В этой статье рассматривается возможность проектирования бюджетной системы безопасности с использованием МК Arduino. В системе используется ультразвуковой датчик, определяющий расстояние до предметов, и в случае нарушения периметра происходит световое оповещение, сопровождаемое звуковым оповещением через звуковой элемент.
Ключевые слова: автоматизация, автоматические системы, IDS, Arduino, системы безопасности, датчики, IoT, обнаружение вторжений, умный дом.
В настоящее время существует много возможностей для создания эффективных автоматизированных систем обнаружения физического вторжения.
С каждым годом всё проще становится обеспечения своих апартаментов датчиками интернета вещей. Происходит переосмысление возможности мониторинга физической реальности через сетевое соединение.
Разработки IoT (Internet of things — интернет вещей) относятся к области научных дисциплин связанных с компьютерными науками и коммуникационными технологиями. Каждый датчик можно рассматривать как конечный узел сети, взаимодействующий со своим физическим окружением [1].
Проецируя это определение на повседневные потребности можно заключить, что существует много возможностей для переквалификации наших домов в «умные». И количество этих возможностей растёт пропорционально количеству производимых датчиков.
Существуют некоторые автоматизированные системы по защите территорий, которые с некоторой вероятностью могут предотвратить пересечение периметра. Несмотря на то, что такие системы не гарантируют неоспоримую безопасность, следует обратить них внимание при проектировании территории или помещения, так как появляется возможность для снижения рисков и угроз.
IoT (Интернет вещей) — это усовершенствованная система автоматизации и аналитики, которая использует сети, датчики и технологии искусственного интеллекта [1]. Подобные системы обеспечивают прозрачность, контроль и производительность применительно к любой отрасли или системе. Системы интернета вещей находят применение в различных отраслях благодаря своей уникальности, гибкости и способности работать автономно в любой среде. Они улучшают качество сбора данных, автоматизацию и многое другое с помощью интеллектуальных устройств и мощных технологий [1].
Системы безопасности стали неотъемлемой частью нашей жизни. Без систем безопасности мы не чувствуем себя комфортно. В умных городах можно применять IoT, чтобы развернуть приложения для взаимодействия с горожанами [2]. Люди живут в эпоху информационных технологий. В нашей повседневной жизни есть множество способов получить доступ к интернету и сделать жизнь проще и приятнее, используя такие технологии, как компьютеры, смартфоны, смарт-телевизоры, планшеты.
Новые устройства могут запускать любые программы более эффективным образом для выполнения различных задач, таких как включение или выключение устройства дистанционно, оповещение с помощью встроенных или внешних датчиков и т. д. Систему безопасности можно разместить в любом месте, и её установка достаточно проста. В этой статье рассмотрен процесс разработки автоматизированной системы безопасности на основе Arduino.
Видеонаблюдение — ключевой момент в обеспечении нашей безопасности. Датчики также играют очень важную роль в этой системе безопасности. Наиболее распространенными типами датчиков являются пассивный инфракрасный датчик (PIR), ультразвуковой датчик, инфракрасный датчик приближения и детектор шума [3].
Беспроводная система представляет собой эффективное, элегантное и надежное решение для удаленного доступа к дому и наблюдения с обнаружением движения человека.
Ультразвуковой датчик посылает высокочастотный звуковой импульс, а затем рассчитывает, сколько времени потребуется, чтобы эхо звука отразилось обратно. Датчик имеет два отверстия: одно из них передает ультразвуковые волны, а другое принимает отраженные ультразвуковые волны. Скорость звука в воздухе составляет примерно 341 метр в секунду. Ультразвуковой датчик использует эту информацию вместе с разницей во времени между отправкой и получением звукового импульса для определения расстояния до объекта.
Время между передачей и приемом ультразвуковой волны нужно поделить на 2, потому что волна звукового датчика должна прошла двойной путь — от датчика к объекту и в равном количестве в обратном направлении.
Ультразвуковые датчики отлично подходят для реализации многих приложений, но всегда полезно понимать, что у каждого продукта есть преимущества и ограничения [4].
Ни цвет или прозрачность объектов на работе ультразвукового датчика не отражается. Ультразвуковой датчик отражает звук объектов, поэтому цвет или прозрачность не влияют на показания датчика. Такие датчики можно использовать в местах слабой освещённости, к тому же они недорогие. Они полностью откалиброваны и готовы к применению практически сразу после сборки системы.
Датчик такого типа не сильно подвергается воздействию пыли, грязи или высокой влажности. Этот датчик имеет большую точность, чем любые другие методы измерения толщины и расстояния до параллельной поверхности.
Ультразвуковые датчики просты в использовании и не опасны для находящихся рядом предметов, людей или оборудования. Этот датчик легко интегрируется в системы с микроконтроллерами или контроллерами любого типа [4].
Ультразвуковые датчики не могут работать в вакууме, потому что они работают со звуком. Они совершенно не работают в вакууме, так как отсутствовал бы воздух, через который мог бы распространяться звук. Этот датчик не предназначен для использования под водой, поэтому эти датчики не были должным образом протестированы в этой среде. На точность срабатывания этого датчика влияют мягкие материалы. Предметы, покрытые очень мягкой тканью, поглощают больше звуковых волн, из-за чего датчику труднее детектировать цель наблюдения. Датчик имеет ограниченную дальность обнаружения от 3 см до 3 м [5].
В настоящее время безопасность играет очень важную роль в нашей повседневной жизни. Системы безопасности используются в жилых, коммерческих и военных объектах для защиты от кражи или порчи имущества, а также для личной защиты от злоумышленников. Люди сталкиваются с такими проблемами, как грабёж и вооружённые нападения. С этими проблемами люди сталкиваются из-за отсутствия систем безопасности в своих домах, офисах и зданиях.
Поскольку технологии развиваются день ото дня, многие компании придумали решение этих проблем, чтобы обеспечить безопасность с помощью технологий.
У нас есть некоторая существующая система безопасности, но она не так эффективна, как предлагаемая система. Обнаружение препятствий является одной из сложных задач в навигационных системах. Существуют препятствия из разных материалов, в которых характеристики датчика измерения расстояния различаются [5].
Есть несколько датчиков, которые можно использовать для обнаружения препятствий и определения расстояния до объекта от датчика. Например, инфракрасный датчик приближения также можно использовать для обнаружения объектов.
Эти датчики работают по принципу отраженных световых волн, которые отражаются от объектов или посылаются с инфракрасного пульта дистанционного управления.
Инфракрасные датчики также используются для измерения расстояния. Обнаруживается отраженный свет, а затем оценивается расстояния между датчиком и объектом. Есть много ограничений инфракрасных датчиков, например, невозможность их использования при солнечном свете из-за помех.
Эти недостатки инфракрасных датчиков приближения можно преодолеть, используя ультразвуковой датчик. Ультразвуковые датчики могут работать в темноте.
Поскольку ультразвуковые датчики работают с использованием звуковых волн, на обнаружение препятствий не влияют многие факторы. Ультразвуковые датчики более надежны, чем ИК-датчики [5].
При разработке концепции системы безопасности, одним из пунктов исследования определялось повышение безопасности повседневной жизни потенциальных пользователей. Безопасность же один из самых важных поводов послуживших началу разработки проекта. У каждого человека должна быть возможность получения необходимых инструментов защиты своей собственности, себя и своей семьи. Несмотря на то что большая часть районов современных городов находится в непосредственной близости к государственным службам здравоохранения, возведение бартера защиты на рассматриваемой пользователем территории не является исчерпывающим решением. Появляется гарантия, что с имуществом потенциального пользоваться всё в порядке, даже во время его непосредственного присутствия на объекте защиты. Таким образом, к разработке предлагается концепт, потенциально способный обеспечить должный уровень безопасности среднестатистическому человеку.
Система безопасности говорит сама за себя. Само её присутствие говорит о том, что пользователь уделяет должное внимание для соблюдения надзора за своим имуществом. Система имеет вид оповещения, отличающийся от некоторых доступных на рынке что может заинтересовать потребителя с точки зрения расширения функционала инструментария безопасности.
Система обладает гибкими свойствами точки зрения масштабируемости, за счёт большого количества вида датчиков для рассматриваемого вида микроконтроллеров.
Существует ограниченное расстояние, на котором датчик может обнаружить объект. Ультразвуковой датчик обеспечивает бесконтактное измерение на расстоянии от 2 см до 400 см с точностью до 3 мм.
Нужно отметить, что злоумышленник может заглушить сигнал, создаваемый датчиком, используя свойства звука к поглощению через пористые материалы.
На практике такая система работает только при постоянном наличие источника электричества. Подключённый ультразвуковой датчик посылает ультразвуковые волны.
Если таковые натолкнутся на какой-либо объект, они отразятся в обратном направлении на датчик приёма волны, далее будет высчитано расстояние до объекта столкновения. Система, зафиксировавшая объект в зоне обнаружения, начнёт подавать звуковой сигнал, и соответствующую команду для светодиодов к излучению. На рисунке 1 продемонстрирована блок-схема работы модели обнаружения вторжений:
Рис. 1. Блок-схема работы системы обнаружения
Как на ней показано, в случае положительного ответа, будет произведено оповещение в виде света и звука. При отрицательном ответе реакции не последует, а система продолжил мониторинг.
На практике такой проект можно реализовать при помощи модуля с камерой «Arducam MT9D111». Одной из задач этого модуля считается захват изображений в случае фиксирования движения. Применяя метод автоматизации фиксирования движения можно качественно улучшить безопасность в населённый пунктах, на производствах и в домашних хозяйствах. Также представляется интересным произвести доработку в виде добавления модуля беспроводной связи для использования смартфона с функцией уведомлений для получения таковых в случае нарушения периметра.
В этой статье была рассмотрена концепция системы обнаружения нарушителя периметра автоматизированной системой безопасности. Система представляет из себя концепт системы IDS на основе ультразвукового датчика. Ультразвуковой датчик предназначен для детектирования движения людей, животных либо другого движущегося объекта, отправляя импульс звуковой волны. Зафиксировав вторжение или какое-либо движение, система оповещает пользователя и привлекает его внимание при помощи светодиодов и звукового модуля. Основное преимущество модулей и комплектующих для платформы Arduino — доступность и низкая цена. Системы, реализуемые на этих модулях, также просты в установке и эксплуатации, по сравнению с крупномасштабными системами физического обнаружения. Система не вызывает сложностей при обращении, её можно разместить для патрулирования любой выбранной территории: окон, дверей, помещений. Описанную методику можно использовать при решении вопросов безопасности различных отраслей производств, городских территорий, земельных участков.
Литература:
- Росляков, А. В. Интернет вещей: учебное пособие [текст] / А. В. Росляков, С. В. Ваняшин, А. Ю. Гребешков. — Самара: ПГУТИ, 2015. — 200 с.
- Сомов А. С., Лыжин И. Г. Методическое пособие «Разработка умных устройств на базе Arduino» / Сомов А. С., Лыжин И. Г. — М: Сколковский институт науки и технологий, 2020. — 80 с.
- Вострецова, Е. В. В78 Основы информационной безопасности: учебное пособие для студентов вузов / Е. В. Вострецова.— Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2019.— 204 с.
- Шарапов В. М., Полищук Е. С., Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В. М. Шарапова, Е. С. Полищука Москва: Техносфера, 2012.- 624 с.,
- Шерстобитова А. С. Датчики физических величин. — СПб: Университет ИТМО, 2017. — 57 с.
