор не решена) в Ростове-на-Дону. ТЦ вообще не имеет подключения к внешней сети и собственноручно вырабатывает электроэнергию для своих нужд по средствам газа-генераторов. К большому сожалению, пока точно не известно, что там и как, и тем более не понятно, удастся ли когда-нибудь решить эту проблему. Процесс выяснения ситуации только начался. Сейчас точно можно сказать только о наличии разных фаз, частоты которых «Плавают» относительно друг друга. Соответственно, синхронизировать Акустомагнитные системы нет никакой возможности. Системы работают не стабильно, постоянно оказывая влияние друг на друга.
Но есть и один позитивный момент в этой ситуации с ХХХХХХХХом – именно она подвигла меня на написание этой статьи.
Опубликовано на Video-rec.ru
