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无线探测器实际应用中的问题探讨

本文以无线探测器为参考,就节电、自检和监控、网联、抗干扰、编码等方面进行深入浅出的分析,为行业在无线探测方面应用提供一定的参考。
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  无线探测器安装灵活、施工方便,且不会对室内装饰造成损害,这些特点集中表现了无线探测器的优点,是有线探测器难以替代的。但事物总是矛盾的,有利必有弊。与有线探测器相比,无线探测器还有两大弱点。其一,与主机间的通信,由射频信号完成,容易受到干扰。因此要求具有较强的抗干扰能力,即使在比较恶劣的环境条件下,也不会产生误报或漏报警。其二,是供电方式,有线探测器的供电一般由主机提供,所以对耗电量要求不高,不需做更多的限制。但无线探测器要靠电池供电,小体积的干电池存电量有限,为使探测器能长期不间断地工作,就必须尽量减小工作电流。

  从理论上讲,凡是有线探测器所采用的技术,无线探测器都能使用。例如脉冲计数、密封光学系统、温度补偿、对红外传感器和菲涅尔透镜的改进、多元探测、智能模式判断技术等等。只是由于供电方式和无线通信的特点,因此而产生一些特殊的问题。本文仅就这些特殊问题作一些探讨。

  节电问题

  无线探测器既然不能布线由外界供电,唯有靠电池工作,于是延长电池的使用寿命,便成了大问题。一般情况下,至少应保证一副电池持续工作一年以上,甚至达到3至5年,这是比较理想的。早期的无线探测器,由于功耗较大,往往三、四个月就要换一次电池,既增加了系统运行的成本,又给维护工作带来很多不便,而且对系统的可靠性也造成了一定的影响。

  要尽量延长电池的使用寿命,有两个努力方向。一是开源,二是节流。所谓开源,就是增加电池容量,或者改变供电方式。但在探测器体积较小的前提下,电池的容量自然受到限制,不可能随意增大。要改变供电方式,可供选择的有太阳能,接收微波转换等。目前室外周界防护用的主动红外探测器,已有应用太阳能电池的产品,但需配太阳能电池板、可充电电池等,因为体积大,应用受到较大的限制,且不能适应室内探测器的需要。最近也有报导,采用微波供电的方式,可以解决小型电器的用电问题,但目前尚在研究和试验阶段,要满足实用,还需待以时日。显然,此方向的路不宽,要走通相当困难。

  所谓节流,就是力求减少探测器的功耗,目前探测器基本也是采取这个办法。探测器的功耗,决定于几个因素。一是待机电流,即在不发射信号时的工作电流。待机电流的大小取决于选用的组件和电路结构。一般而言,功能的多少与电路的复杂程度是成正比的,电路越复杂,功耗自然也大,这也是之所以一些技术在有线探测器中可用,而在无线探测器中却难以引入的原因。如双鉴探测技术,因工作电流太大,在无线探测器中就用得很少。要降低待机电流,人们更多地是在选用的无器件上想办法,尽量采用集成化程度高的专用微功耗芯片。据笔者所知,目前一些国家的先进产品,待机电流标称值最小为8至10微安,实际检测只有6微安左右,而国内的产品,待机电流达到20微安,已经不错了,两者相差达到3倍以上,而一般的产品,更在40微安以上。

  要降低无线探测器的功耗,很重要的一点是降低发射功耗。为了保证足够的通信有效范围,设计人员一般都会将发射功率选定在国家规定限值内的最大值上。在此前提下,要做到降低工作电流,就要提高发射效率,减少无用功耗。探测器总的发射功率还与发射的间隔时间、一次通信中发射码的重复次数有关。为了提高通信的可靠性,在探测器的设计方案中,一般会采取多次重复发码的方式。重复的次数不同,发射的持续时间就有差异,有的可能是几百毫秒,有的可能达到1分钟以上。看似时间不长,但由于发射电流较大,普遍超过了20毫安,一次通信,相当于待机时间的上千倍,自然影响很大。如何选择重复次数,取决于探测器抗干扰性能的高低,性能好,就可以减少重复次数和发射时间。

  探测器的功耗,与发射的间隔也有很大的关系。在探测器不断被触发的情况下,不可能采用不间断连续报警的方式,一般都会给定一个间隔时间。有线探测器由于没有用电限制,间隔时间可以很短。无线探测器却不同,间隔时间越短,总的功耗越大,电池工作的时间会大大缩短,对于安装在出入口和人员频繁活动的场合,影响尤为明显。但间隔时间过长,虽然减小了总的功耗,却增加了风险,因此需要调整适当。在有的探测器中,这个时间可以通过短路插块改变参数,从而满足不同情况下的需要。

  自检和监控

  探测器向主机报告的内容,除了入侵报警外,至少还应该包括两项。当探测器面盖被打开时,防拆开关动作,向主机发出防拆报警信号;当电池电压低于某一限值时,发出电压低信号。此限值的选取,应该还在探测器可以正常工作的范围内,以便给管理人员一个缓冲和更换电池的时间。

  至于无线门磁、窗磁之类的开关型探测器,因为不能像被动红外探测器一样自动复原,只能在开关到位后,才能恢复正常。为了避免在未到位情况下进行布防,无线门磁或窗磁还应向主机及时报告工作状态变动的情况。

  由于用电量的限制,主机与探测器之间,不可能做到双向和不间断地通信,一般都取单向的,间断式的通信方式。这是无线探测器与有线探测器的主要区别之一。为了能及时了解探测器的工作状况,要求探测器在没有报警的正常情况下,也应该隔一段时间向主机发出一个“在线”信号,主机如果在规定的间隔时间内,一次或连续多次收不到探测器的任何信号,就会作出相应的反应。[nextpage]

  采用单向和间断的模式,不言而喻,会给系统的可靠性带来一定的隐患,系统对探测器的监测是有缝隙的,断续的,且在目前的技术情况下,是难以解决的。之所以多数报警中心将有线报警系统列为主要设备,而无线只是作为补充和辅助手段,不能不说这是重要原因之一。

  主机的监测,除了以上内容外,还可以包括对无线信号强弱的判断,通道环境的分析,如果信号太弱,或者受到同频干扰信号的阻塞,也会引起主机报警。这类似于对有线探测器线路的监测。但这已是报警主机的功能,与探测器本身关系不大。

  抗干扰

  影响无线探测器推广使用的另一个重要原因,是无线干扰。由于受国家相应法规限制,能用于民用的无线波段资源很少,许多无线产品都集中在限定的频段内,如果在同个时段触发,难免会产生一定的干扰。

  为了提高抗干扰能力,除了在元器件选择、印制板设计等方面需遵循一定的规则,信号的调制方式也会产生较大的影响。

  常用的调制方式有调幅制和调频制,即如再生式和超外差式收音机之间的区别。由于调幅制技术含量少,成本低,早期的无线产品,应用不少。但这种方式信噪比低,抗干扰能力差。随着调频制组件的集成化,采用调频制代替调幅制,早已成为大势所趋。然而据笔者观察,目前国内的不少厂家,为了抢夺市场,一味追求低价,仍然采用了调幅的方式,在关系到生命财产安全的安防领域,居然还使用这种落后的技术,不能不说是十分遗憾的。

  要取得较好的抗干扰效果,还可以采取不少技术手段,如高频自我调整抗干扰技术、高速跳频技术、超窄带技术等,但由于成本和体积的限制,真正已用到无线探测器的却不多。在市场上能够看到的产品,确实有个别采用了跳频技术,但由于频率资源有限,所以跳频的空间很小,目前也处于试销试用阶段,效果并不明显。

  还有的探测器采用了频谱扩展技术,简称为扩频技术。其工作原理是把通信信号隐藏在噪声之中,采用很宽的频带形成伪噪声通信,只要对功率进行有效的控制,就可以对合成噪声的波形实施编码和译码,因此也称为伪噪声通信。这种技术,有很强的抗干扰能力。假以时日,相信扩频技术将更为普及。

  编码方式

  常用的报警输出编码方式是PT2262,这种方式保密性差,容易被破解。但因价格低廉,而易被市场接受。

  另一种方式是采用滚动码。滚动码是在传输代码之前采用了先进的非线性位加密技术,产生具有极高保密性的滚动编码。每一次发送的代码都是唯一的、不规则的、且不会重复,使得任何非法捕捉和扫描跟踪等破译手段都难以实现,因而安全性好。

  目前采用的滚动码通信集成电路,将序号、加密密钥及同步计数值等数据加密后,产生32位高度保密的滚动码。其中16位同步计数值每次传输后都要更新,所以加密出来的数据每次都不同。在不知道密钥的情况下,从以前的密码中也无法推知后续的密码。32位的密码再加上34位的明码被一起发送出去,这样的组合达到了7千亿亿之多,一般情况下,是无法破解的。

  由于涉及到对主机的控制,滚动码技术对于无线遥控器,自然显得更为重要。

  网联技术

  为了进一步解决无线探测器存在的缺陷,可以考虑采用基于ZigBee协议的网联系统。ZigBee是一种高可靠的无线数传网络,适合于低速率的数据传输,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点。一是低功耗的双向通信。由于ZigBee的传输速率低,发射功率小,而且采用了休眠模式,因此比较省电。从休眠到启动,转为工作状态,只需几十毫秒,能够满足安防系统必须快速反应的要求。而双向不间断通信的特点,能保证不间断地对探测器实行监测,从而消除无线探测器目前难以解决的隐患。

  二是组网灵活。ZigBee采用自组织网,每一个模块终端在其通信范围内,通过彼此自动寻找,形成一个互联互通的ZigBee网络。终端既可以直接与主控进行通信,也可以通过其它节点进行转发。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象,例如对其所连接的探测器直接进行数据采集和监控,还可以自动中转别的网络节点传过来的数据数据。[nextpage]

  三是可靠和安全。网内通信的路由不需预先置定,而是动态的,是在传输数据前,通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索,分析它们的位置关系,然后选择其中最合理的一条路径进行传输。ZigBee协议应用了碰撞避免策略,可避开各个模块之间发送数据的竞争和冲突,并采用需收发双方确认的数据传输模式, 提供了完善的纠错校验,如果传输过程中出现问题,会进行重发,从而保证数据的可靠传输。ZigBee还采用先进的加密算法,有很好的保密性能。

  由此可见,如果将ZigBee技术引入无线探测器中,必将在技术上产生突破性的进步和发展。但由于成本和产品成熟度等多方面的原因,目前还未能见到在安防领域中的实际应用。

  总结

  无线探测器所具有的灵活、简单、方便、美观的安装方式,是有线探测器所难以取代的。由于受用电方式的限制,目前主机与探测器之间的通信只能是单向的,间断性的,而且在应用各项防误报、漏报技术时,也难以随心所欲;为了提高抗干扰性能,无线探测器需要额外采用多种措施,从而也增加了产品成本。与有线探测器比较,在两者具有基本相同的功能的情况下,无线探测器的成本肯定更高。但在施工中节省的线路和人工成本,可以作一些弥补。

  随着无线技术的发展,高技术产品逐步成熟和完善,可以预料,无线探测器将有一个大的发展,在入侵报警系统中,将起到越来越重要的作用。

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