Infracrveni talasi – kako odrediti da li je bezbednosni sistem video nadzora pravi ili lažni

Prvi članak ove godine (2019) na temu infracrvenih talasa iako se o istom već pisalo. Zapravo ponoviću neke stvari vezane za infracrvene senzore koji se koriste u mobilnoj robotici jer je princip rada Night Vision sistema identičan.

Princip rada

Princip rada infracrvenih talasa se bazira na tome da uvek imate infracrveni emiter (emituje infracrveni talas) i infracveni receiver (detektuje infracrveni talas). U mobilnoj robotici se isti sistem koristi za potrebe zaobilaženja prepreka, kako bi mobilni robot izgledao pametno, jer mnogi pomisle: kako zna da je ovde zid ili bilo kakva prepreka, zapravo ima infracrveni talas koji odašilje infracrveni senzor a zatim isti detektuje odbijeni signal. U suštini, infracrveni sistem uvek ima predajnu stranu i prijemnu stranu, senzori za mobilne robote imaju isto integrisano u okviru istog package-a, dok infracrveni senzor za telviziju ima odvojeno, emiter se nalazi u okviru daljinskog upravljača dok je prijemna strana integrisana u okviru televizora. Bezbednosni sitemi video nadzora imaju integrisani sistem, gde se infracrveni emiter nalazi u istom pakovanju kao i infracrveni detektor. Što se tiče složenosti, bezbednosni sistem prednjači jer isti daje video izlaz određene rezolucije dok, sistemi mobilnih robota se baziraju isključivo na detekciji signala kao i televizijski infracrveni sistem.

Infracrveni talasi mobilnog robota

Hobisti, ljudi koji rade praktičnu elektroniku, ili prave IR (infra-red, infracrveno, u nastavku teksta) sistem od nule ili koriste gotova integrisana rešenja. Ukoliko se odluče za prvu soluciju, koriste infracrvene diode za emitovanje i infracvene receivere za detektovanje signala. Prikazaću više slučajeva: IR senzor za mobilne robote baziran na: LD271 emiter (po pakovanju identična LED diodi 5mm) i phototranzistor BPW77NB, zatim IR detektor ili receiver TSOP34836 i njegovu internu blok strukturu, zatim integrisano rešenje Sharp GP2D120XJ00F.

LD271 - BPW77NB

O ovom IR sistemu smo već pisali, članak: Programmable autonomous vehicles – Fundamentals, Part II, ovde ću samo izložiti električnu šemu i princip rada o kome je već bilo reči. Sa emiterske strane postoji IR dioda, ista emituje IR talas, na strani prijema postoji detektor IR talasa ili ti receiver u ovom slučaju phototranzistor. Emiter generiše IR koji se prostire kroz etar, isti se odbija od prepreke (zida, recimo), odbijeni signal dolazi do phototranzistora koji IR signal pretvara u električni signal koji imamo na izvodima između kolektora i emitera phototranzistora, znači, zadatak phototranzistora koji je IR detektor, je zapravo i konvertovanje IR signala, tj. signala IR talasa u električni signal kako bi se isti mogao koristiti u okviru električnog sistema. Na nekim primerima dole vidi se da postoje takozvani demodulatori, koji zapravo rade isto, izlaz iz demodulatora ide na tranzistor koji je sprega sa ostatkom električnog kola. IR talas je nevidljiv ljudskom oku, nismo u stanju da detektujemo isto, što je prikazano na slici dole. IR talas je vidljiv phototranzistoru u ovom slučaju.

IR senzor praktično implementiran za potrebe kućnog mobilnog robota - hobi varijanta praktične realizacije. Pogledati prikazane video snimke (dole u blog postu) kako bi videli emitovani IR talas putem LD271 IR emiter diode.

TSOP34836 VISHAY

Ovo je detektor IR talasa koji se koristi za remote control ili ti daljinske upravljače, to IR sistem za televiziju. Ovde izdvajam blok šemu detektora, i kao što se može videti imamo sledeće: na ulazu imamo photodiodu koja detektuje IR talas, isti dalje ide na obradu jer TSOP je podešen za više frekvencija rada. TSOP34836 VISHAY koji imam detektuje 36KHz IR talas, zato, signal sa photodiode ne ide direktno na ostatak električnog sistema radi dalje obrade, već se isti mora obraditi, tj. TSOP detektor mora da filteriše primljeni signal kako bi zaključio da li se radi o 36KHz IR talasu, prikazano kao Band pass blok diagram, to vam je zapravo filter, kada se signal isfilteriše, tj. kada znamo da imamo 36KHz signal isti se šalje na demodulator kako bi dobili električni signal (modulacije – demodulacije ili ti modem, pretvaranje električnog signala u signal pogodan za prenos putem komunikacione telefonske infrastrukture, termin poznat kompjuterašima. Šta radi IR photodioda? Moduliše električni signal u svetlosni.), sam izlaz je tranzistor: nožice označe sa 1, 2 i 3 na TSOP detektoru su zapravo izvodi sa tranzistora detektora, koji nije samo photodioda, kao što smo to imali slučaj u gore navedenom primeru sa LD271 - BPW77NB. Takođe prikazujem blok diagram za princip rada, kao što vidimo imamo emiter sa leve strane i detektor tj. receiver sa desne strane, predajnik i prijemnik. Sada da se vratimo na TSOP i zašto imamo različite frekvencije, zato što u istom okruženju možemo raditi sa više različitih predajnika (generišu IR talase na različitim frekvencijama) i prijemnika (po pitanju frekvencije), drugo detektori mogu da znaju da li se IR signal odnosi na njih, to je jedan način. Postoji način da se informacija o IR detektoru zapravo sadrži u okviru samog talasa, šaljemo kod uređaja koji treba da primi signal tj. ID (identifikacioni broj - ID) detektora. Za detalje o ovome senzoru pročitajte specifikaciju.

TSOP34836 IR detektor, blok šema i primer aplikacije tj. blok šema primene. Slika je preuzeta sa sledeće adrese. Za detalje pročitati specifikaciju sa datog linka. Kao što vidimo, detektor ima photodiodu, ista detektuje IR talas, IR talas se zatim obrađuje u smislu da se isti propušta kroz Band pass filter kako bi znali da li to željena frekvencija IR talasa, u slućaju TSOP34836 IR frekvencija je 36KHz, zatim se IR talas demoduliše tj. pretvara u električni, pri čemu su izvodi tranzistora 1, 2 i 3 zapravo izvodi IR detektora, videti specifikaciju za detalje.

 

Ovo su IR emiteri i detektori koje imam u svojoj kolekciji, levo je prikazan
LD271 - BPW77NB IR senzor (kao što se vidi nema razlike u odnosu na LED diodu od 5mm pakovanja), desno
TSOP34836 VISHAY detektor, gore je IR detektor za koji nisam uspeo da pronđem specifikaciju a koji sam pronašao u jednoj staroj veziji video player-a (ne video recorder-a VHS video materijala) a takođe služi za daljinsko upravljanje IR talasom.

Sharp GP2D120XJ00F

Ovo je jedan od najpoznatijih IR emitera i detektora, popularan među hobistima koji se bave praktičnom izgradnjom mobilnih robota, dosta je jednostavam za korišćenje. U više navrata sam koristio isti za implementaciju mobilnog robota baziranog na Arduino platformi. Jednostavan je, analogni izlaz, koji je električni signal, vežemo za ADC ili ti analogno digitalni konvertor, pri čemu na osnovu digitalnog broja radimo odlučivanja. U ovom čitavom sistemu imamo više stepeni transformacije: IR detektuje IR talas isti se transformiše u električni alanogni signal (demodulator) a zatim ADC (analogno-digitalni konvertor) isto transformiše ili ti konvertuje u digitalni signal (broj) koji je podoban za CPU (mikroprocesorsku) obradu, pri čemu je CPU integrisan u okviru mikrokontrolerskog pakovanja isto kao i ADC, ali ne na svim mikrokontrolerima (zavisi od toga koji koristite za implementaciju mobilnog robota). Za detalje o ovom senzoru pročitajte specifikaciju.

Ovo je IR senzor za detekciju objekata u prostoru, koristi se za praktičnu realizaciju mobilnih robota, prikazani na slici je iz moje kolekcije. Isti se montira na prednju stranu šasije mobilnog robota. Za detalje pogledati specifikaciju.

Night Vision – Bezbednosni sistemi video nadzora

Ljudsko oko ne može detektovati IR talas, ali ne može jasno da vidi ni u mraku, bezbednosni sistemi video nadzora samim tim koriste infracrvene sisteme kako bi snimali šta se dešava tokom noći. IR sistem video nadzora koristi isti princip kao i gore navedeni senzori. Postoje IR emiter koji generišu IR talas, IR talas se odbija od svim predmeta tj. od okruženja, tako odbijeni IR signal se vraća nazad kao sistemu video nadzora do IR detektora koji je dosta složeniji od gore navedenih, ali zapravo radi isto. IR talase demoduliše u električne signale koji je nosial video snimka koji se zatim zapisuje tj. snima na HDD (harddisk bezbednosnog sistema). Znači kao i u gore navedenim slučajevima: imamo IR emitere, set IR LED dioda koje emituju IR talas, IR talas se odbija od prostorije, od svih predmeta koji se u istoj nalaze, tako dobijeni signal detektuje IR detektor, koji IR talas demoduliše u električni signal tj. video snimaj koji se zatim snima na HDD. Šta je poenta takođe u ovoj priči, upravo IR talas, isti nije vidljiv golim okom, provalnici, ili oni koji se bave pretanjama (recimo) često nisu sigurni da li je bezbednosni sistem video nadzora tj. kamera prava ili ne, Night Vision (noćno snimanje) funkcioniše na principu IR talasa ali isti nije vidljiv ljudskom oku. Kako znati da li je bezbednosni sistem pravi ili ne? To se može lako postići sa mobilnim telefonom koji ima integrisani CCD chip ili ti detektor svetlosti uljučujući i detekciju infracrvenog talasa jer isti chip ima mogućnost detekcije i IR talasa (izgleda mi plavičasto, procenite kroz video snimke). Dole navodim video snimke: detektovani IR talas sa IR senzora mobilnog robota, kao i snimak sa remote controlera ili ti daljinskog upravljača. Dovoljno je CCD chip (koji je integrisan u okviru mobilnog telefona, kamerica što bi se reklo laički) uperiti u bezbenosni sistem video nadzora i videti da li isti generiše IR svetlost ili ne. Ukoliko generiše IR svetlost to je dobar znak da je bezbednosni sitem video nadzora zapravo realni sistem, jer postoje i lažni sistem koji imaju samo LED IR emiter diode, ali opet daje informaciju da elektronika u samom sistemu zapravo postoji. Ukoliko CCD chip ne detektuje bilo kakav signal sa sigurnošću možemo reći da je bezbednosni sistem lažni i da se isti postavlja kao upozorenje da se objekat zapravo snima. Sam bezbednosni sistem video nadzora je dosta složen zapravo ima integrisani CCD chip koji je detektor odbijene svetlosti i koji radi demodulaciju svetlosnog signala u elektročni signal, dok IR LED diode generišu IR talas koji se odbija od prostorije. Ukoliko nemate bezbednosni sistem video nadzora, eksperiment sa detekcijom IR talasa možete probati preko daljinskog upravljača za televiziju.

Bezbednosni sistem video nadzora baziran na IR talasu radi podrške snimanja noću. Ako obratimo pažnju na sliku bezbednosne kamere jasno se vidi šta su IR emiter diode a isto tako gde je svešten CCD chip za detekciju i obradu prijemnog IR talasa. Sistem radi na istom principu kao i gore navedeni senzori, sa razlikom u tome što se radi o mnogo složenije sistemu obrade IR talasa jer je reč o video nadzoru određene rezolucije. Slika preuzeta sa linka tj. adrese.

Primer snimka zabeležen infracrvenim bezbednosnim sistemom video nadzora (bezbednosna infracrvena kamera prikazana na gornjoj slici). Slika preuzeta sa linka tj. adrese.

Primer video snimaka

Slede primeri video snimaka gde se jasno vidi IR talas zabeležen kamerom tj. CCD chipom mobilnog telefona.

 

Mobilni robot koji sam praktično realizovao kao jedan od prvih praktičnih primera u trenucima kada sam započeo pisanje članaka za InfoElektronika magazin. Na video snimku se jasno vidi kako CCD chip tj. kamerica mobilnog telefona/tableta detektovala IR talas. Meni liči da je plavičast, mada procenite sami na osnovu snimka.

IR talas detektovan CCD chipom tj. kamericom mobilnog telefona/tableta daljinskog upravljača za televizor. Isti princip se koristi za bezbednosne sisteme video nadzora, sa time što je kamericu mobilnog telefona potrebno pozicionirati na video nadzor kako bi detektovali IR talas.

Autor: Vladimir Savić
zilsel-invent

Analize:
Zloupotreba sistema bezbednosti video nadzora - DBA, IPO, CTO