Aktuální vydání

celé číslo

01

2020

Operátorské panely, HMI, SCADA

celé číslo

Testování pásem ISM 433 a 868 u přenosů v poplachových, zabezpečovacích a tísňových systémech

Jan Hart, Veronika Nídlová

 
Pásma ISM se používají pro mnohá bezdrátová vysílání, jako jsou přenosy v poplachových zabezpečovacích a tísňových systémech (PZTS), dálková ovládání vozidel a mnoho dalších přenosů v průmyslu a zdravotnictví. Problematika bezdrátových přenosů prostřednictvím pásem ISM je velmi aktuální a důležitá, jelikož jsou tato pásma frekventovaně využívána. Jedním z jejich nejpodstatnějších rizik je jejich ovlivnění prostřednictvím přirozeného nebo umělého elektromagnetického rušení. Když je toto rušení příliš velké, dané pásmo se zahltí (zaruší) a na bezdrátový přenos se již nelze spolehnout. Problém elektromagnetického rušení proto hraje důležitou úlohu při zajišťování kvality a bezpečnosti bezdrátových komunikací.
 
ISM bands are used for many wireless broadcasts, for example for transfers at intrusion and hold-up alarm systems (I & HAS), remote control of cars and many other transmissions in industry and medicine. The issue of wireless transmissions through ISM band is very timely and important, because these bandwidths are frequently used. One of their most significant risks are to influence them through natural or of artificial electromagnetic interference. When this interference is too high, it will overload (jamming) of bandwidth and wireless transmission can no longer be relied upon. Therefore the problem of electromagnetic interference has an important role in ensuring the quality and security of wireless communications.
 

1. Úvod

V současnosti se již bez bezdrátových komunikačních systémů nelze obejít, ať jde o mobilní telefony, sítě WiFi, Bluetooth či např. i různé rádiem ovládané (RC) modely – jsou všudypřítomné. Když se to vezme lehce nadneseně, charakterizují moderní dobu a civilizaci jako takovou. Avšak pojí se s tím i méně populární skutečnost: čím více je bezdrátových přenosů, tím silnějším se stává i tzv. elektromagnetický smog. Označení elektromagnetický smog není zcela přesné – v odborné praxi se používá termín přirozené a umělé elektromagnetické rušení. Toto rušení může ovlivnit bezdrátový přenos a může jej i úplně odstavit z provozu, a proto je vždy důležité zjistit si sílu používaného signálu a jeho rušení v okolí. Přirozené elektromagnetické rušení vzniká i provozem zdánlivě neškodných zařízení, jako jsou domácí spotřebiče, stroje a přístroje, dále z vedení vysokého napětí apod. Umělé rušení je vyvoláno cíleně a používá se k zamezení odposlechů, k zamezení dálkovému odpalu bomby, ale i k nezákonným aktivitám, jako je zamezení uzamčení automobilu či zarušení komunikace bezdrátových poplachových, zabezpečovacích a tísňových systémů (PZTS) [1], [2].
 
Pásma ISM 433 a ISM 868 (Industrial, Scientific, and Medical) jsou hojně využívána k přenosům v PZTS a v mnoha různých průmyslových zařízeních. Oficiálně by tato pásma měla sloužit výhradně pro průmysl, zdravotnictví nebo vědecké účely [1], [3], [4]. Federální komise pro komunikaci FCC (Federal Communications Commission) a Evropský ústav pro telekomunikační normy ETSI (European Telecommunications Standards Institute) ustanovily právě pásma ISM 433 a ISM 868 jako pásma bezlicenční, ale vzhledem k tomu, že jsou bez licenčních poplatků, jsou ve velké míře využívána i pro komerční účely [4].
 

2. Metody

K měření a průzkumu intenzity bezdrátové komunikace u vybraných PZTS a velikosti elektromagnetického rušení na frekvencích 433 a 868 MHz (ISM 433 a ISM 868) byl použit spektrální analyzátor Spectran HF-6060 (výrobce: Aaronia).
 
Testování bylo provedeno na základě norem ČSN EN 50131-1 (Poplachové systémy – Poplachové zabezpečovací a tísňové systémy – Část 1: Systémové požadavky) a ČSN EN 50131-5-3 (Poplachové systémy – Elektrické zabezpečovací systémy – Část 5-3: Požadavky na zařízení využívající bezdrátová propojení).
 
Na vybraných systémech bylo realizováno měření, které zkoumalo dohled bezdrátových detektorů a ochranu proti rušení přenosového pásma. K tomuto měření, které probíhalo na pozemcích České zemědělské univerzity v Praze, byly použity tyto systémy:
  • LightSYS 2 (868 MHz; výrobce: RISCO),
  • Digiplex EVO 192 (868 MHz; výrobce: Paradox),
  • Galaxy GD-48 (868 MHz; výrobce: Honeywell).
 
U těchto ústředen byl vždy měřen jejich bezdrátový přenos, a to tak, že byl vysílač zvolené ústředny PZTS umístěn do vzdálenosti 3 m od antény spektrálního analyzátoru Spectran HF-6060. Poté byl zaznamenáván průběh vysílání tak, že vysílač cyklicky vysílal signál do ústředny. Tento vysílaný signál byl zaznamenáván pomocí softwaru MSC Spectrum Analyzer. Po naměření byl softwarem vytvořen vždy jeden graf, který spojoval všechny jednotlivé průchody, jež byly u daného měření uskutečněny.
 
Při měření intenzity umělého rušení bylo postupováno obdobně jako u ústředen, jen byl zaměněn vysílač ústředny za nízkofrekvenční rušičku. Poté byla zaznamenávána maximální hodnota intenzity umělého elektromagnetického rušení. Toto měření bylo rovněž vyhodnoceno softwarem MSC Spectrum Analyzer.
 
Dále byla měřena intenzita přirozeného rušení. Anténa byla umístěna doprostřed místnosti s okny. Nato byla zaznamenávána střední a maximální hodnota intenzity přirozeného elektromagnetického rušení. Toto měření bylo rovněž vyhodnoceno softwarem MSC Spectrum Analyzer.
 

3. Měření intenzity vysílaného signálu

U zmíněných zabezpečovacích ústředen LightSYS 2, Digiplex EVO a Galaxy GD-48 byla zkoumána intenzita vysílaného signálu v rozsahu 868 MHz. Pro zmíněné měření bylo využito zařízení Spectran HF-6060, u kterého byly nastaveny tyto hodnoty:
  • perioda odběru vzorku (sampletime): 50 ms,
  • počet vzorků za cyklus (samples): 500,
  • šířka pásma (bandwidth): 1 MHz,
  • doba měření (time of measurement): 600 s.
 

3.1 LightSYS 2 (RISCO)

Jako první byla testována ústředna LightSYS 2, která je novinkou letošního roku a kromě možnosti připojit bezdrátové, sběrnicové a smyčkové detektory (trojitě vyvážené smyčky) má možnost videoverifikace poplachu. Je koncipována pro malé a střední objekty. Na obr. 1 je u této ústředny vykreslena intenzita přenosu. Tato ústředna má relativně úzké a silné přenosové charakteristiky. Její bezdrátový přenos se zdá být takřka ukázkový, protože je dostatečně silný pro přenos i v přirozeně rušeném prostředí. Zároveň má dostatečně úzkou přenosovou základnu, a proto lze na této frekvenci používat různé vysílače. Když bude přenos dalších vysílačů posunut k horní hranici pásma, budou plně provozuschopné a vysílání ústředny je nebude nijak ovlivňovat ani rušit, a to ani za předpokladu, že systém bude mít rušný provoz (v systému bude hodně bezdrátového příslušenství a detektorů).
 

3.2 Digiplex EVO s modulem RTX3 (Paradox)

Ústředna Digiplex EVO (modul RTX3) pracuje v pásmu 868 MHz. Má za sebou již několik let na trhu a lze ji využít k instalaci na střední a velké objekty. Na obr. 2 je vykreslena její intenzita přenosu. Primárně je stavěna na sběrnicovou komunikaci, což je na bezdrátové charakteristice patrné.
 
Měření prokázalo, že bezdrátové vysílání u Digiplex EVO zasahuje i lehce mimo pásmo ISM 868. Proto bylo vykonáno dodatečné měření (obr. 3) v širším rozsahu.
 

3.3 Galaxy GD-48 s modulem C079-2 (Honeywell)

Ústředna Galaxy GD-48 (modul C079-2) je nejmenší typ z řady ústředen Galaxy Dimension od firmy Honeywell. Na obr. 4 je u této ústředny vykreslena intenzita přenosu v pásmu ISM 868. Charakteristika přenosu je relativně rozostřená (má širokou přenosovou základnu) se silnou intenzitou vysílání, vlivem čehož se objevuje možnost rušení ostatních vysílačů využívajících stejné pásmo.
 

4. Měření umělého a přirozeného elektromagnetického rušení

Dále byla zkoumána intenzita umělého elektromagnetického rušení v pásmech ISM 433 a ISM 868, kterou produkují volně distribuované nízkofrekvenční rušičky – obr. 5. Pro uvedené měření bylo také využito zařízení Spectran HF-6060, u kterého byly nastaveny tyto hodnoty:
  • perioda odběru vzorku (sampletime): 50 ms,
  • počet vzorků za cyklus (samples): 500,
  • šířka pásma (bandwidth): 1 MHz,
  • doba měření (time of measurement): 600 s.
 
Jako první bylo na intenzitu umělého elektromagnetického rušení okolí testováno pásmo 433 MHz (obr. 6). Je to v současnosti již málo využívaná frekvence, jelikož má menší dosah a špatnou odrazivost. Na velkém množství míst je tato frekvence zároveň tak využívána, že klesá spolehlivost vysílání. Počet přenosů je totiž tak velký, že samotné přenosy lze považovat za aktivní rušení.
 
Další intenzita, kterou bylo třeba měřit, byla intenzita umělého elektromagnetického rušení v pásmu ISM 868 (obr. 7), a to z důvodu, že toto pásmo je často využíváno jak pro PZTS, tak i pro jiné moderní systémy.
 
Ačkoliv je přirozené elektromagnetické rušení vždy vázáno na konkrétní místo jeho výskytu, bylo pro představu uskutečněno jedno lokální měření tohoto druhu rušení (obr. 8), a to v centru Prahy v Karlíně (Kaizlovy sady 421/7).
 

5. Výsledky a diskuse

Z výsledků měření jednotlivých ústředen vycházejí nejlépe systémy LightSYS 2 a Galaxy GD-48. Tyto systémy se od sebe liší jak intenzitou vysílaného signálu, tak i jeho mocností (přenosovou základnou). Ačkoliv má systém Galaxy GD-48 větší intenzitu vysílání, z měření vychází lépe ústředna Light-SYS 2. Je to právě z důvodu šíře přenosové základny. Ta vychází u systému LightSYS 2 lépe než u přenosu systémů Galaxy GD-48, kde je rozostřená (široká).
 
Z naměřených charakteristik také vyplývá, že bezdrátové přenosy jsou u všech měřených ústředen proti přirozenému rušení, které se vyskytovalo v měřené lokalitě, odolné. Zároveň se prokázalo, že odolnost systémů proti cílenému rušení je minimální – viz tab. 1.
 
Tab. 1. Výsledky měření bezdrátových přenosů v pásu ISM 868
Ústředna Horní hrana přenosu (dBm) Průměrná střední hodnota rušení (dBm)
LightSYS 2 34 55
Digiplex EVO 192 (modul RTX3) 35
Galaxy GD-48 (modul C079-2) 22
Rušička 28
 
Dále bylo zjištěno, že v lokalitě, kde bylo měřeno přirozené rušení, je rušení v pásmu 868 MHz mnohem větší než v pásmu 433 MHz. Z toho lze vyvodit, že v této oblasti je pásmo 868 MHz zřejmě využíváno častěji (pravděpodobně PZTS).
 
Měření poukázalo i na skutečnost, že frekvenční rušička signálu je nebezpečná především tím, že dokáže napadnout systém před tím, než se sabotér dostane do hlídaného prostoru, kde by ho mohl detekovat nějaký detektor. Obdobný názor zaujali i autoři v článcích [5] a [6]. Jsou-li použity inteligentní rušičky s cíleným rušením, je problém ještě mnohem větší. Rušičky ale nemusí být vždy použity jen ke kriminálním činům. Autor článku [7] popisuje využití tzv. ochranných rušiček k ochraně proti rádiově odpalovaným improvizovaným výbušninám.
 

6. Závěr

U měřených ústředen byly prokázány různé drobné nedostatky, které ovlivňují jejich provoz a provoz okolních zařízení. Přenos systému Digiplex EVO 192 je posunutý lehce mimo vymezené pásmo ISM 868, a zasahuje tak i do nižších frekvencí (867 až 870 MHz). Ústředna Galaxy GD-48 má sice vyšší intenzitu vysílání, avšak širší (rozostřednou) přenosovou charakteristiku.
 
Z měřených ústředen se jako nejlepší jeví ústředna LightSYS 2, kterou zkonstruovala izraelská firma RISCO Group. Má dostačující intenzitu přenosu a zároveň úzkou přenosovou charakteristiku v pásmu ISM 868. Tato ústředna prokazuje, že ve vývoji poplachových zabezpečovacích a tísňových systémů jsou izraelské výrobky na vysoké úrovni.
 
Přirozené a umělé rušení mohou ovlivnit bezdrátový přenos, a je proto důležité kontrolovat, zda jim ústředny dokážou odolat. Přirozené rušení se sice většinou nedostane nad kritickou mez, nicméně v průběhu let neustále roste a je jen otázka času, kdy také začne přenosy ovlivňovat. Rizika umělého rušení jsou mnohem vyšší, a jestliže je použita inteligentní rušička, ani systém s nejvyšší intenzitou přenosu nedokáže odolat. Jedinou ochranou potom je sledovat zarušení bezdrátové komunikace, což by měl umožňovat každý certifikovaný systém.
 
Literatura:
[1] STAFF, H. – HONEY, G.: Electronic Security Systems Pocket Book. Elsevier Science, 1999. 226 s., ISBN-13: 9780750639910.
[2] CAPEL, V.: Security Systems & Intruder Alarms. Elsevier Science, 1999. 301 s., ISBN-13: 9780750642361.
[3] POWELL, S. – SHIM, J. P.: Wireless Technology: Applications, Management, and Security. Springer-Verlag New York, LLC, 2012, 276 s., ISBN-13: 9781461429364.
[4] CUMMING, N.: Security: A Guide to Security System Design and Equipment Selection and
 
Ing. Jan Hart, Ph.D., katedra technologických
zařízení staveb TF ČZU v Praze,
Ing. Veronika Nídlová, Ph.D., katedra elektrotechniky
a automatizace TF ČZU v Praze
 
Ing. Jan Hart, Ph.D., studoval v letech 2005 až 2010 na České zemědělské univerzitě v Praze obor informační a řídicí technika v agropotravinářském komplexu. Od roku 2010 do roku 2013 studoval doktorské studium v oboru technika výrobních procesů. V současnosti je zaměstnán jako odborný asistent katedry technologických zařízení staveb Technické fakulty České zemědělské univerzity v Praze. Zabývá se problematikou poplachových zabezpečovacích a tísňových systémů a jejich riziky.
 
Ing. Veronika Nídlová, Ph.D., studovala v letech 2006 až 2011 na České zemědělské univerzitě v Praze obor obchod a podnikání s technikou. V roce 2014 obhájila doktorské studium v oboru energetika. Zabývá se problematikou biometrických identifikačních systémů a také bezpečnostních systémů. V letech 2012 až 2014 byla technickým pracovníkem katedry technologických zařízení staveb Technické fakulty České zemědělské univerzity v Praze. Nyní pracuje na pozici vědecko-pedagogický pracovník katedry elektrotechniky a automatizace Technické fakulty České zemědělské univerzity. Věnuje se výzkumu a vývoji nového biometrického systému.
 
Obr. 1. Charakteristika intenzity vysílání bezdrátového přenosu ústředny LightSYS 2
Obr. 2. Charakteristika intenzity vysílání bezdrátového přenosu ústředny Digiplex EVO
Obr. 3. Charakteristika bezdrátového přenosu v plném rozsahu ústředny Digiplex EVO
Obr. 4. Charakteristika intenzity vysílání bezdrátového přenosu ústředny Galaxy 48
Obr. 5. Nízkofrekvenční rušičky
Obr. 6. Charakteristika umělého elektromagnetického rušení v rozsahu ISM 433
Obr. 7. Charakteristika umělého elektromagnetického rušení v rozsahu ISM 868
Obr. 8. Charakteristika přirozeného elektromagnetického rušení v rozsazích ISM 868 a ISM 433