Zastosowanie efektu Dopplera w technologiach alarmowych

Zapewnienie skutecznej ochrony obiektów – domów mieszkalnych, siedzib firm i instytucji oraz budynków użyteczności publicznej – to najlepszy sposób na ograniczenie kosztów i potencjalnych zagrożeń związanych z włamaniami, kradzieżami oraz aktami wandalizmu. Właściwy nadzór w postaci obecnej na miejscu ochrony może zagwarantować niemal stuprocentowe bezpieczeństwo, jednak wiąże się z koniecznością znacznych wydatków ponoszonych na zatrudnianie strażników o odpowiednich kompetencjach. Ponieważ prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest wysokie jedynie w przypadku miejsc, w których przechowywane są wyjątkowo cenne przedmioty, w większości sytuacji tak wysokie nakłady będą zupełnie nieopłacalne, tym bardziej że podobne rezultaty można uzyskać, decydując się na zainstalowanie dobrze skonfigurowanego systemu sygnalizacji włamania i napadu. Urządzenia tego rodzaju korzystając z różnych rozwiązań technicznych – czujek mikrofalowych, czujek nacisku czy barier podczerwonych – współpracujących z centralami błyskawicznie aktywującymi alarm są w stanie zaoferować znakomite efekty przy stosunkowo niewielkiej inwestycji i znikomych kosztach utrzymania systemu. Przyjrzyjmy się bliżej kluczowym elementom systemów alarmowych, zobaczmy jaką funkcję pełnią w nich nowoczesne czujki mikrofalowe oraz sprawdźmy, w jakich zastosowaniach są najskuteczniejsze. 

Skuteczność działania instalacji alarmowej a jej komponenty

Efektywne działanie systemu sygnalizacji włamania i napadu (SSNiW) wymaga skutecznego wykrywania prób wtargnięcia do zabezpieczanego obiektu oraz możliwie szybkiego uruchomienia sygnalizacji alarmowej. Zastosowane rozwiązania muszą więc z jednej strony działać selektywnie, rozróżniając realne zagrożenia od zdarzeń zupełnie przypadkowych, z drugiej w razie spełnienia określonych kryteriów, urządzenie powinno reagować bez żadnej zwłoki. Jest to istotne zwłaszcza wówczas, kiedy w grę wchodzi zagrożenie zdrowia i życia osób przebywających w chronionym budynku lub wtedy, gdy czas reakcji odpowiednich służb lub firmy ochroniarskiej wysyłającej patrol interwencyjny może być wydłużony np. z racji odległości czy mniejszego zagęszczenia obsługiwanych obiektów w danej okolicy.

Na właściwe działanie systemu alarmowego składa się dobre rozmieszczenie wszystkich elementów oraz prawidłowy dobór poszczególnych podzespołów, który ma szansę dobrze odgrywać swoją rolę w określonych warunkach. Planując zabezpieczenie konkretnego obiektu, projektant musi wziąć pod uwagę m.in. możliwość zastosowania dozoru terenu znajdującego się wokół obiektu – czujek wykrywających ruch w pobliżu budynku czy czujek nacisku informujących o zbliżaniu się intruza – a także skutecznej ochrony obwodowej zabezpieczającej wszystkie wejścia i miejsca, które mogą zostać wykorzystane do wtargnięcia do środka. W tym celu najczęściej używane są tradycyjne kontaktrony, czyli czujki magnetyczne, informujące o otwarciu okna, drzwi czy włazu, bariery podczerwieni reagujące na zakłócenie przesyłanych fal, czujki perymetryczne służące do informowania o wibracjach, czy czujki wstrząsów wyposażone w czujniki piezodynamiczne.

Równie ważny jest dobór i rozplanowanie położenia czujek wewnętrznych, które stanowią de facto ostatnią linię obrony, muszą więc wykazywać się najwyższą skutecznością. Sygnały generowane przez urządzenia tego rodzaju, ze względu na krótki czas między wykryciem zagrożenia a dotarciem włamywacza lub napastnika do miejsc, gdzie znajdują się osoby chronione lub wartościowe przedmioty, muszą być szczególnie wiarygodne. Właściwe funkcjonowanie czujek i ich odpowiednia współpraca z centralą alarmową i urządzeniami sygnalizacyjnymi zależy od zastosowanej w nich technologii oraz prawidłowego określenia progu, przy jakim zostaną wzbudzone. 

Mikrofalowe czujki ruchu

Jednym z najpopularniejszych rodzajów czujek używanych w instalacjach alarmowych są czujki mikrofalowe (MW – Microwave Detectors) wykorzystujące w swym działaniu efekt Dopplera. Są to urządzenia aktywne, używające cyklicznie rozsyłanych fal radiowych o bardzo wysokiej częstotliwości. W czujkach mikrofalowych stosuje się czujniki, które rejestrują zmiany częstotliwości emitowanych fal, jakie odbijają się od znajdujących się w „polu widzenia” detektora obiektów. W przypadku, gdy żaden przedmiot powodujący odbicia nie będzie się przemieszczał, charakterystyka fal pozostanie taka sama. W sytuacji, gdy będzie się on poruszał, poszczególne odczyty będą się zmieniały w czasie, ponieważ skróceniu lub wydłużeniu ulegnie droga, jaką muszą pokonać wysłane sygnały. Seria kolejnych zarejestrowanych zmian częstotliwości pozwala na stwierdzenie, że obserwowany obiekt porusza się w kierunku do lub od czujki.

Ponieważ fale wysyłane przez czujkę rozchodzą się promieniście wokół emitera – de facto na ogół półkoliście ze względu na budowę urządzenia – to możliwe jest detekcja nie tylko ruchu do i od czujki, ale także takiego, który odbywa się w poprzek, choć rezultaty są w takim przypadku nieco mniej jednoznaczne. Ważną cechą czujek mikrofalowych jest to, że zostają one wzbudzone dopiero po określonej licznie powtórzeń wykrytych zmian częstotliwości emitowanych i odbijanych fal, co w dużej mierze eliminuje problemy związane z fałszywymi alarmami.

Czujki mikrofalowe są jednak czułe na błędy popełniane podczas wybierania miejsca, w których zostaną umieszczone, a znaczna ich część wynika ze specyfiki ich funkcjonowania. Promieniowanie mikrofalowe łatwo przenika przez większość barier. Oznacza to, że nieprawidłowo umieszczona czujka będzie mogła wykrywać ruch poza budynkiem lub pomieszczeniem, w którym jest zamontowana. W przypadku domu jednorodzinnego może to być np. przejazd w pobliżu samochodu, a w mieszkaniu przejście kogoś po przylegającym korytarzu czy klatce schodowej. Jeśli w pobliżu zostanie zamontowana inna czujka mikrofalowa, urządzenia mogą nawzajem zakłócać swoje działanie, generując fałszywe alarmy. Problemem może się okazać także obecność w pobliżu urządzeń elektrycznych lub różnych poruszających się przedmiotów – czujka może wykryć np. wentylator obracający się w zamontowanym za ścianą klimatyzatorze. 

Czujki dualne – PIR oraz mikrofale

Choć właściwie dobrane i zamontowane czujki mikrofalowe mogą stanowić znakomity składnik skutecznego systemu alarmowego, w wielu przypadkach lepszym rozwiązaniem będzie zdecydowanie się na montaż tzw. czujek dualnych. Wykorzystują one zarazem promieniowanie mikrofalowe i efekt Dopplera do analizy zmiany charakterystyki fal odbijających się od poruszających się obiektów oraz mechanizm wykrywania ciepła, dzięki rejestrowaniu emisji promieniowania podczerwonego. Zaletą tego rozwiązania jest możliwość połączenia obu efektów, co w znacznym stopniu eliminuje słabe strony obu metod.

Czujki PIR (Passive Infrared) opierają się o pasywny detektor ciepła emitowanego przez poszczególne przedmioty, który reaguje nie na samą temperaturę, a na jej zmianę w obserwowanym polu, traktując takie zdarzenie jako przemieszczanie się obiektu. Dane o temperaturze są zbierane za pomocą pyroelementu, przetwarzającego natężenie promieniowania podczerwonego na sygnał elektryczny, a za odpowiedni kąt widzenia i docieranie promieniowania cieplnego z wybranego wycinka przestrzeni odpowiedzialny jest albo układ luster, albo cienka soczewka schodkowa, tzw. soczewka Fresnela. Dla uniezależnienia się od wpływu temperatury wewnątrz pomieszczenia, czujniki montowane w takich urządzeniach mają możliwość kompensacji temperatury, uwzględniając panujące warunki. W przypadku wykrywania ruchu na podstawie zmian temperatury o wiele skuteczniejsze odczyty można uzyskać, rejestrując przemieszczanie się w poprzek „pola widzenia” czujki.

Mechanizm wykrywania promieniowania podczerwonego ma jednak również pewne ograniczenia. Czujki PIR mogą dawać fałszywe wskazania, jeśli zostaną ustawione tak, że w ich polu widzenia znajdzie się źródło ciepła – grzejnik, instalacja elektryczna, w której znajdują się silnie obciążone i nagrzewające się przedmioty, urządzenia klimatyzacyjne lub wentylacyjne. Problemy może sprawiać także światło słoneczne padające na detektor.

Czujki dualne są aktywowane tylko wówczas, jeżeli wzbudzone zostaną w nich oba czujniki – zarówno ten odpowiedzialny za odczyt zmian częstotliwości odbitego promieniowania mikrofalowego, jak i zmian temperatury. Dzięki temu większość fałszywych alarmów może być wyeliminowana, a oferowana ochrona jest znacznie pełniejsza. Choć czujki dualne są droższe od czujek mikrofalowych i działających w podczerwieni, to są jednocześnie bardziej uniwersalne. Warto pamiętać, że wybór odpowiednich czujek i ich właściwego rozmieszczenia jest najważniejszym czynnikiem przesądzającym o skuteczności całego systemu.