Nowa stacja odbiorcza monitorowania systemów alarmowych z wykorzystaniem sieci GSM/GPRS

Szybki rozwój telefonii komórkowej GSM oraz rosnący zasięg pozwolił na jej wykorzystanie w systemach monitorowania zdarzeń alarmowych. Informacja z centrali alarmowej zainstalowanej w chronionym obiekcie przekazywana jest, przez sieć GSM, do centrum monitorowania. Na rynku istnieje wiele rodzajów nadajników, niestety niewiele firm podejmuje się zaprojektowania stacji odbiorczej, którastanowi integralną część systemu monitorującego. Zazwyczaj realizowana jest ona w postaci programu komputerowego, co nie daje gwarancji niezawodnego działania. Jakość jej pracy jest zależna od zastosowanego systemu operacyjnego, na którego budowę, a więc i stabilność, nie mamy wpływu. W artykule przedstawiono zasadę działania stacji odbiorczej zaprojektowanej do monitorowania systemów alarmowych z wykorzystaniem sieci GSM/GPRS. Zaproponowane rozwiązanie zapewnia niezawodną pracę urządzenia niezależnie od systemu komputerowego.

Wprowadzenie

SMSCI (fot. powyżej) jest urządzeniem przeznaczonym do monitorowania stanów i zdarzeń generowanych przez systemy alarmowe. Wykorzystuje infrastrukturę sieci komórkowej GSM (ang. Global System for Mobile Communications) do przesyłania informacji o zdarzeniach. Komunikaty przesyłane są w postaci krótkich wiadomości tekstowych SMS (ang. Short Message Service) lub wykorzystując pakietową transmisję danych GPRS (ang. General Packet Radio Service). Realizowana jest również identyfikacja zdarzeń typu CLIP (ang. Calling Line Identification Presentation), gdzie stała informacja (przeważnie test) jest przypisana próbie nawiązania połączenia głosowego przez nadajnik abonencki ze stacją odbiorczą.

Architektura

SMSCI zaprojektowano modułowo. Urządzenie składa się z sześciu podsystemów odbiorczych umiejscowionych na trzech kartach mocowanych w obudowie o wysokości 3U, umożliwiającej montaż w stojakach o szerokości 19". Możliwe jest dostosowanie konfiguracji urządzenia do potrzeb centrum monitorowania wynikających z intensywności ruchu informacyjnego oraz typu zastosowanej transmisji (SMS lub GPRS). Schemat blokowy urządzenia przedstawiono na rys. 1. Podstawę SMSCI stanowią trzy karty: „KONTROLER", „WYŚWIETLACZ I AKUMU­LATOR" oraz „KLAWIATURA I ZASILACZ", które wy­stępują w każdej konfiguracji.

Karta „KONTROLER" odpowiedzialna jest za odbiór zdarzeń z torów odbiorczych i przesłanie ich do komputera lub wyświetlenie na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym.

Interfejs komunikacyjny stanowi ośmiobitowa równoległa szyna danych, na której ruch regulowany jest z wykorzystaniem dodatkowych linii sterujących. Zaimplementowano protokół transmisji typu Nadrzędny-Podrzędny. Maksymalna szybkość transmisji, w zrealizowanym interfejsie, wielokrotnie przekracza możliwości transmisyjne torów odbiorczych, co umożliwia przesyłanie dodatkowych komunikatów systemowych, informujących o stanie pracy wszystkich pod­systemów urządzenia. Karta „KONTROLER", jako urządzenie typu Nadrzędny, odpytuje wszystkie odbiorniki, sprawdzając, czy są w nich zdarzenia oczekujące na transmisję. W czasie nieaktywności (brak komunikatów z nadajników abonenckich) przesyłane są ramki podtrzymania łączności, które pozwalają na kontrolę poprawności pracy torów odbiorczych. Dane archiwizowane są w buforze pamięci o pojemności 100 zdarzeń. W zależności od aktualnego trybu pracy komunikaty przesyłane są do programu bazy danych zainstalowanego na współpracującym z SMSCI komputerze lub do wyświetlacza. Karta „KONTROLER" posiada wbudowany zegar czasu rzeczywistego, ustawiany z klawiatury urządzenia. Dostarcza on informacji pozwalającej na nadanie stempla czasowego odbieranym zdarzeniom.

Karta „WYŚWIETLACZ I AKUMULATOR" zapewnia rozpływ prądu do wszystkich elementów urządzenia. Napięcie z zasilacza podłączonego do sieci energetycznej stanowi główne źródło zasilana. Zabezpieczeniem awaryjnym jest wbudowany akumulator, stale kontrolowany i doładowywany z zasilania zewnętrznego. Kartę wyposażono w wyświetlacz ciekłokrystaliczny sterowany z lokalnego procesora, który jest odpowiedzialny za obsługę klawiatury i komunikację z kartą „KONTROLER".

Karta „KLAWIATURA I ZASILACZ", oprócz klawiatury, wyposażona jest w zasilacz impulsowy przymocowany do ściany bocznej obudowy, która stanowi jego radiator. Dopuszczalne napięcie wejściowe zawiera się w zakresie od 84 V do 264 VAC. Układ zabezpieczony jest bezpiecznikiem 2 A (w gnieździe zasilającym). Urządzenie posiada dodatkowo wbudowany, przeciwzakłóceniowy filtr sieciowy.

Karty odbiorcze

SMSCI zostało wyposażone w maksymalnie sześć podsystemów odbiorczych, zlokalizowanych na trzech kartach. Są to: cztery tory GSM, tor SMSC oraz tor GPRS. Dwa ostatnie zlokalizowane są na pierwszej karcie urządzenia, natomiast pozostałe na karcie drugiej i trzeciej, licząc od lewej strony (zob.: zdjęcie na poprzedniej stronie).

Podsystem GSM

Podsystem GSM jest odpowiedzialny za odbiór drogą radiową sygnałów w postaci wiadomości SMS i CLIP z nadajników abonenckich. Sygnał z anteny GSM przesyłany jest do złącza na tylnym panelu obudowy. W skład podsystemu wchodzą: przemysłowy moduł GSM i sterownik, odpowiedzialny za inicjalizację i kontrolę poprawności działania toru oraz łączność z kontrolerem. Struktura urządzenia pozwala na jego samodzielną i niezależną od reszty układu pracę. Dzięki temu wszelkie problemy w jego funkcjonowaniu, wynikające z zakłóceń w pracy sieci GSM, mogą być rozwiązywane lokalnie, nie wpływając na pozostałe elementy systemu (odbiór zdarzeń od pozostałych podsystemów nie jest opóźniony). Można stosować różnego typu przemysłowe moduły GSM.

Sterownik odpowiedzialny jest za poprawne logowanie modułu do macierzystej sieci komórkowej. W trakcie pracy kontrolowana jest moc sygnału GSM, której stan jest sygnalizowany zieloną lampką na panelu czołowym karty. Krótkie mignięcia, co 0,5 sekundy, których liczba odpowiada poziomowi mocy sygnału odbieranego w module GSM, rozdzielone są pojedynczym długim wyłączeniem (na 2 sekundy). Pomiar mocy sygnału realizowany jest w module GSM. Obniżenie jego poziomu poniżej ustalonego progu, trzykrotnie stwierdzone przez sterownik, wyzwala procedurę restartu modułu GSM. Stan mocy odbieranego sygnału GSM dołączany jest do każdej depeszy przesyłanej do komputera (zob. więcej na ten temat w dalszej w części artykułu). Podczas braku ruchu informacyjnego (SMS lub CLIP) generowany jest komunikat podtrzymania łączności z kontrolerem, w którym również przesyłana jest informacja o aktualnej mocy sygnału.

Podsystem SMSC

Podsystem SMSC jest odpowiedzialny za komunikację z SMSC (ang. Short Message Service Center) operatora sieci telefonii komórkowej za pomocą łącza w standardzie Ethernet, z zastosowaniem protokołów komunikacyjnych TCP/IP (ang. Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Umiejscowione na tyle obudowy gniazdo RJ45, umożliwia podłączenie do sieci LAN (ang. Local Area Network). Połączenie z serwerem SMSC, w zależności od dostępnej infrastruktury, może być zrealizowane przez publiczną sieć Internet, łącze dzierżawione stałe lub radiolinię. W podsystemie SMSC zaimplementowano, odpowiednie dla każdej sieci komórkowej GSM, protokoły komunikacyjne. Realizują one połączenie z warstwą aplikacji SMSC, zapewniając formatowanie oraz kontrolę dostarczenia informacji (protokół z po­twierdzeniami). Zgodnie ze standardem protokołu podsystem SMSC odbiera zdarzenia SMS bezpośrednio z serwera SMSC, omijając konieczność nawiązania połączenia i transmisji komunikatów drogą radiową, co znacznie skraca czas dostarczenia informacji. Zaimplementowane protokoły komunikacyjne pozwalają na wymianę informacji z większością pracujących w Polsce serwerów SMSC. Stan pracy podsystemu SMSC sygnalizowany jest na panelu czołowym (stan aktywny - kolor zielony, brak połączenia - kolor czerwony).

Podsystem GPRS

Podsystem GPRS jest odpowiedzialny za odbiór i interpretację sygnałów wysyłanych z nadajników abonenckich z wykorzystaniem pakietowej transmisji danych GPRS. Komunikacja odbywa się za pomocą łącza w standardzie Ethernet z zastosowaniem protokołu UDP (ang. User Datagram Protocol) przez prywatny lub publiczny APN (ang. Access Point Name) operatora telefonii komórkowej. W torze GPRS, podobnie jak w torze GSM, abonent identyfikowany jest przez numer telefonu karty SIM zainstalowanej w nadajniku. Dzięki takiemu rozwiązaniu, zdarzenia, niezależnie od sposobu transmisji, są jednoznacznie identyfikowane w stacji odbiorczej. Pozwala to również na stosowanie w nadajnikach abonenckich kart SIM z dynamicznie przydzielanym, niepublicznym adresem IP. Nie ma konieczności aktywowania dodatkowych, odpłatnych, usług dla tych kart, takich jak stały adres IP lub grupowanie numerów w ramach prywatnego APN. Zastosowanie publicznego APN upraszcza również konfigurację systemu po stronie stacji odbiorczej. Konieczne jest jedynie zapewnienie połączenia z Internetem, ze stałym i publicznym adresem IP. W celu zwiększenia bezpieczeństwa należy stosować zaporę sieciową (ang. Firewall) blokującą niepowołany dostęp do stacji odbiorczej z zewnątrz. Powinna ona zapewniać dostępność portu, przez który nadajniki abonenckie komunikują się z podsystemem GPRS, od strony sieci publicznej.

Na potrzeby łączności nadajnika abonenckiego ze stacją odbiorczą zrealizowano protokół komunikacyjny z potwierdzeniami, który zapewnia kontrolę poprawności transmisji danych. Zdarzenia alarmowe odbierane przez podsystem GPRS automatycznie przesyłane są do programu bazy danych zainstalowanego w centrum monitorowania. W odróżnieniu od transmisji SMS zastosowano dwa rodzaje komunikatów testowych: testy jawne, traktowane jak zdarzenia alarmowe (przesyłane do programu bazy danych) oraz testy niejawne (TN), analizowane i przetwarzane w podsystemie GPRS. Zadaniem TN jest kontrola poprawnej pracy i łączności nadajnika abonenckiego ze stacją odbiorczą. Brak testu w czasie trzech kolejnych okresów sygnalizowany jest zdarzeniem alarmowym oznaczającym utratę łączności z nadajnikiem abonenckim. Opóźnienie pomiędzy uszkodzeniem abonenckiego sytemu alarmowego (brak łączności) i jego sygnalizacją w centrum monitorowania jest zależne od częstotliwości nadawania TN. Zgodnie z normą PN-EN50136-1-1:2002 (PN-93/E-08390/51) zaimplementowano obsługę kontroli dostarczenia TN dla trzech interwałów czasowych (stosownie do odpowiednich klas bezpieczeństwa): T3 (65 minut), T4 (90 sekund), T5 (20 sekund). W podsystemie GPRS utworzono trzy bazy danych, w których rejestrowane są nadajniki abonenckie. Zostały one skojarzone z czasookresami TN, dla których przydzielono niezależne obszary pamięci. Zarejestrowanie nowego numeru następuje po odbiorze pierwszego TN. Zdarzenie to sygnalizowane jest komunikatem „NN". Przekroczenie kolejnych dziesięcioprocentowych progów wypełnienia każdej z baz sygnalizowane jest komunikatami alarmowymi (np. przekroczenie 10% zajętości bazy dla testów klasy T4 generuje komunikat „21" z numerem abonenta „000000000"). Podsystem GPRS analizuje liczbę nadajników abonenckich, z którymi nastąpiła utrata łączności w czasie pojedynczego okresu testu. Przekroczenie ustalonego progu powoduje wstrzymanie transmisji zdarzeń sygnalizujących utratę łączności oraz wygenerowanie komunikatu informacyjnego. Funkcja ta ma na celu niedopuszczenie do przesłania w krótkim czasie dużej liczby zdarzeń informujących o utracie łącz­ności spowodowanej awarią lub wyłączeniem usługi GPRS na obszarze, na którym zainstalowano nadajniki abonenckie. Baza danych nadajników abonenckich jest automatycznie, co 24 godziny, archiwizowana w nieulotnej pamięci Flash. Procedura ta może zostać wymuszona ręcznie przez wciśniecie przycisku na panelu czołowym karty, dzięki czemu nie ma obawy, że dane zostaną utracone podczas prac konserwacyjnych.

 W podsystemie GPRS zastosowano 32-bitowy procesor wykonany w technologii ARM (ang. Advanced RISC Machine) firmy NetSilicon. Układ pracuje z zegarem 55 MHz. Architektura Harvard, z rozdzielonymi pamięciami danych i programu oraz technologią RISC (ang. Redu­ced Instruction Set Computers), gdzie rozkazy wykonywane są w ściśle określonym czasie, przeważnie w jednym cyklu maszynowym, zapewnia dużą wydajność pracy. Procesor wraz z układami zewnętrznymi stanowi specjalizowany system do zastosowań sieciowych.

Zdarzenia

Zdarzenia alarmowe odbierane przez SMSCI zawierają informację o numerze abonenta (numer telefonu karty SIM zainstalowanej w nadajniku) oraz szczegółowe dane opisujące zdarzenie. Komunikaty można podzielić na:

- zdarzenia dwuznakowe: informacja o typie alarmu kodowana jest dwoma znakami, które mogą być grupowane do czterech zdarzeń w jednej ramce;

- zdarzenia typu Contact-ID: przesyłana jest informacja o kodzie zdarzenia, numerze partycji i strefy;

- zdarzenia trzynastoznakowe w formacie Dyskam.

Przyjmując jako kryterium podziału sposób transmisji, wyróżniamy zdarzenia typu SMS/GPRS lub CLIP.

Zdarzenia SMS/GPRS

Zarówno w zdarzeniach SMS, jak i GPRS informacja o alarmie przesyłana jest w postaci pakietu danych. Dla obu typów wiadomości numer telefonu przypisany do karty SIM stanowi kod identyfikujący abonenta. Dzięki temu wszystkie komunikaty docierające do stacji odbiorczej z tego samego nadajnika, niezależnie od trybu pracy (SMS czy GPRS), są jednoznacznie identyfikowane. Aby zapewnić powyższą sygnalizację w zdarzeniach typu GPRS, nadajnik musi mieć informację o numerze telefonu. W nadajnikach abonenckich firmy PULSON informacja ta zapisana jest w pamięci karty SIM pod pozycją „NUMER WŁASNY". Większość kart SIM aktywowanych przez operatora ma zapisany „NUMER WŁASNY", zdarza się jednak, że nie został on zapisany. W takim wypadku można go zaprogramować, wykorzystując funkcję automatycznego programowania numeru telefonu w nadajniku abonenckim zrealizowaną w podsystemie GSM urządzenia. Nadajnik abonencki wysyła wiadomość z zapytaniem o własny numer telefonu do modułu GSM zainstalowanego w SMSCI, który odsyła żądaną informację. Stacja odbiorcza dodatkowo generuje odpowiedni komunikat systemowy informujący o przeprowadzonym działaniu. Zdarzenia typu SMS wzbogacone są dodatkowo, przez system GSM, o informację o czasie nadania wiadomości, która przesyłana jest do programu bazy danych zainstalowanego w centrum monitorowania.

Zdarzenia CLIP

Zdarzenia typu CLIP generowane są podczas próby nawiązania przez nadajnik abonencki połączenia głosowego z modułem GSM zainstalowanym w SMSCI. Podsystem GSM, wraz z sygnałem dzwonienia, otrzymuje informację o numerze telefonu dzwoniącego. Taka sygnalizacja zdarzeń alarmowych lub testowych jest możliwa pod warunkiem, że identyfikacja numeru dzwoniącego została uaktywniona przez operatora telefonii komórkowej dla karty SIM zainstalowanej w odbiorniku. SMSCI automatycznie odrzuca próbę nawiązania połączenia rozmownego, co redukuje do minimum zajętość kanału sygnalizacyjnego. Zdarza się, że sygnał identyfikacji dzwonienia w odbiorczym module GSM jest generowany, zanim infrastruktura sieci GSM zostanie przygotowana do zestawienia połączenia głosowego (badania własne). W tym momencie odrzucenie próby nawiązania połączenia rozmownego przez moduł odbiorczy powoduje zaburzenie pracy sieci komórkowej. Może ono doprowadzić do konieczności restartu nadawczego i odbiorczego modułu GSM. W podsystemie GSM stacji odbiorczej zrealizowano opóźnienie rozłączenia, którego czas zoptymalizowano tak, aby przy minimalnej zajętości kanału uzyskać minimalne prawdopodobieństwo wystąpienia opisanego problemu. Odrzucenie próby dzwonienia zrealizowano tak, aby w nadajniku abonenckim zostało ono zasygnalizowane komunikatem „NO CARRIER". Dzięki temu w nadajnikach abonenckich firmy PULSON możliwe było zapewnienie weryfikacji dostarczenia zdarzenia typu CLIP. Takie rozwiązanie zwiększa wiarygodność systemu monitorowania. Sprawność systemu odbiorczego istotnie wzrasta po rozdzieleniu numerów odbiorczych dla zdarzeń typu SMS i CLIP. Jest to możliwe do zrealizowania, nawet przy istniejącej infrastrukturze nadajników abonenckich, przez ustawienie, dla karty odbiorczej SIM, przekierowania wszystkich połączeń głosowych na inny numer karty SIM. Operacja ta jest bezpłatna.

Komunikacja z komputerem

SMSCI połączone jest z komputerem za pomocą interfejsu komunikacyjnego w standardzie RS232 (transmisja szeregowa ze sprzętową kontrolą przepływu danych). Zastosowano protokół komunikacyjny z potwierdzeniami, w którym informacja przesyłana jest w pakietach ze stałym formatem ramki. Oprócz znaków początku i końca przesyłane są dane o numerze abonenta, kodzie zdarzenia oraz dacie i czasie jego wystąpienia. Dodatkowo dołączona jest informacja o numerze toru odbiorczego, w którym zdarzenie zostało odebrane, oraz, w przypadku toru GSM, o tym, jaka była moc sygnału GSM w odbiorniku. Są to niezbędne informacje potrzebne do identyfikacji typu i pochodzenia zdarzenia oraz określenia sposobu jego transmisji (GSM/GPRS) i czasu dostarczenia (ewentualnie nadania). Pozwala to na ocenę intensywności ruchu komunikacyjnego w poszczególnych torach odbiorczych urządzenia oraz kontrolę jakości serwisu GSM w miejscu, w którym zlokalizowane jest centrum monitorowania.

Tryb pracy ZDALNY/LOKALNY

SMSCI pracuje w jednym z dwóch trybów: „ZDALNY", w którym zdarzenia przesyłane są do komputera, lub „LOKALNY", gdzie komunikaty wyświetlane są na wyświetlaczu, natomiast ich odbiór potwierdzany jest ręcznie przez operatora centrum monitorowania. Urządzenie okresowo sprawdza poprawność połączenia sprzętowego z komputerem oraz łączność z programem bazy danych (komunikacja z potwierdzeniami). Spełnienie obydwu warunków poprawnej łączności powoduje automatyczne przełączenie urządzenia w tryb pracy „ZDALNY". Stan połączenia jest stale kontrolowany. Utrata łączności powoduje automatyczne przełączenie w tryb pracy „LOKALNY". Każda zmiana trybu pracy urządzenia jest sygnalizowana komunikatem systemowym. Zdarzenia mogą być archiwizowane na papierze za pomocą drukarki.

Interfejs użytkownika

Interfejs użytkownika stanowi wyświetlacz ciekłokrystaliczny (2 linie po 20 znaków), klawiatura oraz zestaw sygnalizatorów świetlnych i dźwiękowych. Na wyświetlaczu, niezależnie od trybu pracy, wyświetlane są wszystkie zdarzenia. Prezentowany jest numer abonenta, kod zdarzenia (dla Contact-ID również szczegółowa informacja o warunkach jego wystąpienia) oraz informacje o czasie nadania i odbioru zdarzenia. Dodatkowo wyświetlana jest informacja o stanie zajętości buforów: komputera i drukarki, oraz aktualnym trybie pracy. Dwunastoznakowa klawiatura pozwala na programowanie parametrów pracy urządzenia:

- F-1: programowanie daty i czasu,

- F-2: załączenie lub wyłączenie druku zdarzeń w trybie „ZDALNY",

- F-3: załączenie lub wyłączenie sygnalizacji grupy zdarzeń systemowych,

- F-4: załączenie lub wyłączenie sygnalizacji wszystkich zdarzeń systemowych,

Odpowiednie sygnalizatory świetlne na panelu czołowym każdej z kart odbiorczych wskazują stan pracy i aktywność komunikacji. Na karcie „KLAWIATURA I ZASILACZ" sygnalizowany jest stan zasilania (bateryjne/zewnętrzne), tryb pracy („ZDALNY/LOKALNY") i stan połączenia z drukarką i komputerem.

Podsumowanie

Stacja odbiorcza jest istotnym składnikiem systemu monitorowania. Od poprawności i niezawodności jej pracy zależy bezpieczeństwo nadzorowanych obiektów. Zaproponowane rozwiązanie, dzięki zastosowaniu nowoczesnych technologii oraz oryginalnych rozwiązań funkcjonalnych, stanowi profe­sjonalne urządzenie zapewniające stabilną pracę w systemach monitorowania z wykorzystaniem sieci GSM. SMSCI zostało opracowane z zachowaniem zaleceń polskich norm dla systemów alarmowych i systemów transmisji alarmu. Urządzenie, w całości zaprojektowane i wyprodukowane w firmie PULSON, stanowi unikatowe rozwiązanie sprzętowe stacji odbiorczej sygnałów alarmowych przesyłanych z wykorzystaniem sieci GSM/GPRS.

Dariusz Janusek 

Rafał Miklaszewski 

Pulson

Zabezpieczenia 4/2007