Принцип шифрования GSM канала

Использование пароля (PIN - персонального идентификационного цифрового кода) - один из простых методов аутентификации. Он дает очень низкий уровень защиты в условиях использования радиосвязи. Достаточно услышать этот персональный код всего лишь один раз, чтобы обойти средства защиты. В действительности GSM использует PIN-КОД в сочетании с SIM (Subscriber Identify Module. Данный PIN-код проверяется на месте самим SIM без передачи в эфир.

Рисунок 1.3 - Вычисление аутентификации

Помимо него, GSM использует более сложный метод, который состоит в использовании случайного числа (от 0 до 2¹²⁷), на которое может ответить только соответствующее абонентское оборудование. Суть этого метода в том, что существует огромное множество подобных чисел и поэтому маловероятно, что оно будет использовано дважды.

Аутентификация производится путем требования дать правильный ответ на следующую головоломку: ответ SRES абонент может вывести из поступившего RAND, применяя алгоритм A3 с личным ключом Ki.

SRES (Signed Result - подписанный результат), получают в форме итога вычисления, включающего секретный параметр, принадлежащий данному пользователю, который называется Ki (рис.1). Секретность Ki является краеугольным камнем, положенным в основу всех механизмов безопасности - свой собственный Ki не может знать даже абонент. Алгоритм, описывающий порядок вычисления, называется алгоритмом A3. Как правило, такой алгоритм хранится в секрете.

Для того чтобы достигнуть требуемого уровня безопасности, алгоритм A3 должен быть однонаправленной функцией, как ее называют эксперты криптографы. Это означает, что вычисление SRES при известных Ki и RAND должно быть простым, а обратное действие - вычисление Ki при известных RAND и SRES - должно быть максимально затруднено. Безусловно, именно это и определяет в конечном итоге уровень безопасности. Значение, вычисляемое по алгоритму A3, должно иметь длину 32 бита. Ki может иметь любой формат и длину. Криптографические методы дают возможность с помощью относительно простых средств добиться высокого уровня безопасности. В GSM используются единые методы для защиты всех данных, будь то пользовательская информация, передача сигналов, связанных с пользователем или даже передача системных сигналов. Необходимо проводить различие только между двумя случаями: либо связь оказывается защищенной, либо связь является незащищенной.

Алгоритм А5 выводит последовательность шифрования из 1 14 бит для каждого пакета отдельно, с учетом номера кадра и шифровального ключа Кс.

Как шифрование, так и расшифровка производятся с применением операции " исключающее или" к 114 " кодированным" битам радиопакета и 114-битовой последовательности шифрования, генерируемой специальным алгоритмом, который называется А5. Для того чтобы получить последовательность шифрования для каждого пакета, алгоритм А5 производит вычисление, используя два ввода: одним из них является номер кадра, а другим является ключ - Кс, известный только мобильной станции и сети. В обоих направлениях соединения используются две разные последовательности: в каждом пакете одна последовательность используется для шифрования в мобильной станции и для расшифровки на BTS, в то время как другая последовательность используется для шифрования в BTS и расшифровки в мобильной станции.

Рисунок 1.4 - Шифрование и расшифровка

Номер кадра меняется от пакета к пакету для всех типов радиоканалов. Ключ Кс контролируется средствами передачи сигналов и изменяется, как правило, при каждом сообщении. Этот ключ не предается гласности, но поскольку он часто меняется, то не нуждается в столь сильных средствах защиты, как ключ Ki; например, Кс можно свободно прочитать в SIM.

Алгоритм А5 необходимо устанавливать на международном уровне, поскольку для обеспечения MS-роуминга он должен быть реализован в рамках каждой базовой станции. На данный момент один-единственный алгоритм А5 установлен для использования во всех странах. В настоящее время базовые станции могут поддерживать три основных варианта алгоритма А5: А5/1 - наиболее стойкий алгоритм, применяемый в большинстве стран; А5/2 - менее стойкий алгоритм, внедряемый в странах, в которых использование сильной криптографии нежелательно; А5/3 - отсутствует шифрования. По соображениям безопасности его описание не публикуется. Этот алгоритм является собственностью организации GSM MoU. Тем не менее, его внешние спецификации обнародованы, и его можно представить как " черный ящик", принимающий параметр длиной 22 бита и параметр длиной 64 бита для того, чтобы создавать последовательности длиной 114 битов. Как и в случае с алгоритмом аутентификации A3, уровень защиты, предлагаемой алгоритмом А5, определяется сложностью обратного вычисления, то есть вычисления Кс при известных двух 114-битовых последовательностях шифрования и номера кадра.

Ключ Кс до начала шифрования должен быть согласован мобильной станцией и сетью. Особенность стандарта GSM заключается в том, что ключ Кс вычисляется до начала шифрования во время процесса аутентификации. Затем Кс вводится в энергонезависимую память внутри SIM с тем, чтобы он хранился там даже после окончания сеанса связи. Этот ключ также хранится в сети и используется для шифрования.

Всякий раз, когда какая-либо мобильная станция проходит процесс аутентификации, данная мобильная станция и сеть также вычисляют ключ шифрования Кс, используя алгоритм А8 с теми же самыми вводными данными RAND и Ki, которые используются для вычисления SRES посредством алгоритма A3.

Алгоритм А8 используется для вычисления Кс из RAND и Ki. Фактически, алгоритмы A3 и А8 можно было бы реализовать в форме одного-единственного вычисления. Например, в виде единого алгоритма, выходные данные которого состоят из 96 бит: 32 бита для образования SRES и 64 бита для образования Кс.

Следует также отметить, что длина значимой части ключа Кс, выданная алгоритмом А8, устанавливается группой подписей GSM MoU и может быть меньше 64 битов. В этом случае значимые биты дополняются нулями для того, чтобы в этом формате всегда были использованы все 64 бита.

Шифрование оказывается весьма эффективным для защиты конфиденциальности, но для защиты каждого отдельно взятого обмена информацией по радиоканалу не может использоваться. Шифрование с помощью Кс применяется только в тех случаях, когда сети известна личность абонента, с которым идет разговор. Понятно, что шифрование не может применяться для общих каналов, таких как ВССН, который принимается одновременно всеми мобильными станциями в данной сотовой ячейке и в соседних сотовых ячейках. При перемещении мобильной станции на какой-либо специальный канал некоторое время происходит " начальная загрузка", в течение которой сеть еще не знает личность абонента, скажем, Владимира, и, следовательно, шифрование его сообщения невозможно. Поэтому весь обмен сигнальными сообщениями, несущий сведения о личности неопределенного абонента, должен происходить в незашифрованном виде. Какая-либо третья сторона на данной стадии может подслушать информацию об этой личности. Считается, что это ущемляет право Владимира на секретность, поэтому в GSM введена специальная функция, позволяющая обеспечить такого рода конфиденциальность.

Защита также обеспечивается путем использования идентификационного псевдонима, или временного идентификатора мобильного абонента, которое используется вместо идентификатора абонента IMSI (Международный идентификатор мобильного абонента) в тех случаях, когда это возможно. Этот псевдоним должен быть согласован заранее между мобильной станцией и сетью.

Особенно стоит отметить, что в наземном канале передачи данные передаются по проводам в незашифрованном виде, и перехват информации идет именно с них.

1.4 Функции gsm каналов, используемые системами безопасности

1.4.1 SMS канал

Довольно сильно распространен на рынке систем безопасности в нашей стране тип сигнализаций использующий функцию SMS сообщений. Такая популярность обуславливается низкой стоимостью и простотой использования данных GSM-сигнализаций. В профессиональных охранных системах данный тип передачи извещений используется в основном как сервисный канал. Оповещение о чрезвычайной ситуации или о проникновении на объект является обязательным атрибутом систем охраны и с точки зрения технической реализации может быть исполнено в такой форме как предупреждение звонком на телефон, DTMF кодом, в любом цифровом виде, а также передачей SMS сообщения собственнику.

Для передачи извещений по средством SMS сообщений используется самый известный GSM-сервис мобильных операторов. И одновременно самый простой в реализации метод. GSM модемы с SMS-передатчиком имеют доступную цену, в тоже время просты в настройке, а пультовым приемным устройством может являться любой сотовый телефон.

В своей работе GSM-сигнализации, использующих SMS сообщения для передачи тревожных сообщений полностью идентичны своим аналогам, которые используют другие каналы передачи данных. В данных сигнализациях используются все те же GSM-модемы. На объекте устанавливается контрольная панель с GSM-модулем. В зависимости от типа связи с датчиками подключаются охранно-пожарные датчики. В случае срабатывания одного из датчиков, на панель поступает сигнал. В свою очередь в случае замыкания одной из зон, контроллер дает команду GSM-модему отправить SMS сообщение по одному или нескольким номеров из памяти.

Широкое распространение получил так называемые дачные охранные сигнализации. Данный тип GSM-сигнализаций почти всегда сочетает в себе охранные функции и функции дистанционного управления исполнительными устройствами.

Слабое место данных охранных систем всем хорошо известно: SMS-сообщения могут задерживаться в SMS-сервере на неопределенное время, а иногда просто теряются, так как данный канал связи не является приоритетным. В случае загруженности GSM канала SMS сообщения отправляются в последнюю очередь

Таблица 1.1 - Поддержка способов передачи извещений на ПЦН

1.4.2 Voice канал

Voice канал условно делиться на DTMF сигнал и речевое оповещение. Данный канал очень популярен среди пультовых охранных систем. У данного канала GSM сети есть свои плюсы и минусы. Из плюсов можно выделить простота перехода с проводной охранно-пожарной сигнализации на GSM-сигнализацию. Минусы это забивание канала в случае неисправности или плохого сигнала. Voice канал - cамый распространенный канал передачи данных в охранных системах использующий GSM технологии передачи данных. Voice канал - это голосовой тракт использующий речевое оповещение и DTMF-код. Про речевом оповещении в случае тревоги GSM-сигнализация звонит на телефон и проговаривает в заранее записанное сообщение. С DTMF немного сложнее. В DTMF при нажатии на клавишу кнопочного телефона раздается звук (тон), который является комбинацией двух тонов, высоко - и низкочастотного.

Система сигналов DTMF включает восемь тонов, которые были специально подобраны таким образом, чтобы передаваться через телефонную сеть без затухания и с минимальным воздействием друг на друга. Поскольку эти звуковые сигналы попадают в частотный диапазон человеческого голоса, были дополнительно введены меры для того, чтобы голос не воспринимался как набор. Одна из таких мер - деление тонов на две группы, высоко - и низкочастотную.

Таблица 1.2 - Возможности, представляемые различными системами охраны.

Обычно в GSM-сигнализациях для пультов ПЦН используются стандартные форматы, например протокол Contact ID. На данный момент DTMF - самый распространенный канал передачи данных, поскольку форматы данных, принцип передачи, приемное оборудование - полностью заимствовано у проводного мониторинга. Использование DTMF форматов предъявляет дополнительные требования к проработке звукового тракта GSM-модема. Аналого-цифровые преобразования влекут за собой искажения при передаче сигнала. Из-за этого могут происходить сбои при приеме отчетов от объектового оборудования

1.4.3 TCP/IP GPRS (General Packet Radio Service)

Технология пакетной передачи GPRS использует в качестве механизма доставки пакетов данных протоколы TCP/IP, в случае применения которых каждому из устройств сети присваивается уникальный IP-адрес. Существует два вида IP-адресов: статические и динамические. Статические IP-адреса могут предоставляться либо Интернет-провайдерами, либо операторами сотовых сетей.

Динамические IP-адреса выдает оператор при подсоединении к сети GPRS и только на время сеанса связи. Если по каким-либо причинам сеанс прервался, то при повторном подсоединении устройство, не имеющее статического IP-адреса, получит новый динамический, отличный от предыдущего. Необходимо упомянуть тот факт, что если устройство, в том числе модем GSM/GPRS, авторизовалось в сети и получило динамический IP-адрес, то для поддержания виртуального GPRS-канала в активном состоянии нужно через определенные временные интервалы передавать сигнальные пакеты на любой известный IP-адрес, иначе оператор разъединит соединение с сетью.

Возможны разные варианты выделения IP-адресов ЦПО и концентраторам сетей счетчиков. Наиболее часто встречающийся вариант - наличие у ЦПО статического IP-адреса, а у абонентов - динамических. Причем статический IP-адрес выделяет ЦПО не сотовый оператор, а Интернет-провайдер при подключении ЦПО к Интернету по выделенному каналу доступа.

При такой организации системы возможны два сценария установления соединения между устройствами в целях передачи данных. Если инициирующим соединение устройством является концентратор, он организует GPRS-сеанс с инфраструктурой сотового оператора, получает от него динамический IP-адрес и устанавливает TCP/IP-соединение с ЦПО. ЦПО должен быть сконфигурирован на прием и обработку запросов на соединение по выделенному каналу доступа в Интернет. При поступлении запроса на соединение от концентратора его динамический IP-адрес станет известен ЦПО, что сделает возможным двухсторонний обмен информацией.

Если же инициатором связи является ЦПО, то он дозванивается до удаленного модема по голосовому каналу GSM или посылает SMS-сообщение на его номер. Концентратор воспринимает входящий звонок с известного номера как команду на установление соединения с ЦПО и далее действует так, как было описано ранее. Минимальным требованием при организации соединения с ЦПО является “знание” концентратором статического IP-адреса ЦПО. Если же концентратор не “знает” этот адрес, то его можно сообщить концентратору по голосовому каналу GSM или посредством службы SMS.

При необходимости организовать связь с концентратором, имеющим статический IP-адрес, ЦПО обращается к нему по этому адресу, устанавливая GPRS-соединение. Для этого модем GSM/GPRS концентратора должен быть сконфигурирован на прием и обработку запросов на соединение по каналу TCP/IP. Такой способ организации канала передачи данных возможен, однако на практике почти не встречается из-за сложности получения статических IP-адресов у сотовых операторов для всех удаленных устройств системы.

Актуален и такой вариант: концентраторы и ЦПО имеют динамические IP-адреса. Это возможно, когда ЦПО не оснащен выделенным каналом доступа в Интернет, но расположен в зоне действия одного из операторов сотовой связи. В этом случае уже не важно, кто является инициатором связи - концентратор или ЦПО, действия по реализации канала передачи данных всегда будут одни и те же.

Инициирующее связь устройство организует GPRS-сеанс с инфраструктурой сотового оператора и получает от него динамический IP-адрес. Затем оно сообщает полученный адрес другому устройству и передает ему команду соединиться по этому адресу. Вызываемое устройство, организовав GPRS-сеанс и получив динамический IP-адрес, устанавливает TCP/IP-соединение с вызывающим устройством.

1.5 Обзор существующих систем безопаснсоти, использующих GSM канал

К наиболее популярным по частоте применения относятся системы охранной сигнализации с добавлением недорогих функций пожарной сигнализации. В связи с тем, что комплексные системы сигнализации зачастую производятся по высокой цене для обеспеченных клиентов.

Цель таких систем – охрана больших по площади территорий и зданий (коттеджи, предприятия, заводы, фабрики и др.). Но и остальные граждане нуждаются в безопасности своего имущества. Рассмотрим некоторые системы оповещения.

1.5.1 «Лунь-9Т» (Охрана и безопасность)

Прибор приемно-контрольный охранно-пожарный беспроводного канала связи GSM. Предназначен для организации пультовой охраны малых и средних объектов (офисные помещения, квартиры, магазины).

Может использоваться совместно с клавиатурой «Линд-Т» или считывателем электронных ключей «Линд-8». Существуют модификации «Лунь-9Т» для использования с 4-проводными датчиками и 2-проводными датчиками. «Лунь-9Т» имеет 8 конфигурируемых шлейфов, контроль наличия сети переменного тока 220 В, разряда аккумуляторной батареи и управление ее зарядом. Есть также контроль наличия сирены, выход для подключения сирены с током до 200 мА, управляемый выход питания датчиков с нагрузочной способностью 200 мА.

Рисунок 1.3 – ППК «Лунь 9т»

«Лунь-9Т» выполняет все функции удаленного управления и отчета о состоянии запросу с пульта. Можно использовать 2 sim-карты. Устройство имеет 2 релейных выхода, осуществляет доставку событий на пульт по каналам GPRS и Voice GSM-сети. Может работать с автодозвонным коммуникатором ТК-7 для передачи событий через городскую телефонную сеть, имеет функцию защиты от ложных срабатываний пожарных шлейфов.

1.5.2 Модуль сотовой связи GSM-4 (Satel)

GSM-4 совместим со всеми контрольными панелями и оборудованием, передающими извещения по аналоговой телефонной линии PSTN. Модуль сотовой связи можно использовать как запасную линию PSTN, а при отсутствии на объекте телефонной связи – и в качестве основной линии.

Оповещение – в форме голосового сообщения, SMS или CLIP. Отправление сигналов мониторинга от любой ПКП может производиться по SMS или в одном из популярных форматов по GPRS-каналу.

Рисунок 1.4 - Модуль сотовой связи GSM-4 (Satel)

На базе GSM-4 можно реализовать дистанционное управление. Модуль имеет три выхода, которые активируются, например, при срабатывании датчика или же по телефону с помощью CLIP. GSM-4 имеет четыре программируемых входа, активирующих оповещение и/или GPRS-мониторинг. Их состояние контролируется при помощи SMS, голосовых сообщений или CLIP. Пользователям предоставляется программа DLOAD10 для конфигурации модуля с ПК через RS-232. Кроме этого, GSM-4 можно запрограммировать с интегрального LCD-дисплея.

1.5.3 Мираж-GSM-А4-03 («Стелс»)

Мираж-GSM-А4-03 – это конструктивно законченный прибор в пластиковом корпусе со встроенным источником питания и отсеком для аккумулятора на 7 А/час. Прибор предназначен для организации охранно-пожарной сигнализации в домах, дачах, квартирах и небольших офисов. Информация об объекте передается на телефоны 8 пользователей в виде SMS и голосовых сообщений. Контроллер поддерживает сети двух операторов сотовой связи, имеет 4 проводных шлейфа сигнализации, которые могут быть запрограммированы как пожарные, с питанием по шлейфу или как охранные, с тактиками: круглосуточный режим, автовзятие, тихая тревога, задержка на оповещение, ночной режим.

Рисунок 1.5 - Мираж-GSM-А4-03 («Стелс»)

Прибор имеет один встроенный датчик температуры и возможность подключения четырех дополнительных, а также микрофон для акустического контроля помещения. Три выхода, типа «открытый коллектор» программируются на управление сиреной, световым оповещателем, как терморегулятор, а также, для удаленного управления различными устройствами. Управление постановкой и снятием под охрану осуществляется с помощью ключей Touch Memory, скрытого выключателя, кодовой панели «Мираж-КД-02» или дистанционно с помощью SMS-сообщений, голосового меню или WEB-конфигуратора.

2. АНАЛИЗ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ ИСПОЛЬЗУЮЩИХ GSM КАНАЛ

2.1 Измерение сопротивления шлейфа

Приемно-контрольные приборы относятся к техническим средствам контроля и регистрации информации. Они предназначены для непрерывного сбора информации от извещателей, включенных в шлейф сигнализации, анализа тревожной ситуации на объекте, формирования и передачи извещений о состоянии объекта на пульт централизованного наблюдения, а также управления местными световыми и звуковыми оповещателями и индикаторами.

Приборы обеспечивают сдачу на охрану и снятие объекта с охраны по принятой тактике, а также в ряде случаев электропитание извещателей.

Приборы являются основными элементами, формирующими на объекте информационно-аналитическую систему охранной или охранно-пожарной сигнализации. Такая система может быть автономной или централизованной. В первом случае приборы устанавливают в помещении (пункте) охраны, размещаемом на охраняемом объекте или в непосредственной близости от него. При централизованной охране объектовый комплекс технических средств, формируемый одним или несколькими приборами, образует объектовую подсистему охранно-пожарной сигнализации, которая с помощью системы передачи извещений передает в заданном виде информацию о состоянии объекта на пульт централизованного наблюдения, размещаемый в центре приема извещений о тревоге (пункте централизованной охраны).

Информация, формируемая прибором при автономной и централизованной охране, передается сотрудникам специальных служб обеспечения охраны объекта, на которых возложены функции реагирования на тревожные извещения, поступающие с объекта. Для повышения достоверности получаемой информации при организации контроля состояния объекта с помощью технических средств применяют многорубежные комплексы охранной и пожарной сигнализации.

Каждый из рубежей сигнализации представляет собой совокупность последовательно объединенных электрической цепью (шлейфом сигнализации) совместно действующих технических средств охранной и пожарной сигнализации, позволяющую выдать извещение о проникновении (попытке проникновения) в охраняемую зону (зоны) или пожаре, независимо от других технических средств, не входящих в данную цепь. При этом в каждый рубеж сигнализации включают извещатели, основанные на разных принципах действия

Шлейф сигнализации (ШС) является одной из необходимых составных частей объектовой системы охранно-пожарной сигнализации. Он представляет собой проводную линию, электрически связывающую выносной элемент (элементы), выходные цепи охранных, пожарных и охранно-пожарных извещателей с входом приемно-контрольного прибора.

Рисунок 2.1 – Эквивалентная схема двухпроводного шлейфа сигнализации:

G_пом – генератор напряжения помех; Z_i^ш – составляющая сопротивления проводников шлейфа сигнализации; Z_J^y – составляющая сопротивления утечки между проводниками шлейфа сигнализации; Z_в – выносной элемент

Шлейф сигнализации прибора является одним из наиболее «уязвимых» элементов объектовой системы охранно-пожарной сигнализации, в наибольшей степени подверженных воздействию различных внешних факторов. Одной из основных причин неустойчивой работы приборов на объекте являются нарушения шлейфа сигнализации. Они представляют собой отказ в виде обрыва или короткого замыкания в шлейфе, происходящих в результате постепенного самопроизвольного ухудшения его параметров. Возможно умышленное вмешательство в электрическую цепь шлейфа с целью нарушения его правильного функционирования.

Шлейф сигнализации состоит из отдельных участков проводных линий, в которые включаются извещатели различных типов, имеющие электромеханические контакты в местах их подключения. В качестве извещателей для контроля открывания фрамуг, люков, дверей и т.п. применяют извещатели с магнитоконтак-

том, однако пока используются извещатели электромеханического типа с негерметичным контактом, «омические» линейные извещатели в виде тонких проводов или фольги. Материалом контактируемых частей таких извещателей является латунь, алюминий, медноникелевый сплав и реже — посеребренный металл.

В качестве проводных линий наиболее часто применяют телефонные провода (ТРП, ТРВ и т.п.), имеющие незалуженные медные жилы. Собственное сопротивление каждого из таких проводников R = 91 Ом/км, паразитная емкость между ними С= (10 000... 12 000) пФ/км. Максимальная длина шлейфа обычно не превышает нескольких сот метров. Однако общее сопротивление проводников шлейфа с учетом переходных сопротивлений может составить сотни Ом.

Для обеспечения надежного функционирования прибора в широком диапазоне условий эксплуатации должен быть обеспечен оптимальный электрический режим работы шлейфа сигнализации. В приборе должна быть обеспечена защита от электромагнитных помех, а также от импульсов высокого напряжения в шлейфе сигнализации. Современным требованием к прибору является также возможность питания и совместной его работы по шлейфу сигнализации с токопотребляющими охранными и активными пожарными извещателями.

Рассмотрим наиболее распространенные методы контроля шлейфа сигнализации:

- с питанием шлейфа сигнализации постоянным током и используемым в качестве выносного элемента резистором;

- с питанием шлейфа сигнализации знакопеременным импульсным напряжением и используемыми в качестве нагрузки

последовательно соединенными резистором и полупроводниковым диодом;

- с питанием шлейфа сигнализации пульсирующим напряжением и используемым в качестве выносного элемента конденсатором.

Метод контроля шлейфа сигнализации с питанием его постоянным током подразумевает непрерывный контроль входного сопротивления шлейфа сигнализации. Схема типового узла контроля приемно-контрольного прибора приведена на рисунке 2.1.

В узле контроля шлейфа входное сопротивление определяется по значению амплитуды аналогового сигнала U_K, снимаемого с плеча делителя, который образуется шлейфом сигнализации с входным сопротивлением R_BX и измерительным элементом — резистором R_И:

. (2.1)

Рисунок 2.1 - Схема типового узла контроля приемно-контрольного

прибора

На выходе аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) устанавливают два порога напряжения, соответствующие верхней и нижней границам зоны разрешенных значений входного напряжения шлейфа сигнализации (рис. 2.2). В процессе эксплуатации и изменения сопротивлений шлейфа сигнализации и сопротивления утечки входное сопротивление шлейфа не должно выходить за пределы зоны разрешенных значений. Поскольку точное значение порога может быть установлено только с некоторой погрешностью, определяемой технологическим разбросом R_t, и погрешностью АЦП, то в данном случае подразумеваются верхняя и нижняя пороговые зоны.

Рисунок 2.2 – Диаграммы функционирования шлейфа сигнализации:

При достижении R_BX верхнего или нижнего порога прибор должен переходить в тревожный режим работы.

Рисунок 2.3 - Зависимости сопротивления выносного резистора R_B

от сопротивления шлейфа R_m, утечки R_y и инструментальной

погрешности а при контроле.

Оптимально выбранным считается значение выносного резистора, при котором обеспечивается контроль шлейфа с заданными параметрами и формирование извещения «Тревога» при срабатывании извещателя, установленного в этот шлейф. На рис. 2.3 приведены зависимости, определяющие выбор оптимачьного значения сопротивления выносного резистора R_B в зависимости от сопротивления шлейфа R_ш, сопротивления утечки R_y, а также инструментальных погрешностей а при контроле: кривая 1 — при α _н= α _в = α ₄=0; 2 — при α _н= α _в =0, α ₄ = 0, 05; 3 — при α _н = α _в = 0, 1, α ₄ = 0; 4 — при α _н = α _в = 0, 1, α ₄= 0, 05; во всех случаях R_y= 20 кОм.

Метод контроля с питанием шлейфа сигнализации постоянным током получил широкое распространение из-за простоты, однако он требует относительно благоприятных условий для эксплуатации шлейфа сигнализации и его тщательного технического обслуживания.

Метод контроля шлейфа сигнализации с питанием шлейфа сигнализации знакопеременным импульсным напряжением обеспечивает повышение нагрузочной способности шлейфа для питания токопотребляющих извещателей.

В качестве нагрузки шлейфа сигнализации применяют последовательно соединенные резистор и полупроводниковый диод.

Форма и параметры импульсов напряжения, а также пороговые значения амплитуды тока, протекающего в шлейфе сигнализации, для одного из вариантов исполнения узла контроля приведены на рис. 2.4.

Рисунок 2.4 - Форма и параметры импульсов напряжения (а); пороговые значения амплитуды тока (б) в шлейфе сигнализации

Данные значения пороговых значений установлены в модулях селекции пожарного прибора для сопротивления оконечного резистора 2, 7 кОм. Метод контроля предусматривает относительно длительное [(700 ±70) мс] действие напряжения к шлейфу сигнализации с полярностью, обратной полярности выносного полупроводникового диода, и кратковременное [(50 ±5) мс] изменение полярности входного напряжения. При обратной полярности напряжения ток через выносные элементы шлейфа не течет, а используется для питания токопотребляющих извещателей. При прямой полярности напряжения цепь питания шлейфа сигнализации аналогична описанной выше для метода контроля на постоянном токе с выносным резистором. Применение знакопеременного напряжения в шлейфе сигнализации позволяет получить дополнительную информацию о характере нарушения в шлейфе и типе сработавших извещателей.

Для этого последовательно с выходными выводами извещателеи, включаемыми в шлейф сигнализации параллельно проводникам шлейфа, устанавливаются полупроводниковые диоды, полярность которых противоположна полярности выносного диода.

Параллельно выводам подключения выходных цепей извещателеи, включаемым последовательно в шлейф сигнализации, устанавливаются резисторы сопротивлением 5, 1 кОм. В этом случае в приборе могут: выделиться сигналы о нормальном состоянии шлейфа сигнализации; сработать извещатели с параллельно включенными выходными цепями или с последовательно включенными выходными цепями, а также может нарушиться шлейф в виде его обрыва или короткого замыкания (извещение «Неисправность»).

Дополнительно к указанному ранее ограничению по применению данного метода, связанного с использованием шлейфа в неблагоприятных климатических условиях, при этом методе невозможно использовать извещатели с малой длительностью формирования тревожного извещения.

Метод контроля с питанием шлейфа сигнализации пульсирующим напряжением основан на анализе переходных процессов в шлейфе, нагруженном на электрический конденсатор.

В качестве контролируемых параметров переходного процесса в устройствах контроля шлейфа сигнализации можно использовать напряжение на входе шлейфа сигнализации через установленный интервал времени и длительность перезаряда выносного конденсатора, при котором напряжение на входе шлейфа

достигает установленного порогового значения (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 - Схема узла контроля, работающего по методу пульсирующего

напряжения

Анализируемым параметром является длительность t_n разряда конденсатора С_ш, определяемая как интервал времени от начала разряда до момента достижения напряжения на выходе делителя R_з установленного значения. Применение данной схемы разряда Сш позволяет сформировать такую характеристику чувствительности узла контроля шлейфа сигнализации, при которой возможна многоуровневая селекция состояния шлейфа сигнализации (рис. 2.6).

Рисунок 2.6 – Зависимость контролируемого времени t_и от параметров шлейфа сигнализации: 1 - R_y=∞, Сш = 0, 47 мкФ; 2 — R_у=20 кОм, С_ш=0, 47 мкФ; 3 — R_у=5 кОм, С_ш=0, 47 мкФ; 4— R_у=2 кОм, С_ш=0, 47 мкФ; 5 — R_у= ∞, С_ш= 0, 01 мкФ

Изменение сопротивления шлейфа сигнализации в пределах разрешенных значений 0... 1 кОм не приводит к изменению длительности t_и, при дальнейшем увеличении R_m происходит уменьшение t_и почти линейно и со значительной крутизной. Паразитная емкость шлейфа cигнализации не более 50 нФ (что соответствует длине шлейфа сигнализации примерно 4 км); она не приводит к существенному изменению tи (кривая 1). Получение таких зависимостей t_и = f (C_m, R_m, R_y) позволяет не только обеспечить селекцию нормального и нарушенного состояний шлейфа сигнализации, но и определять самопроизвольное изменение его параметров вследствие увеличения контактного сопротивления в местах соединения проводников шлейфа сигнализации и извещателей, появления утечки между проводами шлейфа сигнализации и т.п.

Это достигается введением двух дополнительных зон возможного изменения t_и, ограниченных пороговыми значениями (на рис. 2.6 обозначены штриховыми линиями).

Присутствующие на выходе АЦП контрольные импульсы сравниваются в селекторе временных интервалов с импульсами эталонной длительности 0, 625, 1, 25, 2, 5 мс, формируемыми генератором. При исправном шлейфе сигнализации длительность контрольных импульсов 1, 25...2, 5 мс. В рассматриваемом случае устанавливается дежурный режим работы прибора. При длительности контрольных импульсов t_и, превышающих 2, 5 мс (что соответствует подключению с целью саботажа к шлейфу сигнализации дополнительной емкости) или менее 0, 625 мс (что соответствует нарушению шлейфа сигнализации), прибор работает в тревожном режиме.

Изменение параметров шлейфа сигнализации в процессе работы прибора, приводит к уменьшению длительности контрольных импульсов до значений 0, 625... 1, 25 мс. Это характеризует устойчивое состояние шлейфа сигнализации, при котором возникает угроза потери достоверности информации, принимаемой от шлейфа сигнализации. Прибор переходит в режим формирования извещения «Внимание».