System alarmowy jest rozległą instalacją wymagającą ułożenia dziesiątków metrów okablowania. Z tego powodu nieustannie rosnącym zainteresowaniem cieszą się systemy hybrydowe oraz bezprzewodowe, w których komunikacja pomiędzy poszczególnymi elementami odbywa się drogą radiową.
Współczesne systemy łączności bezprzewodowej przeszły długą drogę rozwoju. Wykorzystanie nowych generacji komponentów pozwala zwiększyć niezawodność komunikacji, a także obniżyć zapotrzebowanie na energię, co może przekładać się na dłuższe odstępy pomiędzy wymianami baterii w urządzeniach.
Wyzwania inżynierskie dotyczące komunikacji bezprzewodowej
Dwa główne wyzwania w przypadku komunikacji bezprzewodowej to zapewnienie niezawodnego przesyłania informacji z użyciem ogólnodostępnego medium (fal radiowych z wybranego zakresu częstotliwości) oraz – w przypadku urządzeń działających autonomicznie (bez zewnętrznego źródła zasilania) – energooszczędności. Należy osiągnąć jednocześnie oba wymienione cele, co wymaga kompromisów.
Uzyskanie niezawodnego przekazywania informacji jest trudne, gdy nie ma możliwości odizolowania kanału komunikacyjnego od oddziaływania zewnętrznego. W przypadku tradycyjnych połączeń przewodowych pewność przekazywania informacji jest bardzo wysoka, natomiast połączenia bezprzewodowe są narażone na celowe lub przypadkowe zakłócenia przekazywania informacji, a także na liczne zjawiska powodujące osłabienie poziomu użytecznego sygnału. Wpływ tych niekorzystnych zjawisk można minimalizować na kilka sposobów – poprzez zwiększenie tzw. budżetu łącza radiowego, wykorzystanie lepszych (bardziej selektywnych) odbiorników i specjalistycznych modulacji, w tym mechanizmów rozpraszania widma radiowego, oraz wprowadzenie mechanizmów nadmiarowości (zwielokrotnionych transmisji czy uzupełnienia przesyłanych informacji tzw. danymi naprawczymi). Wiąże się to z koniecznością użycia lepszych (i najczęściej droższych) układów komunikacyjnych oraz ze zwiększeniem zapotrzebowania na energię.
Z drugiej strony urządzenia powinny mieścić się w niewielkich obudowach i pracować jak najdłużej, najlepiej przez wiele lat.
Systemy transmitujące sygnały jednokierunkowo lub dwukierunkowo
Najprostszym rozwiązaniem jest zastosowanie niesymetrycznego toru komunikacji radiowej – wyposażenie czujek alarmowych w nadajnik radiowy, a centrali alarmowej w odpowiedni odbiornik. Taki sposób komunikacji pozwala na przesłanie informacji o zadziałaniu czujki, lecz nie daje możliwości przekazania żadnej informacji zwrotnej. W przypadku transmisji jednokierunkowej czujki „nie wiedzą”, czy informacja o alarmie dotarła do odbiornika, więc – aby zwiększyć prawdopodobieństwo, że taka transmisja się powiedzie – nadawanie jest kilkukrotnie powtarzane. Dzięki temu w sprzyjających warunkach, przy ewentualnych zakłóceniach, o ile są krótkotrwałe, sygnał alarmowy powinien dotrzeć do celu.
Czujki transmitujące jednokierunkowo nie mogą „dowiedzieć się”, czy włączono w dozór system lub strefę dozorową. W efekcie, podczas standardowej aktywności w miejscu czasowo wyłączonym z dozoru, gdy wykrywany jest ruch w pomieszczeniach z czujkami ruchu czy otwieranie są drzwi lub okna chronione czujkami kontaktronowymi, przesyłane są nadmiarowe informacje mogące niekorzystnie wpływać na żywotność baterii w czujkach. Sposobem pozwalającym na osiągnięcie akceptowalnych okresów pomiędzy wymianami baterii jest usypianie czujek po wykryciu zdarzenia na określony czas – z reguły kilkuminutowy (a nawet kilkunastominutowy). W ten sposób można zmniejszyć liczbę nadmiarowych transmisji, ale rozwiązanie to ma również bardzo istotne ze względu na bezpieczeństwo reperkusje. Chodzi tu przede wszystkim o scenariusz wyjścia z chronionego obiektu i włączenia systemu w dozór – przez wiele minut systemy z transmisją jednokierunkową, pracujące w trybie oszczędzania baterii, nie zapewniają należytej ochrony.
Ze względu na to, że obecnie jednokierunkowa komunikacja stosowana jest praktycznie wyłącznie w sprzęcie co najwyżej półprofesjonalnym, pojawia się w tych urządzeniach szereg innych uproszczeń. Proste systemy z transmisją jednokierunkową pracują w pasmie częstotliwości 433 MHz z wykorzystaniem prostej modulacji amplitudy (podobnej do tej wykorzystywanej dawniej w rozgłośniach radiowych na falach długich i średnich). Ten zakres częstotliwości jest powszechnie wykorzystywany przez proste urządzenia radiowe – piloty do zdalnego sterowania, bezprzewodowe dzwonki i inne tego typu produkty. Również duża część odbiorników, ze względu na przyjęte uproszczenia, pozostawia wiele do życzenia pod względem selektywności (czyli zdolności do odróżnienia sygnałów użytecznych od zakłócających) czy czułości.
Rozwój półprzewodników umożliwił skuteczne zastosowanie komunikacji dwukierunkowej w sprzęcie alarmowym. Wyposażenie każdego urządzenia w nadajnik oraz odbiornik daje wiele korzyści. Podstawową korzyścią jest możliwość potwierdzenia odebrania sygnału, które znacznie poprawia niezawodność przesyłania informacji. Przy braku potwierdzenia (np. z powodu zakłócenia transmisji) komunikat może być wielokrotnie powtórzony bez istotnego wpływu na zużycie energii. Dodatkowo czujki transmitujące dwukierunkowo mogą odbierać informacje o włączeniu systemu w dozór, odpowiednio dostosowując strategię komunikacji do aktualnych warunków. Dzięki temu możliwe jest znaczne ograniczenie zużycia energii, którą można wykorzystać w celu poprawienia szybkości reakcji systemu na zdarzenia (np. skracając interwały komunikacyjne) lub wydłużenia czasu autonomicznej pracy urządzeń bezprzewodowych. Przekazywanie informacji o stanie czuwania ma również związek z przyspieszeniem włączania systemu w dozór, czyli skróceniem czasu, przez który system nie reaguje na zdarzenia. W efekcie jest on znacznie bardziej bezpieczny.
Inną korzyścią z dwukierunkowej komunikacji jest możliwość zdalnego konfigurowania urządzeń – np. zmiany czułości czujki PIR czy aktywacji tzw. WalkTestu bez konieczności fizycznego dostępu do czujki.
Nowoczesne układy komunikacyjne nie tylko umożliwiają dwukierunkową komunikację. Wykorzystanie ich możliwości zbiegło się z przejściem na pasmo częstotliwości 868 MHz. O ile inna częstotliwość nie jest ani lepsza, ani gorsza, fakt narzucenia przez urzędy regulacyjne bardziej restrykcyjnych przepisów dotyczących dostępu do tej części pasma radiowego powoduje, że jest ona dużo mniej zaśmiecona, a w związku z tym transmisja jest pewniejsza. Urządzenia alarmowe transmitujące dwukierunkowo korzystają też powszechnie z bardziej zaawansowanych metod modulacji, które są bardziej odporne na zakłócenia. Rozbudowane i zaawansowane odbiorniki, stosowane zwłaszcza w urządzeniach nowszej generacji, cechują się dobrą selektywnością oraz czułością. W efekcie urządzenia wykorzystujące taką technikę transmisji są bardziej złożone i wyprodukowanie ich jest droższe, ale korzyści płynące z ich zastosowania z nawiązką rekompensują wyższą cenę.
Cała prawda o zasięgu
Jednym z najczęściej branych pod uwagę parametrów urządzeń bezprzewodowych jest zasięg łączności radiowej. Wynika to w dużej mierze z dotychczasowych doświadczeń instalatorów systemów zabezpieczeń. Słysząc o zasięgach rzędu 100 m, 200 m i 300 m, instalatorzy zakładali, że realny dystans kilku czy kilkunastu metrów pomiędzy urządzeniami będzie gwarantował dobrą jakość komunikacji (w końcu sprzęt powinien dysponować rezerwą zasięgu). Niestety tak nie było, zwłaszcza w przypadku zastosowania mniej wyrafinowanych urządzeń. Producenci i dystrybutorzy, pod presją oczekiwań swoich klientów, zaczęli podawać coraz bardziej wyśrubowane parametry opisywane jako zasięg w terenie otwartym.
Owszem, zasięg w terenie otwartym to istotny parametr określający budżet energetyczny połączenia pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem (zależność związaną z mocą nadajnika i czułością odbiornika). Nie umożliwia on jednak jednoznacznego określenia, jak dobrze dane urządzenia poradzą sobie w realnych warunkach instalacyjnych. Dwa systemy o identycznym zasięgu mierzonym w terenie otwartym mogą zupełnie różnie zachować się w realnym obiekcie. Wynika to z faktu, że pomiary zasięgu w przestrzeni otwartej nie uwzględniają potencjalnych źródeł zakłóceń, zjawisk odbicia i wygaszania sygnału, a także skupiają się wyłącznie na przypadku optymalnego położenia anten. W rzeczywistej sytuacji pojawiają się przeszkody stałe: ściany, stropy, nierzadko solidnie zbrojone czy wyposażone w dziesiątki metrów kabli. Pojawiają się źródła zakłóceń: pracujące urządzenia elektryczne i elektroniczne, a także inne urządzenia komunikujące się bezprzewodowo. Poza tym poszczególne urządzenia są montowane w miejscach narzuconych przez zasadę działania (np. czujki ruchu powinny być zamontowane w określonym miejscu, by swoim polem detekcji objąć chroniony obszar), niekoniecznie tam, gdzie byłoby to korzystne ze względu na łączność radiową. Do tego dochodzą czynniki zmienne – ludzie w pomieszczeniach (dla fal z zakresu setek MHz ciało ludzkie stanowi przeszkodę) czy ruchome meble lub towary na półkach magazynowych.
Czynników wpływających na skuteczność łączności jest bardzo dużo. Praktycznie nie sposób określić nawet w dużym przybliżeniu, jaką komunikację uzyskamy pomiędzy punktem A i punktem B w konkretnym budynku, dlatego w każdym innym niż akademickie rozważania przypadku niezbędne będzie praktyczne zweryfikowanie osiągów urządzeń. W tym celu producenci zaawansowanych urządzeń bezprzewodowych dają instalatorom stosowne narzędzia – skanery pasma czy testery pozwalające mierzyć poziom sygnału. Skaner pasma może dać instalatorowi informację o tym, czy w danej lokalizacji poziom zakłóceń radiowych spowoduje pogorszenie parametrów (osłabienie czułości), oraz umożliwi oszacowanie, w jakim stopniu sygnały z urządzeń (czujek itp.) odróżniają się od szumu tła. Dzięki testerowi mierzącemu poziom sygnału można wybrać optymalne miejsce montażu elementów składowych systemu. Niektórzy producenci oferują czujki wyposażone w zintegrowany tester sygnału, więc nie trzeba kupować odrębnego urządzenia.
Projektując systemy bezprzewodowe, należy brać pod uwagę to, że w przypadku pasma 868 MHz faktyczny zasięg wewnątrz budynków będzie wahać się w granicach od kilkudziesięciu metrów w sprzyjających warunkach (lekka zabudowa – cegła lub ścianki gipsowe, urządzenia zainstalowane na jednej kondygnacji) do kilkunastu czy nawet kilku metrów w trudnych warunkach (ściany żelbetowe, komunikacja przez stropy). Może więc okazać się, że niezbędne będzie użycie urządzeń poprawiających jakość komunikacji – powielaczy sygnału (tzw. repeaterów) czy systemów komórkowych z wieloma modułami odbiorczymi, umożliwiających wybór optymalnej trasy sygnału radiowego.
Wewnątrz pomieszczeń, gdzie występują rozliczne odbicia sygnału radiowego od przeszkód czy lokalne zaniki sygnału, lepiej działają odbiorniki wyposażone w układ wielu anten automatycznie wybierających silniejszy sygnał (tzw. odbiór przestrzennie zbiorczy). W ten sposób można w pewnym stopniu zminimalizować niekorzystny wpływ przeszkód i zapewnić bardziej równomierny zasięg wewnątrz pomieszczeń.
Czy warto stosować techniki bezprzewodowe?
Odpowiedź na to pytanie jest napisana przez życie. W wielu przypadkach bezprzewodowy system alarmowy będzie optymalnym wyborem. Obiekty o wysokim standardzie wykończenia, w przypadku których koszt wykonania prac remontowych nie znalazłby ekonomicznego uzasadnienia, czy budynki, których oryginalnej struktury nie można zmieniać, są typowymi miejscami zastosowania urządzeń bezprzewodowych. Dużą zaletą urządzeń bezprzewodowych jest też szybki montaż – nie trzeba układać okablowania. Nie bez znaczenia jest też rachunek ekonomiczny – zwłaszcza w krajach Europy Zachodniej, w których koszty pracy ludzkiej są na tyle wysokie, że mimo zastosowania droższych i bardziej skomplikowanych komponentów bezprzewodowych całkowity koszt wykonania zabezpieczenia bezprzewodowego będzie niski w porównaniu z systemem tradycyjnym.
Mimo pozornie prostszej instalacji prawidłowy dobór komponentów i ich właściwe skonfigurowanie wymaga wiedzy i doświadczenia. Przydatna jest też wiedza dotycząca ograniczeń zastosowanych technik – niejednokrotnie pozwala ona zrozumieć istotę złożonych zjawisk zachodzących w systemie komunikującym się drogą radiową. Dokonanie odpowiedniego wyboru, a później świadome wykorzystanie dostępnych narzędzi pozwoli zaoszczędzić czas i pieniądze.
Michał Konarski