CC BY
38
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ СИСТЕМ СИГНАЛИЗАЦИИ И КОНТРОЛЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ КОРАБЛЕЙ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ
Образцов Иван Викторович,
адъюнкт кафедры устройства и живучести подводных лодок Военно-морского политехнического института военно-учебного научного центра Военно-морского флота «Военно-морская академия»,
г. Пушкин, Россия, lion-jan@ya.ru
Круглеевский Владимир Николаевич,
д.т.н., доцент, старший научный сотрудник Научно-исследовательского института кораблестроения и вооружения Военно-морского флота военно-учебного научного центра Военно-морского флота «Военно-морская академия»,
г. Санкт-Петербург, Россия, skpo@bk.ru
О
с
Ключевые слова:
система; пожар; сигнализация; датчик; беспроводной; радиочастотный; идентификация; пьезоэлектрик; транспондер.
Материал посвящен возможности реализации в системах пожарной сигнализации беспроводной передачи информации на основе технологии радиочастотной идентификации и использования датчиков температуры на поверхностных акустических волнах. Важным, с точки зрения предотвращения развития пожара, является обнаружение процесса образования очага возгорания на этапах пожароопасной и предпожарной ситуаций. Наиболее подходящими из известных беспроводных технологий передачи информации для указанныхусловий является технологии радиочастотной идентификации. В системах радиочастотной идентификации используются активные и пассивные метки. Пассивные метки, не имея собственного источника питания, необходимую для работы энергию получают из поступающего от считывателя электромагнитного сигнала. Большим преимуществом пассивных меток по сравнению с активными метками является практически неограниченный срок службы, так как они энергонезависимы и не требуют замены батареек, что позволяет их использовать для длительного хранения информации. Недостаток пассивных меток - необходимость использования более мощных устройств считывания информации. Наряду с радиочастотными метками передающими только записанный в них уникальный код в системах радиочастотной идентификации используются датчики различных физических параметров на основе линий задержки на так называемых структурах поверхностных акустических волн. Система пожарной сигнализации может быть построена на основе типового узла беспроводной системы сбора информации. В подобной системе будут использоваться температурные датчики поверхностных акустических волн. Поэтому более точно такую систему пожарной сигнализации следует называть системой температурно-тревож-ной сигнализацией.В беспроводных системах пожарной сигнализации могут использоваться активные радиочастотные метки. Их применение наиболее эффективно для контроля, так называемого «человеческого фактора». Основные задачи, относящиеся к «человеческому фактору»: контроль каждого человека как источника пожарной опасности и использование людей (персонал объекта), в качестве источников первичной информации о пожарной опасности в помещениях объекта.Если для решения первой задачи могут быть использованы, в принципе, пассивные радиочастотные транспон-деры, которые можно закрепить на одежде человека и контролировать его перемещения, то для решения второй задачи более удобно использовать активные радиочастотные транспондеры.
Пожароопасные объекты, будь то морские или речные суда, морские платформы, портовые сооружения, как правило, представляют собой пространственные системы множества различных по назначению помещений с достаточным для возникновения и развития пожара количеством горючих веществ, окислителя (кислорода воздуха) и потенциальных источников зажигания. Пожар возникает, если в помещении в определенный момент создаются условия контакта горючего, окислителя и источника зажигания в достаточном количественном соотношении.
При нормальном состоянии помещения газообразные и жидкие горючие вещества находятся в пределах своих технологических систем, а твердые горючие материалы имеют температуру, при которой исключается выделение каких-либо летучих веществ, окиси углерода, метана и других углеводородов, способных воспламеняться. Источники зажигания хотя потенциально и присутствуют в помещении, но бездействуют - нет повышенных нагревов воздушной среды и механизмов, отсутствуют искры, короткие замыкания. При нормальном состоянии помещения и на начальных этапах процесса пожарообразования содержание кислорода в воздушной среде практически не изменяется. В то же время параметры горючих веществ и источников зажигания изменяются и находятся в определенной взаимосвязи.
Образование опасного контакта источников зажигания и горючих материалов исключено во всех помещениях объекта при нормальной работе его систем, технических средств и оборудования. Это обеспечивается как соответствующими проектными решениями, так и правильной эксплуатацией соответствующего объекта. Однако, функционирование технических средств, находящихся внутри помещения, в результате возникновения и развития аварийного происшествия,
может выходить за границы нормальных параметров, что, в случае непринятия противодействующих мер, может привести к возникновению пожара.
В соответствии с принятыми теоретическими представлениями весь процесс возникновения и развития пожара условно можно разделить на отдельные этапы со своими признаками, как это показано на рис. 1.
Важным, с точки зрения предотвращения развития пожара, является обнаружение процесса образования очага возгорания на этапах пожароопасной и предпо-жарной ситуаций. Следует отметить, что не смотря на то, что задачу сверхраннего обнаружения пожаров, на самой ранней стадии их развития, разработчики СПС стремятся решить уже многие годы, она до сих пор еще не решена. СПС обнаруживают пожар только на этапе возгорания. Те современные СПС, в составе которых имеются сигнализаторы угарного газа или наличия продуктов термодеструкции в воздушной среде помещения, позволяют обнаруживать факт возникновения предпожарной ситуации, но не указывают места расположения развивающегося очага пожара.
Исходя из того, что правила пожарной безопасности учитываются при проектировании объекта, а затем выполняются при его постройке и эксплуатации, то нарушить их может только авария, связанная с разрушением оболочек, которые ограничивают технологические перемещения жидких и газообразных горючих веществ или изолируют нагретые до высоких температур элементы оборудования и источники открытого пламени, способные стать источниками зажигания. Учитывая это,предлагается пожарную опасность при изменении обстановки в помещении контролировать, как это показано на рис. 2, следующим образом:
1. В первую очередь необходимо, распознав «нештатную ситуацию» в помещении, осуществить контроль за перемещением и состоянием горючих мате-
1. Пожароопасная ситуация. Наличие горючих материалов и окислителя, находящийся в контакте, появление источника зажигания достаточной мощности (Физико-химические процессы, связанные с воздействием теплоты на горючую систему, еще не начались),
2. Предпожарная ситуация. Пламенное горение отсутствует , под воздействием нагрева происходит пиролиз твердых горючих веществ, испарение воспламеняющихся жидкостей с образованием горючих паров, выделение горючих газообразных веществ в объем помещения, искрение и наличие электрических дуг у электрооборудования и т.п. (Последствия этой ситуации для судна минимальны].
3. Возгорание.Возникает пламенное горение. Происходит медленное изменение среднеобъемной температуры помещения, так как выделяемая в очаге горения теплота идет главным образом на нагрев воздуха и горючих материалов. (Последствия этой аварийной ситуации для судна незначительны).
Рис. 1. Характерные признаки начальных этапов развития пожара
Рис. 2. Способ контроля пожарной опасности
риалов и веществ (ГМВ) и потенциальных источников зажигания (ИЗ);
2. При распознавании факта изменения обстановки в помещении, необходимо определить, появились ли зоны, в которых происходит (или может происходить) контакт ИЗ и ГМВ;
3. Далее следует сравнить температуру воспламенения ГМВ и температуру потенциального ИЗ;
4. В случае, если температура ИЗ за вычетом некоторого «страховочного» значения a окажется больше температуры воспламенения ГМВ, следует сигнализировать о факте возникновения и координатах очага возгорания.
Обнаружение зоны контакта ГМВ и ИЗ, способного привести к образованию очага возгорания, и является фактом возникновения пожароопасной ситуации (ПОС) в помещении.
Учитывая множество разнообразных ИЗ и ГМВ расположенных в помещениях объекта противопо-
жарной защиты, появляется необходимость в установке большого количества сенсоров, контролирующих тепловое поле и изменение обстановки, что невозможно реализовать в полном объеме, используя аппаратуру обычных СПС, по множеству причин (стоимостным, массо-габаритным, надежностным и т.п.). В то же время уменьшение количества источников информации влечет за собой сокращение информации, характеризующей пожарную опасность. Задача оптимизации количества сенсоров связана с задачей распознавания пожарной опасности напрямую: чем меньше сенсоров мы оставим от первоначального числа, тем больше окажется неопределенности в задаче распознавания.
В настоящее время для передачи информации между источниками информации (пожарные извещатели), устройствами обработки (модули, блоки) и представления информации (щиты и панели) в системах по-
Рис. 3. Извещатель пожарный тепловой взрывозащищенный
Рис. 4. Структура системы радиочастотной идентификации
жарной сигнализации используются, в основном, электрические кабели.
Развитие элементной базы микроэлектроники позволило создать миниатюрные сенсоры различного назначения. Однако процесс миниатюризации датчиков сдерживается необходимостью использования электрических кабелей, внешние диаметры которых в несколько раз превышают размеры чувствительных элементов датчиков. Это приводит к усложнению конструкции и значительному увеличению внешних габаритов датчика, большую часть которого занимают устройства ввода-вывода электрических кабелей как это видно на рис. 3. Как следствие, значительно повышается стоимость датчика, а потребляемая им энергия, в основном, расходуется на формирование и передачу по электрическому кабелю сигналов к устройству обработки информации.
Наблюдая значительный прогресс в развитии беспроводных технологий передачи информации и широкое их внедрение в различные сферы человеческой деятельности, целесообразно рассмотреть возможность их использования для передачи сигналов от датчиков и сигнализаторов в систему пожарной сигнализации.
Так как объем информации, формируемый сигнализатором, небольшой, а передача сигнала должна осуществляться внутри помещений на расстояние, не превышающее в большинстве случаев 10 метров (при этом могут проявляться такие факторы пожара, как задымление и открытое пламя), наиболее подходящими из известных беспроводных технологий передачи информации для указанных условий является технологии радиочастотной идентификации (так называемые РЧИ - технологии).
Системы РЧИ получили широкое распространение в начале 90-х годов. Состав типовой системы РЧИ показан на рис. 4.
Метка и считыватель связаны между собой радиочастотным каналом. Метка состоит из приемопередатчика и антенны. Считыватель также содержит в своем со-
ставе приемопередатчик и антенну. Контроллер может входить в состав считывателя, а может изготавливаться и в виде отдельного устройства. Контроллер образует интерфейс для обмена с устройством обработки информации, в качестве которого используется компьютер.
Некоторые фирмы-разработчики интегрируют считыватель, антенну и контроллер в одном изделии, другие, наоборот - в разных. Устройство обработки занимается непосредственно хранением, обработкой и применением полученной от меток информации в различных пользовательских программах.
Посредством приемопередатчика и антенны считыватель излучает электромагнитное поле определенной частоты. Попавшие в зону действия считывающего поля радиочастотные метки «отвечают» собственным сигналом, содержащим определенную информацию (например, код метки) на той же самой или другой частоте. Сигнал улавливается антенной считывателя, принятая информация расшифровывается и передается через контроллер в компьютер для обработки.
Радиочастотная метка обычно включает в себя приемник, передатчик, антенну и блок памяти для хранения информации (рис. 5). Приемник, передатчик и
Рис. 5. Структурная схема пассивной радиочастотной метки
Скпозны«
KOMI .IKТЫ
Рис. 6. Пассивные метки на основе КМОП-чипа
память конструктивно выполняются в виде отдельной микросхемы (чипа). Если в состав конструкции метки включается источник питания (например, литиевая батарейка), то такая метка становится активной.
В системах РЧИ используются активные и пассивные метки.
Пассивные метки, не имея собственного источника питания, необходимую для работы энергию получают из поступающего от считывателя электромагнитного сигнала. Электрический ток, индуцированный в антенне электромагнитным сигналом от считывателя, обеспечивает достаточную мощность для функционирования кремниевого КМОП-чипа, размещённого в метке, и передачи ответного сигнала. Дальность чтения пассивных меток зависит от энергии считывателя. Внешний вид пассивных меток показан на рис. 6. Компактность меток зависит от конфигурации внешних антенн, которые по размерам превосходят чип во много раз и, как правило, определяют габариты меток.
Большим преимуществом пассивных меток по сравнению с активными метками является практически неограниченный срок службы, так как они энергонезависимы и не требуют замены батареек, что позволяет их использовать для длительного хранения информации. Недостаток пассивных меток - необходимость использования более мощных устройств считывания информации.
Наряду с радиочастотными метками передающими только записанный в них уникальный код в РЧИ-системах используются датчики различных физических параметров на основе линий задержки на так называемых ПАВ-структурах.
Принцип работы радиочастотных датчиков основан на двух физических явлениях: поверхностных акустических волнах (ПАВ) и пьезоэлектричестве. ПАВ представляет собой акустическую волну, распространяющуюся в тонком приповерхностном слое среды. На рис. 7 и 8 показаны конструкции устройств на ПАВ.
Скорость распространения ПАВ примерно на пять порядков меньше, чем у электромагнитных волн - характерная скорость ПАВ составляет около 3000 м/с. При
этом частота ПАВ находится в радиочастотном диапазоне электромагнитных волн - обычно от 30 МГц до 3 ГГц. Соответственно, длина ПАВ может составлять от одного до нескольких десятков микрон. Амплитуда ПАВ лежит в нанометровом диапазоне. Энергия ПАВ уменьшается экспоненциально с увеличением глубины - большая ее часть сосредоточена в приповерхностном слое толщиной примерно в одну длину волны.
Если средой распространения ПАВ является пьезоэлектрический материал, то ПАВ могут возбуждать электромагнитные волны, и, наоборот, для генерации ПАВ могут использоваться электромагнитные колебания. Для возбуждения и детектирования ПАВ в пьезоэлек-
( у
1 - Звукопровод из пьезоэлектрического материала
2 - Электромеханический преобразователь входной
3 - Электромеханический преобразователь выходной
Рис. 7. Устройство электронного прибора на ПАВ
Рис. 8. Конструкция линии задержки на ПАВ с отражательными структурами в виде металлических полосок или канавок
трике применяют так называемые встречно-штырье-вые преобразователи (ВШП). ВШП состоит из плоских параллельных металлических электродов, расположенных на поверхности пьезоэлектрического материала и попеременно соединенных друг с другом через общие шины. Если к двум соседним электродам приложено постоянное напряжение, то возникающее между ними электрическое поле вызывает упругую деформацию пьезоэлектрика (обратный пьезоэффект).
Если же приложить переменное напряжение к шинам, то в пьезоэлектрике возникают гармонические механические колебания. Эти колебания порождают ПАВ, которая распространяется в обе стороны от ВШП. Процесс детектирования ПАВ происходит в обратном порядке: акустическая волна, входя в ВШП, генерирует распределение электрического заряда между двумя гребенками электродов (прямой пьезоэффект) и тем самым формирует выходной электромагнитный сигнал в радиочастотном диапазоне.
В настоящее время уже реализованы различные различные системы контроля и диагностирования, использующие ПАВ-датчики. В качестве примера на рис. 9 представлены элементы систем контроля нагрева узлов электрооборудования с использованием ПАВ-датчиков температуры и мониторинга температуры судовых поршневых машин.
Аналогично представленным выше системами, система пожарной сигнализации может быть построена на основе типового узла беспроводной системы сбора информации, структурная схема которого представлена на рис. 10. В первую очередь, в подобной системе будут использоваться температурные ПАВ-датчики.
Поэтому более точно такую систему пожарной сигнализации следует называть системой температурно-тревожной сигнализацией.
В типовой конструкции устройства беспроводного измерения температуры датчик с антенной крепится на объекте или помещается внутрь контролируемого объема. На некотором расстоянии размещается считыватель. В состав считывателя входит автогенератор с антенной, частота генерации которого благодаря электромагнитной связи между антеннами датчика и считывателя близка к резонансной частоте датчика. Энергия, наводимая в антенне датчика, преобразуется в акустическую волну, которая распространяется вдоль чувствительной поверхности датчика, отражается от конца линии, возвращается к преобразователю и переизлучается модулю обработки. Зависимость коэффициента отражения электрической волны от частоты со стороны порта связи с внешней цепью имеет резонансный характер. Если температура окружающей среды и акустопровода изменяется, то изменение параметров распространения волны приводит к изменению резонансной частоты и максимального значения коэффициента передачи. Сигнальный процессор, входящий в состав модуля обработки, формирует значение температуры. Процесс измерения - пассивный и беспроводной.
Беспроводная система температурно-тревожной сигнализации будет состоять из множества однотипных узлов, подобных представленному на рис. 10.
Собранная стационарным считывателем информация от ПАВ датчиков, попавших в зоны контроля, передается по стандартному интерфейсу Я8-485 в бло-
Рис. 9. Элементы беспроводных систем контроля нагрева узлов электрооборудования и мониторинга поршневых машин, а также примеры установки ПАВ-датчиков температуры
Рис. 10. Структурная схема типового узла беспроводной системы сбора информации
ки сбора информации и далее поступает в прибор обработки и представления данных системы.
Объем информации, передаваемый от одного типового узла, зависит от количества датчиков в зоне контроля.
Подводя итог вышесказанному, можно сделать следующие выводы:
- использование технологии радиочастотной идентификации позволяет реализовать в системах пожарной сигнализации беспроводную передачу информации от датчиков к аппаратуре обработки и представления информации;
- в качестве датчиков температуры целесообразно использовать линии задержки на ПАВ-структурах, обладающие повышенной стойкостью к внешним воздействиям и долговечностью.
Литература
1. Harvesting Power from Ambient Energy Mar 24, 2011.
URL: http://www.siemens.com/press/photo/IN20110305-02e (дата обращения: 01.02.2015).
2. Vibration-powered Generators Replace AA, AAA Batteries. Peter Clarke. July 16, 2010. Microwave Engineering Europe . URL: http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_ EN/20100716/184262/ (дата обращения: 18.05.2015).
3. Скороходов Д.А., Суслов Д.В., Круглеевский В.Н. Передача информации в судовых системах пожарной сигнализации // Морской вестник. 2012. № 2 (42). С.53-56.
4. Артамонов В.С., Круглеевский В.Н., Скороходов Д.А., Поляков А.С. Судовые системы пожарной сигнализации. От прошлого - в будущее. СПб.: УГПС МЧС РФ, 2013. 160 с.
5. Круглеевский В.Н., Полуляхов Д.С. Анализ возможности использования беспроводной передачи информации в судовых системах контроля технических средств // Судостроение. 2013. № 3 (808). С. 41-43.
Для цитирования:
Образцов И.В., Круглеевский В.Н. Анализ возможности применения беспроводных систем сигнализации и контроля пожарной безопасности технических средств кораблей на основе технологии радиочастотной идентификации // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2016. Т. 8. № З.С.41-48.
THE ANALYSIS OF POSSIBILITY OF USING WIRELESS ALARM AND FIRE CONTROL HARDWARE SHIPS OF THE NAVY ON THE BASIS OF RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION
Obraztsov Ivan Viktorovich,
Pushkin, Russia, lion-jan@ya.ru
Krugleevsky Vladimir Nikolaevich,
St. Petersburg, Russia, skpo@bk.ru
Abstrart
Article is devoted to possibility of realization in systems of the fire alarm system of wireless information transfer on the basis of technology of radio-frequency identification and use of sensors of temperature on superficial acoustic waves. From the point of view of prevention of development of the fire, detection of process of formation of the center of ignition at stages of fire-dangerous and prefire situations is important. The most suitable of known wireless technologies of information transfer for the specified conditions is technologies of radio-frequency identification. In systems of radio frequency identification active and passive tags are used. Passive tags, without having own power supply, energy, necessary forwork, is received from the electromagnetic signal arriving from the reader. Big advantage of passive tags in comparison with active tags is almost unlimited service life as they are non-volatile and don't demand replacement of batteries that allows to use them for long storage of information. A lack of passive tags - need of use of more powerful devices of reading of information. Along with the radio-frequency tags transferring only the unique code which is written down in them in radio frequency identification - systems sensors of various physical parameters on the basis of lines of a delay on so-called surfactant structures are used. The system of the fire alarm system can be constructed on the basis of standard knot of wireless system of collection of information. In similar system will be used temperature surfactant sensors. Therefore it is necessary to call more just the same system of the fire alarm system the temperature and disturbing alarm system. In wireless systems of the fire alarm system active radio-frequency tags can be used. Their application is most effective for control, so-called "a human factor". The main objectives
relating to "a human factor": control of each person as source of fire danger and use of people (the object personnel), as sources of primary information on fire danger in rooms of object. If for the solution of the first task passive radio-frequency transponders which can be fixed on clothes of the person can be used, in principle, and to control his movements, for the solution of the second task it is more convenient to use active radio-frequency transponders.
Keywords: system; fire; alarm system; sensor; wireless; radio-frequency; identification; piezoelectric material; transponder.
References
1. Harvesting Power from Ambient Energy Mar 24, 2011. URL: http://www.siemens.com/press/photo/IN20110305-02e (date of access 01.02.2015).
2. Vibration-powered Generators Replace AA, AAA Batteries. Peter Clarke. July 19,2010. Microwave Engineering Europe. URL: http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/ 20100716/ 184262 (date of access 18.05.2015). 3.SkorohodovD.A.,SuslovD.V., Krugleevsky V.N. Information transfer in ship systems of the fire alarm system. Sea messenger. 2012. No. 2 (42). Pp. 53-56. (In Russian).
4. Artamonov VS., Krugleevsky V.N., Skorohodov D.A., Polyakov A.S. Ship systems of the fire alarm system: Of the past - in the future. SPb, GPS of Emercom of Russia, 2013. 160 p. (In Russian).
5. Krugleevsky V.N., Poluliahov D.S. The analysis of possibility of use of wireless information transfer in ship monitoring systems of technical means. Shipbuilding. 2013. No. 3 (808). Pp. 41-43. (In Russian).
Information about authors:
Obraztsov I.V., postgraduate student, Associate Chairof the device and the survivability of the submarine the Naval polytechnic Institute of Military Educational and Scientific Centre of the Navy "The Naval Academy";
Krugleevsky V.N., Ph.D., associate professor, Senior Researcher the Research Institute of Shipbuilding and Armament Navy of Military Educational and Scientific Centre of the Navy "The Naval Academy ".
For citation:
Obraztsov I.V., Krugleevsky V.N. The analysis of possibility of using wireless alarm and fire control hardware ships of the navy on the basis of radio frequency identification. H&ES Research. 2016. Vol. 8. No. 3. Pp. 41-48.
