В этой части нашего обзора рассмотрим некоторые схемотехнические решения, которые используются при разработке несложных GSM сигнализаций. В частности, остановимся на организации основного и резервного питания, контроля основного питания, построении входов охранных датчиков, защиты считывающих устройств и т.д.
Несомненно, залогом надёжной работы любого электронного устройства является его обеспечение стабильным и надёжным питанием. Охранные сигнализации относятся к устройствам, которые постоянно находятся во включенном состоянии, поэтому разработке их блоков питания нужно уделить особое внимание. Помимо этого, обязательным условием является обеспечение охранной сигнализации резервным питанием на случай пропадания электроэнергии. При пропадании основного питания сигнализация должна переключиться на режим работы от резервного источника питания, и перейти обратно при его восстановлении.
В качестве резервных источников питания обычно используют кислотные герметичные аккумуляторы. Они бывают различной емкости, наиболее распространенные имеют значение емкости от 1,3 до 7 А*h. Основным достоинством таких аккумуляторов является то, что они могут работать в так называемом «буферном» режиме. Использование этого режима позволяет очень просто организовать подзарядку резервного аккумулятора. Чем выше емкость аккумулятора, тем больше время, которое сигнализация сможет проработать в автономном (т.е. аварийном) режиме.
Рассмотрим схему блока питания простой сигнализации (рис. 1)
Рис. 1. Схема блока питания сигнализации
Постоянное напряжение 16-18В сглаживается конденсатором С1 и поступает на вход стабилизатора LM7815 для получения значения 15В. Почему именно 15В? Дело в том, что бы резервный аккумулятор (в нашем случае СА1233) постоянно находился в заряженном состоянии при работе в буферном режиме, на него необходимо подать напряжение порядка 13,6В. Именно это напряжение мы и получаем после диодов VD1 и VD2 – за счёт падения напряжения на каждом из диодов 0,7В. Кроме того, использование диода VD2 предотвращает дополнительный разряд аккумулятора при его работе через цепь стабилизатора DA1. Следовательно, при наличии основного питания аккумулятор находится в режиме постоянной подзарядки, а при его пропадании питает всю схему сигнализации, обеспечивая автономный аварийный режим работы.
Напряжение 13,6В помимо обеспечения буферного режима работы аккумулятора используется и для других целей – например, питания датчиков движения, GSM модуля, сирены и т.д. Учитывая, что по цепи 13,6В потребляемый ток может быть значительным, стабилизатор DA1 желательно установить на теплоотвод и выбирать диоды VD1- VD2 с соответствующим током. Стабилизатор DA2 LM7805 выдаёт постоянное напряжение +5В и служит для питания микроконтроллера и остальной схемы охранной сигнализации. Если вы захотите повторить одну из схем охранной сигнализации, описание которых приводилось в первой части нашего обзора, то рекомендую сделать блок питания по приведённой выше схеме.
Отдельно рассмотрим узел контроля основного питания. Он представляет собой делитель напряжения на резисторах R1 и R2. Делитель включен в точку последовательного соединения диодов VD1 и VD2. При наличии основного питания в этой точке напряжение будет примерно 14,3В относительно общего провода. Соответственно, в средней точке делителя значение напряжения составит около 4,5В. Этот уровень напряжения подаётся на вход АЦП микроконтроллера для мониторинга наличия основного питания. При пропадании основного питания уровень на входе АЦП становится близким к нулю, что отслеживает микроконтроллер и в зависимости от заложенного в него алгоритма, принимает определённое решение – например, отправляет SMS об аварии питания.
Далее остановимся на охранных датчиках. Датчики могут иметь различную конструкцию, например, магнитоуправляемые контакты, кнопочные выключатели (концевики), инфракрасные датчики движения, ультразвуковые, емкостные датчики, акустические датчики разбития стекла и т.д. Как правило, на выходе они имеют нормально-замкнутый контакт, который при тревожном событии размыкается. Рассмотрим несколько вариантов подключения датчиков к охранной сигнализации (рис. 2).
Рис. 2. Варианты подключения датчиков
1. Подключение датчика без контроля состояния шлейфа. Здесь при помощи подтягивающего резистора на входе микроконтроллера создается положительный уровень напряжения. Однако за счёт нормально-замкнутого контакта SMK в показанной на схеме ситуации на входе микроконтроллера присутствует нулевой (низкий) уровень. При сработке датчика контакт SMK размыкается и уровень на входе меняется на высокий. Данную ситуацию микроконтроллер воспринимает как сигнал тревоги.
Недостаток такого способа включения состоит в том, что если умышленно замкнуть охранный шлейф между датчиком и сигнализацией, то сигнализация просто не будет реагировать на размыкание датчика. Следовательно, для предотвращения этого, нужно применить более совершенный способ.
2. Подключения датчика с контролем состояния шлейфа на короткое замыкание. Для такого включения достаточно непосредственно в датчике последовательно с его контактом установить резистор (R2). При этом он вместе с резистором R1 будет представлять собой делитель напряжения, выход которого подключается к входу АЦП микроконтроллера. Для чего здесь необходим АЦП? Его использование обусловлено тем, что в данной ситуации мы будем не только отслеживать изменение уровня (низкий/высокий) как в предыдущем примере, а измерять напряжение на входе МК. Эта схема работает следующим образом – резисторы делителя выбираются одинакового номинала и, следовательно, при VDD=5B, на входе АЦП будет 2,5В. Интервал напряжений 2…3В считается нормальным уровнем в режиме охраны. При тревожной ситуации контакт размыкается и на вход АЦП подается уровень 5В – это сигнал тревоги. Если же замкнуть шлейф, то на входе АЦП будет присутствовать нулевой уровень, что также воспринимается как нештатная ситуация – короткое замыкание шлейфа.
Преимущество данного метода перед предыдущим в том, что контролируется умышленное вмешательство в охранный шлейф с целью блокировки сигнализации. Но это требует применения микроконтроллера со встроенным АЦП или компаратором. Хотя, наличие контроля состояния шлейфа является обязательным требованием к промышленным охранным системам, в простой самодельной сигнализации при обеспечении недоступности к её шлейфу от данной функции можно и отказаться. В качестве примера можно привести две схемы сигнализации с этого сайта – сигнализация Microalarm GSM, как более простая, работает без контроля состояния шлейфа, но такой контроль присутствует в более сложном устройстве – Lock GSM.
Однако, иногда требуется контролировать не только короткое замыкание, но и обрыв шлейфа. Действительно, если просто оборвать шлейф, то данное событие будет однозначно идентифицировано микроконтроллером как тревожное событие, но и здесь возможно конкретизировать, что же произошло на самом деле – сработал датчик или оборван шлейф. Именно это и позволяет сделать следующая схема.
3. Подключения датчика с контролем состояния шлейфа на короткое замыкание и обрыв. Он является усовершенствованной схемой второго варианта. В данной схеме в датчик добавляется ещё один резистор, который подключается параллельно контактам датчика. Для наглядности, если взять номиналы R2 и R3 1 кОм, а R1 2кОм, то получим следующие значения на входе АЦП - при нормальном состоянии шлейфа (контакты замкнуты)- порядка 1,65В, при сработке датчика - 2,5В, при обрыве шлейфа - 5В и при коротком замыкании шлейфа - 0В. Исходя из этих значений, разбивается весь предел напряжений 0…5В на нужные интервалы, в которых и отслеживается уровень напряжения на входе АЦП микроконтроллера.
Следующей схемотехнической особенностью, с которой приходится сталкиваться при разработке GSM сигнализаций – это согласование уровней сигналов микроконтроллера и сотового терминала. Конечно, эта проблема полностью отсутствует, если микроконтроллер имеет такое же напряжение питания, как и сотовый терминал – т.е. если они питаются от одного источника. А если, например, питание микроконтроллера, и, следовательно, его уровни управления 5В, а сотового терминала (в качестве которого используется обычный сотовый телефон) – 3,3В? В этой ситуации необходимо согласовать входные и выходные уровни. Схема такого согласования приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема согласования уровней микроконтроллера и телефона
Как видите, здесь всё довольно просто. По линии передачи данных от микроконтроллера к телефону уровень ограничивается стабилитроном VD1, а по линии приёма данных в микроконтроллер с телефона уровень поднимается до необходимого значения каскадом на двух транзисторах VT1 и VT2. Два транзистора применяются для того, что бы на входе RX MK получить неинвертированый сигнал от ТХ телефона.
Если необходимо подключить сигнализацию к сотовому терминалу, имеющему СОМ порт (как в сигнализации Lock GSM), то для согласования уровней микроконтроллера и сотового терминала самым оптимальным способом будет использование микросхемы МАХ232 в её типовом включении (рис. 4)
Рис. 4. Схема согласования уровней микроконтроллера с СОМ портом
Несколько слов о защите считывающих устройств для ключей iButton. Проблема в том, что эти считывающие устройства обычно устанавливаются снаружи охраняемого помещения и практически любой посторонний человек получает возможность воздействия на него. Этим и пользуются злоумышленники. Например, они могут пройтись по считывающему устройству электрошокером. Это чревато выходом из строя микроконтроллера сигнализации. Как вариант, можно установить считывающее устройство внутри охраняемого помещения в скрытом месте и ввести задержку времени при постановке и снятии охраны. Но если всё же оно установлено снаружи, то нужно предпринять определённые меры. Одно из классических схемотехнических решений защиты считывающего устройства показано на рис. 5:
Рис.5. Схема защиты считывающего устройства
Вход ключа зашунтирован варистором R1 для защиты от высокого напряжения. Стабилитрон VD1 ограничивает более низкие значения напряжения (до порога срабатывания варистора), но которые превышают значение 5,1В. Диоды VD2 и VD3 обеспечивают дополнительную защиту. Резистор R4 не относится к элементам защиты – это подтягивающий резистор для обеспечения работы линии 1-wire, по которой работают электронные ключи iButton.
На этом наш обзор по разработке простой GSM сигнализации можно считать завершённым. Напомню, что в первой части был рассмотрен общий принцип построения сигнализации, приведены принципиальные схемы и исходные коды микроконтроллера, которые довольно просто подкорректировать под конкретные требования. Во второй части описаны наиболее часто применяемые в сигнализациях АТ-команды для управления сотовыми терминалами. И наконец, в третьей части мы рассмотрели некоторые схемотехнические решения. Если у вас будут вопросы, замечания и предложения, оставляйте их в комментариях к статье или на нашем форуме.
Стабилитрон VD1 - КС147/КС156 или импортные аналоги на напряжение около 5В Диоды VD2-VD3 - КД521, КД522 или аналогичные кремниевые маломощные Варистор R1 с напряжением пробоя около 100В (но здесь ответ далеко неоднозначный)
