Применение маломощных высокочастотных трансиверов с индикатором мощности принятого сигнала в системе контроля доступом

Васюков С.А.; Мурзин И.А.

Машиностроение к компьютерные технологии

Сетевое научное издание

http://www.technomagelpub.ru

Ссылка на статью:

// Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. № 08. С. 12-29.

Представлена в редакцию: 01.07.2017

УДК 621.317.39.084.2

Применение маломощных высокочастотных трансиверов с индикатором мощности принятого сигнала в системе контроля доступом

Васюков С.А.1*, Мурзин И.А.

Ба_уаьуиксА,@таД:ги 1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

1

Рассмотрены актуальные вопросы реализации автоматического снятия с охраны при приближении к автомобилю, с использованием радиоканала автосигнализации. Отмечено, что реализация автоматического (бесключевого) доступа в штатных автомобильных системах и аналогичных систем, установленных как дополнительное оборудование, предполагает радиообмен на частоте 125 кГц, набор активных антенн и встраиваемых в двери автомобиля сенсоров. Это требует больших материальных и временных затрат. В качестве альтернативы предлагается использовать радиоканал автосигнализации. В процессе автоснятия задействованы два устройства - радиометка, которую владелец носит с собой, и блок сигнализации. И метка, и радиоканал блока сигнализации содержат трансиверы - устройства, способные работать и передатчиком и приемником. Обоснована целесообразность размещения трансивера блока на лобовом стекле автомобиля и применение пассивной метки, отвечающей на сигнал запроса от трансивера блока. Сформулированы требования к характеристикам трансиверов, типы антенн и оценена эффективность их применения в радиометках на опытной партии изделий. Предложена конструкция PCB-антенны с диаграммой поляризации, близкой к круговой и экспериментально оценена ее эффективность.

Предложен и обоснован алгоритм радиообмена между трансивером автосигнализации и трансивером метки с использованием индикатора мощности принятого от метки сигнала. Экспериментально проверена работа и эффективность применения предложенного алгоритма.

Ключевые слова: трансивер; антенна; транспондер; автоматическое снятие с охраны; автосигнализация

Введение

Растущее с каждым днем число угонов требует оснащения современных автомобилей охранными и противоугонными системами. Они могут быть установлены как автопроизводителями (штатные системы), так и в качестве дополнительного оборудования в автосалонах и специализированных центрах.

На первом этапе (начало 90-х годов прошлого столетия) автомобили, сходящие с конвейера, оборудовались иммобилайзерами. Особой популярностью до сих пор пользуются беспроводные (транспондерные) иммобилайзеры [1,2]. Такое устройство состоит из пассивного (не содержащего элемента питания) чипа-транспондера, встроенного в ключ зажигания, кольцевой приемно-передающей антенны, охватывающей личинку замка зажигания, и блока управления. Задача блока управления состоит в генерации сигналов для транспондера, приеме сигналов от антенны, а также передаче сигналов на блок управления двигателем. При включении зажигания блок управления иммобилайзером подает в антенну кодированный сигнал активации транспондера. Частота несущей маломощного сигнала, излучаемого антенной, находится в диапазоне 100-150 кГц, и радиус передачи сигнала составляет всего несколько сантиметров. Встроенная антенна транспондера принимает радиосигнал и генерирует ответный сигнал в виде идентификационного кода. Кольцевая антенна улавливает идентификационный код и пересылает его в блок управления иммобилайзером. Процессор блока управления проводит сопоставление поступившего пароля с зарегистрированным ранее. Запуск двигателя происходит только в том случае совпадения паролей.

Дальнейшее развитие штатных противоугонных систем связано с системой бесключевого доступа Keyless Go [3,4], которая впервые реализована в 1998 году на автомобилях "Mercedes-Benz" в 1998 году. Система Keyless Go включает транспондер, антенны, датчики касания и электронный блок управления.

Транспондер (электронный ключ-метка) представляет миниатюрный приемопередатчик, установленный или непосредственно в ключе автомобиля, или выполненный в виде отдельного устройства (пластиковой карточки, брелка...). Водитель просто должен носить транспондер с собой (в кармане, кошельке.).

Антенны обеспечивают радиообмен с транспондером на расстоянии 1-1,5 м. Обычно внутри автомобиля устанавливается от одной до пяти активных антенн (в дверях, крышке багажника, в спинках кресел.) таким образом, чтобы распознать с какой стороны к автомобилю приближается водитель с транспондером.

Датчики касания устанавливаются в наружных ручках дверей и багажника. Они выполнены или в виде кнопок, вмонтированных в ручки, или срабатывают при прикосновении (емкостные, индуктивные.. .датчики).

При касании водителем ручки какой-либо двери или багажника, соответствующий датчик срабатывает и передает информацию в блок управления. Блок управления через антенну, расположенную ближе всего к сработавшему датчику, передает сигнал на транспондер, который генерирует ответный идентификационного код. Штатная сигнализация частично отключается, а центральный замок разблокирует нужную дверь. Этот процесс носит название автоматического снятия с охраны. При нажатии кнопки Старт-Стоп, сигнал запуска поступает на блок управления системы и далее через антенны на транс-пондер. Ответный сигнал отключает противоугонные блокировки штатной сигнализации, а затем осуществляется пуск двигателя.

При покидании автомобиля водителем, блокировка дверей и активизация противоугонной сигнализации может производиться разными способами: нажатием кнопки на дверной ручке, касанием дверной ручки или просто выходом водителя из автомобиля (автоматическая постановка в охрану).

Система Keyless Go обеспечивает высочайший уровень комфорта и безопасности, но она сложна, дорога в реализации и поэтому до недавнего времени ей штатно оборудовались только дорогостоящие автомобили иностранного производства.

Если автомобиль штатно не оборудован бесключевым доступом, но у владельца автомобиля есть желание реализовать его, на рынке дополнительного оборудования уже достаточно давно предлагаются различные системы. Зарубежные производители, в основном, выпускают копии штатных систем доступа. Среди отечественных производителей можно выделить фирму Альтоника, выпускающую системы под названием Black Bug. Так, например, система BLACK BUG SUPER 5D может работать с тремя активными антеннами [5]. Розничная цена таких систем составляет от 20 до 50 тыс. рублей, а вместе с установкой на автомобиль может превышать 100 тыс. Высокая стоимость установки обусловлена большой трудоемкостью работ, связанных с двумя основными причинами.

Первая - установка активных антенн. Они монтируются в двери, стойки кузова, между передними креслами, в спинки кресел, за приборную панель и т. п. При установке активных антенн в кресло или дверь соединительный кабель должен быть проложен так, чтобы он не испытывал натяжений при перемещении кресла или открывании двери. При выборе места расположения следует учитывать:

- присутствие в непосредственной близости от активных антенн массивных металлических элементов, металлических плоскостей, сеток и т. п.;

- наличие в автомобиле устройств, работающих в диапазоне частот от 100 до 150 кГц (например, штатный иммобилайзер, преобразователь напряжения, мультиплексированная шина передачи данных и другие);

- при дальности опознавания транспондера менее 1 метра требуется изменять положение антенн, или вообще менять место монтажа.

Вторая причина связана с установкой датчиков (контактных кнопок или бесконтактных сенсоров в ручках автомобиля). Иногда, в силу конструктивных особенностей ручек конкретного автомобиля, это просто невозможно выполнить.

Справедливости ради стоит отметить, что штатные системы бесключевого доступа, или грамотно установленные дополнительные системы с активными антеннами, работающими на частотах 100-150 кГц, обеспечивают надежное распознавание на расстоянии 1-1,5 метра от автомобиля. Причем расстояние срабатывания практически не меняется при изменении погодных условий (температуры, влажности...) и внешних электромагнитных помех (этим как раз и обусловлена работа на малозашумленных несущих частотах 100-150 кГц). Но это достигается слишком большой ценой.

Подводя итог, можно утверждать, что актуальным является разработка недорогих систем бесключевого доступа, не использующих дверные сенсоры и активные антенны.

Такая система не требует трудоемкой установки, должна быть составной частью автомобильного охранного комплекса и работать на частоте его радиоканала (434 МГц, 868 МГц и 2,4 ГГц). Очевидно, что в силу большей зашумленности таких частот и влияния погодных условий, не удастся обеспечить столь четкий радиус срабатывания. Но если система доступа будет иметь возможность регулировки расстояния срабатывания (1 -10 метров) и это расстояние будет относительно стабильным, то она будет пользоваться большим спросом.

1. Выработка рекомендаций по организации режима автоматического снятия в автомобильных охранных комплексах

При реализации системы бесключевого доступа необходимо решить несколько вопросов. На первом месте - выбор вида радиоканала и организация его работы (тип приемопередатчика, скорость обмена данными, режим энергопотребления, кодирование информации и криптозащита...). Радиоканал реализует функцию автоматического снятия (другое название - "Свободные руки"), которая является частью системы бесключевого доступа. Именно этот вопрос является предметом статьи. Вопросы, связанные с блокировками, оповещением владельца и т. п., то есть та часть, которая выполняется автосигнализацией, здесь не рассматривается.

а). Активная или пассивная метка

Функция "Свободные руки" ("Hands Free") позволяет открывать центральный замок автомобиля и переводить систему в режим "Снято с охраны" при приближении к автомобилю и закрывать центральный замок автомобиля и включать режим "Охрана" при удалении от автомобиля на несколько метров. В процессе автоснятия и автопостановки задействованы два устройства - метка, которую владелец носит с собой, и приемник (или приемопередатчик) блока сигнализации.

Работа метки в активном режиме предполагает, что схемотехнически метка является таким же устройством, как брелок автосигнализации. Но если брелок посылает в эфир кодированный радиосигнал только при нажатии кнопок, то микропроцессор метки делает это автоматически с периодом 0,5 - 1,5 с. Блоку автосигнализации, находящемуся в автомобиле, достаточно иметь только приемник. Если владелец с меткой входит в зону радиоприема, приемник получает радиосигнал метки, декодирует его и выполняет автоснятие. Обмен данными идет только в одну сторону - от метки к блоку сигнализации. Криптоза-щита при передаче сигнала обеспечивается исключительно алгоритмом шифрования. При относительной простоте реализации, главный недостаток активной метки - повышенное энергопотребление. Метка излучает периодический сигнал независимо от того, находится ли владелец рядом с автомобилем, или вне зоны действия. Для обеспечения приемлемого срока работы батарейки в метке существует только два пути. Первый - увеличение времени между автоматическими посылками. Сделать это время более 2-х секунд проблематично, так как при этом будет некоторая "заторможенность " автоснятия. Второй путь -

уменьшение мощности передаваемого сигнала, но это снижает радиус опознавания метки. Примером активной метки является однокнопочная метка Magic Label [6], разработанная при участии авторов в начале 2000-х годов и применяющаяся в системах торговой марки Excellent (разработка и производство ООО Мэджик Ринг, Москва). Метка работает на частоте 434 МГц, излучает сигналы каждые 1,5 секунды и питается от батарейки CR2430. Емкость батарейки составляет 300 мАч и мощность излучения устанавливается из расчета работы метки без замены батарейки 4-6 месяцев. Работая в паре со сверхрегенеративным приемником блока сигнализации, метка обеспечивает максимальную дальность распознавания порядка 10 метров. Следует отметить нестабильность зоны распознавания. В зависимости от хранения метки (в сумке, в кармане.), расположения блока сигнализации с приемником (под торпедой, за пластиковой обивкой в районе водительского кресла.), угла подхода к автомобилю, погодных условий. расстояние может меняться в отдельных случаях как в большую (до 25 метров), так и в меньшую сторону. Вплоть до того, что владельцу необходимо ждать 2-3 секунды около автомобиля.

Пассивная метка предполагает, что метка отвечает на запрос от блока сигнализации. И метка, и радиоканал блока сигнализации содержат трансиверы - устройства, способные работать и передатчиком и приемником. Здесь достаточно просто реализуется диалоговый режим, что в совокупности с надлежащим алгоритмом кодирования обеспечивает лучшую криптостойкость радиоканала.

Метка большую часть времени находится в "спящем режиме", этим обеспечивается режим пониженного энергопотребления. Батарейки в этом случае хватает на 1,5-2 года эксплуатации. Так как радиообмен происходит редко (только после поступления запроса от трансивера сигнализации), то особого смысла уменьшать у метки мощность передачи нет. Максимальное расстояние приема сигнала от метки может составлять 50 и более метров, что в 5 раз больше, чем при активной метке.

Подводя итог, можно сказать, что построение бесключевого доступа с пассивной меткой имеет несомненные преимущества.

б). Рекомендации по монтажу трансивера сигнализации в автомобиле

Рассмотрим возможные варианты расположения трансивера, на примере различных моделей автосигнализаций Excellent [7]. Здесь возможны три варианта (рис. 1).

Вариант №1. Плата трансивера жестко смонтирована над платой главного модуля. Достоинство варианта - компактность, отсутствие соединительного кабеля между платой главного модуля и трансивера. Недостаток заключается в том, что блок сигнализации обычно монтируется под торпедой в салоне автомобиля, и расположенные рядом жгуты проводов и другие металлические предметы затрудняют прохождение радиосигнала.

Вариант №2. Плата выносного трансивера помещается в отдельный пластиковый корпус и кабелем соединяется с главным модулем. Недостаток - необходимость дополнительного корпуса и кабеля. Другой момент связан с тем, что трансивер, во избежание значительного ослабления радиосигнала нельзя прятать слишком глубоко под приборной па-

нелью и крепить на металл кузова. Закрепление трансивера (вариант №2) на стекле или пластиковой панели в салоне не эстетично.

Вариант №3. Этот вариант в чем-то похож на вариант №2. Но здесь на плате выносного модуля дополнительно расположена кнопка ввода персонального идентификационного номера владельца, светодиод и зуммер, предупреждающий владельца о смене режимов сигнализации. Выносной модуль располагается на лобовом стекле автомобиля вверху слева или в районе зеркала заднего вида. Такой монтаж оптимален с точки зрения работы трансивера.

Вариант №2 Ашенна Вариант №1 ПАни îpiiHf.nHtiiiH

Вариант №3

Рис. 1. Варианты размещения трансивера в автосигнализациях Excellent.

в). Оценка внешних факторов, влияющих на дальность радиообмена

В процессе разработки радиоканала необходимо оптимизировать параметры для того, чтобы добиться максимальной дальности связи. Если дальность связи получается слишком большой, имеет смысл уменьшить выходную мощность и, как следствие, потребление тока.

Выбор частоты для систем в диапазоне ISM, равном 0,169.. .2,4 ГГц не всегда очевиден. Наиболее распространенные частоты, применяемые в радиоканалах сигнализаций, 315 МГц, 433 МГц, 868 МГц и 2,4 ГГц. Распространение таких волн осуществляется в пределах прямой видимости. В последнее время предпочтение часто отдается частоте 2,4 ГГц. Это связано, на взгляд авторов, с появлением на рынке дешевых, маломощных однокристальных трансиверов (основное их применение в беспроводных технологиях Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee) с высокой чувствительностью, регулируемой выходной мощностью и скоростью передачи данных, высокой избирательностью и низким энергопотреблением.

Дальность приема в открытой среде и свободном пространстве можно приближенно оценить по уравнению Фрииса [8].

_РТ ■ Gr ■ GT - Я2 п

Р ~ (4ж/)2 ' (1)

где Р - мощность, полученная от приемной антенны;

PR - мощность, передаваемая на антенну передатчика;

G и GT - коэффициенты усиления приемной и передающей антенн;

Я и d - длина волны и расстояние.

Формула (1) описывает уровень сигнала в приемнике относительно выходной мощности передатчика, расстояния, длины волны и коэффициентов усиления антенн.

Разность между мощностью полученного сигнала PR и чувствительностью приемника называется энергетическим запасом или защитной полосой. Согласно формуле Фрииса, теоретическая дальность связи равна расстоянию, на котором канал работает на уровне сигнала, равном уровню чувствительности приемника.

Для реалистической оценки ожидаемого расстояния должны быть приняты во внимание дополнительные потери. В радиоканале автосигнализации волны от передатчика-трансивера, расположенного на лобовом стекле автомобиля, отражаются и перекрываются всеми объектами, облучаемыми антенной передатчика.

Характеристики радиоканала не должны существенно ухудшаться при появлении нежелательных RF-сигналов (помех). И здесь важна высокая селективность и блокировка приемника. Вычисление расстояния в такой среде является достаточно сложной задачей и поэтому оценить реальное расстояние приема и передачи сигнала от трансивера блока к метке (и наоборот) лучше экспериментально.

г). Выбор микросхемы трансивера и приемо-передающей антенны

При выборе микросхемы трансивера на 2,44 ГГц, приоритетными являются габариты, возможность батарейного питания, шина SPI, высокая максимальная чувствительность (не менее 100 dBm), возможность регулирования мощности передатчика. Анализ продукции Digi International, Texas Instruments, Nordic, ST Microelectronics и других показал, что наиболее полно требованиям удовлетворяет трансивер Texas Instruments СС2500 [9]. Его основные характеристики: диапазон частот 2400-2483,5 МГц, максимальная чувствительность -101 dBm, программируемая скорость передачи данных до 500 kbps, программируемая выходная мощность до 0 dBm, программируемый индикатор мощности сигнала приема (RSSI), габариты 4х4 мм. Кроме того трансивер имеет программируемую полосу частот фильтра канала и быстродействующий синтезатор частоты, что позволяет организовать многоканальный радиообмен.

Мощность передатчика P ограничена законодательно и не превышает 1 мВт (0 дБм). И поэтому выбору приемно-передающей антенны (от коэффициентов усиления G и GT напрямую зависит мощность принятого сигнала) должно быть уделено повышен-

ное внимание. Конструктивно антенна в брелках и метках автосигнализаций может быть оформлена в виде системы дорожек на печатной плате (PCB антенна), в виде керамической конструкции, впаянной в плату (Chip-антенна), или в виде витой проволочной антенны. Здесь предпочтение отдадим PCB антеннам, как более технологичным и дешевым. Антенна подключается к выходным каскадам трансивера СС2500, и естественно, для выбора конкретного типа PCB антенны следует воспользоваться документацией Texas Instruments. В руководстве по выбору антенн [10] для трансивера СС2500 предлагается три типа PCB антенн: змеевидная инверсная-F антенна (Meandered Inverted-F Antenna) [11]; инверсная-F антенна (Inverted-F Antenna) [12]; петлевая дипольная антенна (Folded Dipole Antenna) [13]. Антенна должна иметь диаграмму поляризации (направленности) близкую к круговой, так как расположение метки в кармане относительно автомобильного трансивера может быть любым. Казалось бы, изучив техническую документацию [10-13], можно выбрать антенну с максимальным усилением и оптимальной диаграммой направленности. Но на практике следует учитывать некоторые ограничения:

- габариты метки (а, следовательно, электронной платы с расположенной на ней PCB антенной) должны быть как можно меньше и не превышать 4х6х0,8 см (иначе метку проблематично носить в кошельке или портмоне);

- схемотехника метки (принципиальная схема приведена в работе [7]) не сложна, но все же, на плате ограниченных размеров кроме микросхемы трансивера и антенны располагаются микроконтроллер PIC18F26K20-SS, акселерометр ADXL345 , стабилизатор LP2951CM33, держатель батарейки и элементы обвязки. Если метка используется и в качестве брелка (совмещенный брелок-метка), то на плате устанавливаются от одной до трех кнопок. При разводке платы необходимо разместить элементы таким образом, чтобы они как можно меньше влияли на мощность излучаемого сигнала.

При хранении метки в кармане, посторонние предметы (ключи, монеты...), само тело человека ослабляют излучаемый сигнал и поэтому теоретически предсказать как будет вести метка с антенной того или иного вида невозможно. Целесообразно оценить реальную дальность работы метки экспериментально. Для этих целей были изготовлены малые партии (по 3-5 экземпляров) электронных плат меток с антеннами разных типов, рис. 2.

Испытания проводились на автомобильном охранном комплексе Excellent R'evolution 5, Установленном на автомобиле Nissan X-Trail. Выносной трансивер (рис. 1, вариант 3) был установлен в верхней части лобового стекла автомобиля. Трансивер был «обучен» трехкнопочным брелкам-меткам с антеннами типов а, б и в (рис. 2). В процессе испытаний проводилась постановка сигнализации в режим «Охрана», нажатием на кнопку 1 брелка, и последующее снятие с охраны, нажатием на кнопку 2. Для каждого типа брел-ка постановка-снятие выполнялось при разных пространственных ориентациях брелка и

фиксировалось максимальное расстояние постановки-снятия. В направлении, перпендикулярном продольной оси автомобиля, расстояние составило:

- брелок со змеевидной инверсной-Б антенной - 9 метров;

- брелок с петлевой дипольной антенной - 84 метра;

- брелок со змеевидной инверсной-Б антенной - 16 метров.

в - инверсная-Р антенна

Рис. 2. Образцы электронных плат меток и брелков-меток с антеннами разных типов.

Наилучшие результаты показаны для петлевой антенны, рис. 2 б. Но здесь наблюдалось сильное различие расстояние срабатывания в зависимости от ориентации брелка. Максимум (84 метра) достигался, когда ось y брелка (рис. 2) была направлена на автомобиль. В то время как в направлении оси х расстояние срабатывания резко уменьшалось до 28 метров.

Это соответствует поляризационным диаграммам петлевой антенны [13].

Лучшую диаграмму имеет, разработанная при участии авторов, разомкнутая ди-польная антенна, рис. 2 г. За счет искривления (загиба) усов достигнута диаграмма, близкая к круговой. Испытания показали максимальную дальность в направлении оси у порядка 80 метров, и в направлении оси х - 60 метров. Именно этот тип антенны в настоящее время используется в брелках и метках Excellent.

На рис. 3 показана однокнопочная метка, разработанная авторами. Габариты печатной платы 2,8х4,4х0,45 см, а метки в собранном состоянии (без карабина) 3,4х5,5х0,7 см.

Антенна трансивера метки аналогична антенне трансивера главного модуля сигнализации, рис. 1.

Рис. 3. Однокнопочная метка Magic Label (2,44 ГГц).

2. Алгоритм работы с использованием индикатора мощности сигнала

приема

Прежде чем описать предлагаемый алгоритм работы, обсудим некоторые допущения.

1. В процессе автоматического снятия и автоматической постановки задействованы два устройства - трансивер (приемопередатчик) базового блока сигнализации и трансивер метки. Радиоканалы трансиверов базового блока и метки практически идентичны (схемотехника, напряжение питания трансиверов) и поэтому теоретически зоны покрытия метки и трансивера базового блока (при максимальном уровне мощности) одинаковы. Однако на практике это не совсем так. Трансивер базового блока сигнализации расположен на лобовом стекле автомобиля, мощность источника питания (автомобильный аккумулятор) практически не ограничена. Метка хранится в кармане или портмоне, питается от литиевой батарейки ограниченной мощности. И поэтому на практике зона покрытия трансивера блока в разы превышает зону метки. Но все же, для описания алгоритма будем считать эти зоны идентичными.

2. Метка не является устройством, самостоятельно посылающим радиосигнал, она только отвечает на сигнал запроса. Так как зона покрытия метки существенно зависит от условий хранения, то получив сигнал запроса, всегда посылает ответный сигнал максимальной мощности.

3. Алгоритм будет описан условно, без блок-схем и подробностей реализации.

Наиболее просто алгоритм автоматического снятия с охраны реализуется, если расстояние автоснятия регулируется за счет мощности сигнала запроса. На рис. 4 трансивер базового блока условно показан в виде синей точки, находящейся внутри автомобиля. Трансивер метки показан в виде зеленой точки, находящейся внутри брелка-метки.

П(цмдатч*|( базового блока БрЕ?.гн>к-мет*а а речнике приема

М-игия не нэйленэ

Вдэыржныч урсв№

M Ц ШНППТИ ГСбрОДчТГЧ^ШШ

Программно установленные уровень wcutthiw;™ перадатчгчй

Зона распространений сигнала передатчика беловою бгюкв

ф rp.ih-1 ; vi'JiJ б^нпого &гакп

Ф TpflNÇ^Hflp (Нчлча-м^тчн

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 4. Метка вне зоны трансивера

Рассмотрим случай, когда сигнализация находится в режиме Охрана и трансивер базового блока работает в режиме постоянного запроса (поиска метки). Мощность сигнала передатчика в трансивере СС2500 регулируется от -55 до 0 dBm. В трансивере СС2500 программно допустимы 17 значений мощности передатчика (таблица 31 в datasheet [9]). Отбросив первое значение, соответствующее минимальной мощность излучения, установим 16 условных программно регулируемых (в сигнализации Excellent) градаций мощности. Пусть значение 1 соответствует минимальной мощности, а 16 - максимальной. Соответствие реальной мощности излучения условным уровням приведено в таблице 1.

Таблица 1

Условные уровни мощности 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Мощность излучения [dBm] -30 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0

На рис. 4 уровни мощности передатчика условно пересчитаны в расстояние от центра трансивера и показаны в виде синих концентрических окружностей.

Рассмотрим, для примера, случай, когда мощность передатчика установлена равной 10. На рис. 4 этому случаю соответствует зона покрытия, изображенная в виде желтого круга. При показанном взаимном расположении автомобиля и метки, метка не попадает в зону покрытия, так как сигнал приемника метки ниже порога чувствительности. Метка в этом случае не отвечает на сигналы запроса.

#

■ f \ ! \

! ■ \ ; ■ ',

/ f ;'; ! *// \V \ V I \ \ ■ \

Если расстояние между автомобилем и меткой сокращается, то наступает момент, рис. 5, когда метка попадает в зону покрытия и начинает принимать сигналы запроса.

Г)*редагчикйа»во№ Ejiühs включен. Брегк*м*ет на g релшио привив-передали Mî-'тка ч& найдена

вОЛНС"-ММЦИОСГН передали. 9 huuiVJHHHa усМнОМИнчый ypowm, мощности псрвдитчикл

Зрвд распространение сигналя гаеродат^ниэ rkiWMTQ блока

» Зона распропрарнннии сигнала

ПярфЦГТЧМШ 1>пелкл-ме™1<

9 Тупому базового йгкжа

0 TpäHtPHD Ciyor: KJ -м L1 f кл

Рис. 5. Метка на границе зоны приема сигнала от трансивера.

Метка отвечает сигналом максимальной мощности. Зона распространения сигнала метки, на границе которой приемник трансивера автомобиля способен принять сигнал (на рис. 5 она показана в виде зеленой штрих - пунктирной окружности) не достигает трансивера, и автоснятия не будет. При дальнейшем сокращении расстояния, настает момент, когда ответный сигнал метки достигает до трансивера базового блока. Если же сигнал метки после принятия запроса достаточен, чтобы достигнуть базового блока, то автоснятие будет сразу же.

Экспериментальные исследования показали, что в условиях открытого пространства зона покрытия трансивера базового блока при запросе максимальной мощности достигает двухсот и более метров. Если трансивер установлен в автомобиле, то зона покрытия уменьшается. Здесь следует дополнительно отметить, что зона покрытия зависит от ориентации антенны трансивера на лобовом стекле, от того, насколько близко он по отношению к крыше автомобиля, от степени тонировки стекол, и.т.п. Экспериментальная оценка, показывающая соответствие условных уровней мощности передатчика и зоны распространения сигнала запроса приведена в таблице 2. При проведении эксперимента метка располагалась на подставке горизонтально на высоте 1,5 м от земли, ось максимальной чувствительности (ось у, рис. 2, была направлена на трансивер автомобиля. Измерения проводились сначала при приближении метки к автомобилю со стороны водительской

двери (оси у метки и трансивера автомобиля перпендикулярны друг другу), а затем - со стороны лобового стекла (оси у параллельны).

Таблица 2

Условные уровни мощности 1 2 3 4 5 6 7

Зона покрытия со стороны двери водителя [м] 1 2 2,5 4 9 12 15

Зона покрытия со стороны лобового стекла [м] 3,5 9 12 19 28 - -

Если же метка располагалась в нагрудном кармане, то размер зон снижался от двух то трех раз в зависимости от ориентации метки.

Таким образом, если расстояние автоснятия регулировать только мощностью передатчика, и ограничить максимальный радиус автоснятия 10 метрами, то условный уровень мощности нельзя выставлять более 3-х. Но снижать мощность запроса нецелесообразно по следующей причине. Кроме автоснятия, метка используется и как иммобилайзер: перед пуском двигателя идет запрос метки, и если она не ответит, пуск не будет разрешен. И вот здесь как раз и важна повышенная мощность запроса, чтобы запрос дошел до метки даже если она расположена в заднем кармане.

Главный недостаток описанного алгоритма, отсутствие сигнала обратной связи от метки к трансиверу базового блока. Обратную связь можно ввести, используя индикатор мощности сигнала приема (Я881).

Для удобства рассмотрения алгоритма с Я881 введем условный индикатор, рис. 6.

На нем синим цветом отображается условный уровень мощности принятого от метки сигнала. Очевидно - чем больше расстояние до метки, тем меньше условная мощность принятого сигнала. И поэтому мощность сигнала, и условное расстояние на индикаторе находятся в обратной зависимости. Пусть условное расстояние, при котором должно произойти автоснятие, равно 4-м. На индикаторе это показано красным цветом. Условному расстоянию 4 соответствует мощность принятого сигнала, равная 13 условным единицам. На рис. 6 мощность реально принятого сигнала (1) еще не достигла мощности автоснятия (13), и поэтому автоснятие не происходит.

Если расстояние и дальше сокращается, рис. 7, то уровень принятой мощности (синий цвет) растет. И как только мощность принятого сигнала, рис. 8, совпадает с предустановленной мощностью (и соответствующим условным расстоянием), происходит автоснятие.

Рис. 6. Индикатор мощности принятого сигнала.

Рис. 7. Мощность принятого сигнала недостаточна для автоснятия.

Рис. 8. Условия автоснятия выполнены.

При таком алгоритме возможно, при сохранении высокой мощности сигнала запроса, отрегулировать расстояние автоснятия. Рассмотренный случай работы является только примером, показывающим процесс взаимодействия метки и трансивера базового блока. В реальной обстановке зоны покрытия как трансивера блока, так и метки не являются круговыми и в сильной мере зависят от погодных условий, уровня электромагнитных помех, расположения трансивера в автомобиле и метки в кармане владельца.

Выводы

1. Выработаны рекомендации по организации режима автоматического снятия с охраны с использованием радиоканала автосигнализации. В частности:

- обосновано применение радио-меток, работающих по сигналу запроса;

- предложены и обоснованы варианты размещения трансивера в автомобиле;

- проведена качественная оценка внешних факторов, влияющих на дальность радиообмена;

- обосновано применение маломощных однокристальных трансиверов 2,4 ГГц;

- проведен анализ предлагаемых приемно-передающих PCB-антенн 2,44 ГГц, экспериментально оценена их эффективность и диаграммы поляризации применительно к трансиверам брелков-меток автосигнализаций. Разработана конструкция PCB-антенны, обеспечивающей диаграмму поляризации близкую к круговой, экспериментально проверена ее эффективность;

2. Предложен и обоснован алгоритм радиообмена между трансивером автосигнализации и трансивером метки с использованием индикатора мощности принятого сигнала. Экспериментально проверена работа и эффективность применения предложенного алгоритма.

Список литературы

1. Иммобилайзер штатный - что это такое. https://auto.today/bok/3113-immobilayzer-shtatnyy-chto-eto-takoe1.html (дата обращения 29.08.2017).

2. Андрианов В.И., Соколов А.В. Охранные устройства для автомобилей. Справочное пособие. - Спб.: Издательство Лань, 1997. - 320 с.

3. Магауенов Р.Г. Системы охранной сигнализации, основы теории и принципы построения: Учебное пособие - 2-е изд., Изд.-во: Горячая Линия - Телеком, 2004. - 367 с.

4. Keyless Go. https://en.wikipedia.org/wiki/Smart_key#Keyless_Go (дата обращения 29.08.2017).

5. Автомобильный охранно-противоугонный комплекс BLACK BUG SUPER 5 D. Рекомендации по установке. http://www.altonika-sb.щ/images/catalog/рекомендации по установке 5D Director.pdf (дата обращения 29.08.2017).

6. Magic Label -дополнение к руководству пользователя. http://www.excellent.ru/Esdbpics/MagLabel evo3.pdf (дата обращения 29.08.2017).

7. Васюков С.А. Разработка алгоритмов обработки информационного сигнала и реализация комбинированного датчика удара, наклона и движения на основе 3 -осевого MEMS-акселерометра // Радиооптика. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 6. Режим доступа: http://radiooptics.ru/doc/850702.html .

DOI: 10.7463/rdopt.0616.0850702

8. Р. Уоллес. Максимальная дальность связи по радиоканалу в системе: как этого добиться?// Новости электроники. Компел. Электр. Журн. 2015. №11. Режим доступа: http://www.compel.ru/lib/ne/2015 (дата обращения 29.08.2017).

9. СС2500. Low Cost, Low-Power 2.4 GHz RF Transceiver. Datasheet. Режим доступа: http://www.ti.com/lit/ds/symlink7cc2500.pdf (дата обращения 29.08.2017).

10. Antenna Selection Guide. Application Note AN058. Режим доступа: http://www.ti.com/lit/an/swra 161b/swra 161b.pdf. (дата обращения 29.08.2017).

11. Small Size 2.4 GHz PCB antenna. Application Note AN043. Режим доступа: http://www.ti.com/lit/an/swra117d/swra117d.pdf. (дата обращения 29.08.2017).

12. 2.4-GHz Inverted-F Antenna. Design Note DN007. Режим доступа: http://www.ti.com/lit/an/swru 120c/swru 120c.pdf. (дата обращения 29.08.2017).

13. Folded Dipole Antenna for CC25xx. Design Note DN004. Режим доступа: http://www.ti.com/lit/an/swra118/swra118.pdf. (дата обращения 29.08.2017).

Mechanical Engineering & Computer Science

Electronic journal

http://www.technomagelpub.ru

Mechanical Engineering and Computer Science, 2017, no. 08, pp. 12-29.

Received: 01.07.2017

The Low-Power High-Frequency Transceivers with a Received Signal Power Indicator Used in the Access Control System

S-A-Vasyukov1'*, I.A. Murzin1 ':&a_Ya;;yuko^mailju

:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: transceiver; antenna; transponder; automatic disarming; car alarm

The article deals with relevant issues to implement automatic disarming through the radio channel of car alarm when approaching the car. Notes that the implementation of automatic (keyless) access in standard automotive systems, using wireless communication between the owner's transponder tag and the car's transponder at a frequency of 125 kHz and a set of active antennas, requires large costs and is therefore available only in business-class cars. To implement this function in the same form at the stage of installation of additional equipment is expensive and time-consuming. As an alternative, the proposal is to use the radio car alarm. A disarming process involves two devices, namely a RFID-tag, which the owner carries around, and an alarm unit. Both the tag and the alarm unit radio channel contain transceivers, i.e. devices capable of operating both as a transmitter and as a receiver. The paper justifies that it is expedient to place the transceiver of unit on the car windshield and use a passive label responding to the request signal from the transceiver of unit. Formulates requirements for transceiver characteristics and based on the analysis of publications proves the CC2400 (Texas Instruments) transceiver selection. Analyses the possible types of antennas the manufacturer offers for the CC2500 transceiver. Estimates their using efficiency in RFID-tags through manufacturing and testing a developed batch with PCB antennas of different type. A developed proprietary antenna design, as compared to the manufacturer's antennas, has a polarization diagram close to circular. The paper shows its experimentally estimated effectiveness. An algorithm is analysed when the distance of automatic disarming is adjusted only through the power of the transmitter of the alarm transceiver. It is noted that the algorithm does not use information about the signal from the tag to the unit. It is experimentally justified that its use of the algorithm without feedback allows us to obtain a stable automatic disarming zone. A radio-exchange algorithm between the car alarm transceiver and the tag transceiver is proposed and justified using the power indicator of the signal received from the tag. The operation and effectiveness of the proposed algorithm are tested experimentally.

References

1. Иммобилайзер штатный - что это такое. https://auto.today/bok/3113-immobilayzer-shtatnyy-chto-eto-takoe1.html (дата обращения 29.08.2017).

2. Андрианов В.И., Соколов А.В. Охранные устройства для автомобилей. Справочное пособие. - Спб.: Издательство Лань, 1997. - 320 с.

3. Магауенов Р.Г. Системы охранной сигнализации, основы теории и принципы построения: Учебное пособие - 2-е изд., Изд.-во: Горячая Линия - Телеком, 2004. - 367 с.

4. Keyless Go. https://en.wikipedia.org/wiki/Smart key#Keyless Go (дата обращения 29.08.2017).

5. Автомобильный охранно-противоугонный комплекс BLACK BUG SUPER 5 D. Рекомендации по установке. http://www.altonika-sb.ru/images/catalog/рекомендации по установке 5D Director.pdf (дата обращения 29.08.2017).

6. Magic Label -дополнение к руководству пользователя. http://www.excellent.ru/Esdbpics/MagLabel_evo3.pdf (дата обращения 29.08.2017).