Оптический барьер для систем безопасности

В отличие от датчиков движения, задача оптического ба­рьера — точно определить пересечение объектом некоторой охранной границы и зафиксировать его вход в охраняемую зону. На первый взгляд такая задача решается просто: ус­танавливается направленный источник инфракрасного или ви­димого излучения и оптической системой формируется луч, который направляется на приемник. При пересечении луча приемник выдает соответствующий сигнал.Теперь рассмотрим такую ситуацию: если объект — это, на­пример, человек, который рядом с оптическим барьером мах­нул рукой, но в зону не вошел. Как это должно оцениваться? А если человек махнул рукой, а потом вошел в зону. Сколь­ко «нарушителей» оказалось в охраняемой зоне? А если си­стема со световым барьером должна работать, как счетчик, например, изделий, которые движутся неравномерно и вдоба­вок еще и с вибрацией. Как идентифицировать информацию с приемника, который будет выдавать последовательности импульсов? А если система работает совместно с системой идентификации, что, как и когда идентифицировать? Как вид­но, вопросов оказывается намного больше, чем ответов.

Автору статьи в одной из разработок пришлось как раз искать ответы на все эти вопросы. Требовалось однозначно определить вход объекта в некоторую зону, при этом не учитывать прохождение барьера объектами с размерами, менее заданных. При этом надо учитывать вход в зону опо­знанных и неопознанных объектов. То есть вариантов собы­тий оказывается значительно больше, чем это кратко описа­но в начале статьи.

Система, получившая название «Счетчик объектов», пред­назначена для подсчета хаотически движущихся объектов с условием их идентификации. То есть она позволяет посчи­тать общее количество объектов, пересекших некоторую зо­ну, и отдельно число идентифицированных по некоторым при­знакам объектов в этом количестве. Область применение счетчика — это системы учета и контроля, системы безопас­ности. Основа системы — это два особым образом располо­женных оптических датчика. Принцип их расположения по­казан на рис.1.

Суть идеи (впервые в сокращенном варианте была опуб­ликована в [1]) в том, что объект в ходе своего перемеще­ния должен на каком-то этапе одновременно перекрыть сра­зу два датчика, естественно, что при этом датчики буду пе­рекрываться и открываться поочередно. Это позволяет обес­печить различную реакцию системы на крупные (соответст­вующие критериям рис.1) и реакцию на мелкие объекты (не соответствующие критериям рис.1). То есть, например, дви­жением руки такую систему в заблуждение не введешь. Сам объект может многократно делать попытки входа в зону обнаружения и выхода из нее, то есть перемещаться туда-сю­да. Повторный его учет может быть только в случае, если он прошел полностью зону контроля, из нее вышел (полностью ее покинул) и вошел туда вновь. Поскольку датчики разнесе­ны и могут быть скрытно расположены, то определить, как обмануть такую систему, к тому же без знания алгоритма ее работы, будет сложно. Датчики могут работать как с раз­дельными излучателями, так и в ряде случаев с одним об­щим. В первой практической системе использовались датчи­ки на основе фотоприемников от оптических прерывателей H22LOI [2] (их собственный излучающий диод удалялся) с отдельно установленным внешним ИК излучателем. Оптический прерыватель H22LOI представляет собой чувствительный фо­топриемник с триггером Шмитта, а его выход — ключ с от­крытым коллектором. В режиме засветки H22LOI (именно это­го варианта исполнения, имеются и иные варианты исполне­ния прерывателей в этом семействе) внешним лучом выход­ной ключ открыт, а в режиме его отсутствия — разомкнут.

Работа устройства

Схема оптического барьера показана на рис.2. Устрой­ство выполнено на двух ИМС, которые сконфигурированы в три триггера (DD1-2, DD1-3; DD2-1; DD2-2) с простой уп­равляющей логикой. Поскольку алгоритм работы устройст­ва довольно сложный и разветвленный, то его описание заняло бы много места. Поэтому рассмотрим только ос­новные его моменты.

В начальный момент времени, когда объект еще не во­шел в зону действия системы, лучи излучателей светового ба­рьера засвечивают датчики (U1, U2), и на их выходах при­сутствует уровни, соответствующие лог. «0». Соответственно, на выходе элемента «ИЛИ-HE» (DD1-1) устанавливается уро­вень лог. «1», который блокирует RS-триггер на элементах DD1-2, DD1-3 и принудительно устанавливает его в состояние лог. «1» на выводе 10 DD1-3. Эта лог. «1», в свою очередь, установит уровень лог. «0» на выходе элемента DD1-4 («Вы­ход 4»). Индикатор HL1 светится зеленым. Это указывает на то, что система находится в режиме ожидания.

Как только объект входит в зону первого датчика, он пе­рекрывает световой луч, и на выходе датчика 1 устанавли­вается уровень лог. «1». Выход DD1-1 переходит в состоя­ние лог. «0», и индикатор HL1 гаснет — система активирова­на (состояние «Выхода 3» меняется с лог. «1» на лог. «0»). Изменение состояния датчика 1 вызывает переключение триг­гера DD2-1 (по переднему фронту) и принудительно устанав­ливает триггер DD2-2 в состояние лог. «1» на выходе Q1. Соответственно, его инверсный выход Q2 устанавливается в состояние лог. «1». При этом загорается красный светодиод индикатора HL1, сигнализируя о том, что система перешла в режим идентификации объекта, в этом режиме идентифи­катор получает разрешение на работу по входу EN (enable). Внешнее исполнительное устройство получает команду «Объ­ект обнаружен, система готова к его идентификации», на «Вы­ходе 2» состояние меняется с лог. «0» на лог. «1». Как только объект перекроет и второй датчик, на выходе элемен­та DD1-1 установится уровень лог. «0», тем самым, RS- триггер на элементах DD1-2, DD1-3 будет разблокирован.

Если объект успешно идентифицирован, то идентифика­тор выдаст лог. «1», тем самым, упомянутый RS-триггер ме­няет свое состояние с лог. «1» на лог. «0» (имеется в виду цепь, подключенная к выводу 12 DD1-4). Если объект не был успешно идентифицирован, то состояние RS-триггера не изменяется. Как только объект выйдет из зоны первого дат­чика, на его выходе опять установится уровень лог. «0», триг­гер на DD2-1 будет принудительно переведен в состояние лог. «1» на выходе Q1, а выход Q2 поменяет свое состоя­ние с лог. «1» на лог. «0». Если идентификация объекта бы­ла успешной (RS-триггер на элементах DD1-2, DD1-3 был пе­реведен в низкий логический уровень), то на «Выходе 4» появится короткий импульс, свидетельствующий о том, что идентифицированный объ­ект прошел зону. В про­тивном случае, импульс на этом выходе будет отсут­ствовать, и его состояние так и останется равным лог. «0». Но в любом слу­чае на «Выходе 1» схема выдаст короткий импульс, свидетельствующий о том, что некоторый объект пол­ностью прошел защитный световой барьер. По этому импульсу осуществляется подача сигнала тревоги или подсчет входа в зону иден­тифицированных объектов. После этого схема опять перейдет в режим ожида­ния и включится зеленый светодиод индикатора HL1 (режим ожидания).

Элементы R4, С3 улуч­шают работу RS-триггера на DD1-2, DD1-3 и обес­печивают его начальную установку. Элементы R7, С6 обеспечивают началь­ную установку триггера DD2-1 при подаче напря­жения питания.

Индикатор HL1 исполь­зуется опционно и позво­ляет контролировать рабо­ту системы. Резисторы в цепи коллекторов выход­ных ключей R1, R2 датчи­ков могут быть увеличены до 10 кОм. Блок иденти­фикации может иметь соб­ственный выход (на рис.2 не показан).

Временная диаграмма работы устройства показа­на на рис.3. На диаграм­ме показаны два основных режима работы устройст­ва. В зоне «А» показан ре­жим для случая пересече­ния барьера идентифицированным объектом. В зоне «В» — режим работы при пере­сечении барьера не идентифицированным объектом.

Осциллограмма 1 — это импульсы, позволяющие осуще­ствить подсчет общего числа объектов, пересекших свето­вой барьер.

Осциллограмма 2 — режим обнаружения объекта (вы­сокий уровень).

Осциллограмма 3 — активация системы и ее готовность к идентификации объекта (низкий уровень).

Осциллограмма 4 — показывает импульс, указывающий, что барьер пересек идентифицированный объект.

В качестве излучателей могут использоваться недорогие малогабаритные лазерные модули типа HLDPM10-650-3 (см. фото) с регулировкой луча (на плате модуля имеет­ся специальный подстроенный резистор). Эти модули мо­гут формировать луч с пятном диаметром 1…2 мм на до­вольно большом расстоянии, поэтому можно упростить об­щую конструкцию системы. Датчик и излучатель устанав­ливают вместе, а возврат луча на датчик осуществляют, ис­пользуя отражатель. Для подключения лазерного модуля и получения нуж­ного пятна свето­вого луча ис­пользуется не­сложное доба­вочное устройст­во, показанное на рис.4.

Напряжение, подаваемое на лазеры (VD2 на рис.4), а следовательно, и их рабочий ток, задаются резисторами R1, R2. Для ИМС LM317 его можно рассчитать по формуле U_вых=1,25·(1+R2/R1) [3].

Необходимо помнить, что рабочее напряжение указанно­го лазерного модуля составляет 3 В. Если есть необходимость в дополнительной регулировке тока лазерного модуля, то ре­зистор R2 заменяют последовательно включенными постоян­ными и подстроечными резисторами. Индикатор HL2 — опци­онный. Он очень удобен при выставлении оптического барь­ера на объекте, так как легко позволяет обнаружить попа­дание луча излучателя на датчик.

Детальный алгоритм работы этого несложного устройст­ва приведен в табл.1 и табл.2. Стрелками показано движе­ние объекта. Как видно, положительная реакция системы есть только в одном случае — барьер пройден, объект идентифи­цирован. Как видно из таблиц, никаких лишних обнаруже­ний система не дает.

	высокий     логический          уровень     (лог.1);
	низкий       логический          уровень     (лог.0);
	одиночные импульсы  высокого логического уровня;
	датчики;
	объект и направление его движения.

В качестве идентификатора могут использоваться любые системы: устройства RFID, считыватели магнитных или штрих­кодов и т.п. Первый вариант устройства с ИК излучателями использовался для идентификации прохождения барьера с распознаванием пластиковых карт. Эти устройства без еди­ного сбоя успешно эксплуатируются с 2007 года. Системы с лазерным модулем используются с 2010 года.

Естественно, что для надежной работы системы должны быть приняты соответствующие меры, предотвращающие внеш­нюю засветку датчиков (приемников).

Литература

1. Vladimir Rentyuk. Count objects as they pass by // — 2010. — July 15.
2. H22L Series OPTOLOGIC® Optical Interrupter Switch, Fairchild Semiconductor Corp., May 2007.
3. LM117/LM317A/LM317 3-Terminal Adjustable Regulator, National Semiconductor Corp. May 1996.

Автор: Владимир Рентюк, г. Запорожье