Προκλήσεις και Λύσεις για την τροφοδοσία και μετάδοση βίντεο

Οι νέες τεχνολογίες μετάδοσης δεδομένων και τροφοδοσίας στα συστήματα επιτήρησης επιλύουν σημαντικά θέματα στα έργα ασφάλειας και αξίζει να δούμε τις τεχνικές υλοποίησης και πρακτικές για την εφαρμογή τους, με βάση τις προκλήσεις που συναντάμε στο πεδίο των εγκαταστάσεων.

Του Αριστοτέλη Λυμπερόπουλου

 Δεν απέχει πολύ ο καιρός όπου στα συστήματα επιτήρησης χρησιμοποιούνταν δύο διαφορετικές καλωδιώσεις, μία για τη μετάδοση των σημάτων και δεδομένων βίντεο και η δεύτερη για την παροχή της απαραίτητης τροφοδοσίας για τη λειτουργία των συσκευών.
Η εμφάνιση όμως των IP συστημάτων και κυρίως της τεχνολογίας Power over Ethernet (PoE) άλλαξε αυτά τα δεδομένα και οδήγησε στην ενοποίηση αυτών των δύο διαύλων, επιτρέποντας τη μετάδοση των σημάτων αλλά και της ηλεκτρικής ενέργειας μέσω ενός μόνο καλωδίου. Σήμερα πλέον, οι περισσότεροι κατασκευαστές προσφέρουν λύσεις PoE καθώς διευκολύνουν σημαντικά την υλοποίηση των τεχνολογικών έργων ασφάλειας και εξαλείφουν την ανάγκη για ύπαρξη τοπικής παροχής ρεύματος στο σημείο τοποθέτησης των καμερών. Η διευκόλυνση λοιπόν των εγκαταστατών είναι σήμερα δεδομένη με τη χρήση τεχνολογίας PoE σε ότι αφορά το κρίσιμο θέμα της παροχής τροφοδοσίας των καμερών ή και άλλων συσκευών.

Σημερινές προκλήσεις

Στο παρελθόν, οι τεχνικοί εγκαταστάτες όφειλαν να προβλέψουν ώστε να υπάρχουν σημεία τελικών παροχών τροφοδοσίας σε κάθε τερματικό σημείο. Μια διαδικασία που αύξανε το κόστος των σχετικών εργολαβιών καθώς απαιτούνταν τόσο περισσότερα υλικά αλλά και εργασία. Αυτό πλέον με την εμφάνιση του POE έχει αλλάξει.

Όμως, η εμφάνιση του POE δεν σημαίνει παράλληλα ότι δεν υπάρχουν προκλήσεις και δυσκολίες που αντιμετωπίζουν οι μελετητές και οι εγκαταστάτες στην υλοποίηση ενός συστήματος επιτήρησης.

Η μεγαλύτερη πρόκληση είναι η συνεχώς αυξανόμενη απαίτηση για όσο μεγαλύτερη ισχύ γίνεται. Η πρώτη έκδοση του POE έδινε τη δυνατότητα για παροχή 15 watts, ενώ η δεύτερη έκδοση POE + δίνει δυνατότητα παροχής ισχύος μέχρι 30 watts. Τον Σεπτέμβριο του 2018, ένα νέο πρότυπο γνωστό με την ονομασία Universal Power Over Ethernet (UPoE γνωστό και ως 4 PPoE) παρουσιάστηκε με σκοπό να δώσει τη δυνατότητα δύο διαφορετικών τύπων ισχύος: Μια με την ονομασία type3 που δίνει τη δυνατότητα παροχής ως και 55 watts και μία με την ονομασία type 4 που δίνει τη δυνατότητα παροχής ως 90-100 watts με παράλληλα υποστηριζόμενο μεγάλο bandwidth που κυμαίνεται από 2,5 gigabits ανά δευτερόλεπτο (Gbps), 5 Gbps και 10 Gbps. Αυτές οι νέες δυνατότητες του πρωτοκόλλου PoE δημιουργούν νέα πεδία εφαρμογών που χρησιμοποιούν το συγκεκριμένο πρωτόκολλο, όπως τα ασύρματα σημεία πρόσβασης και κάμερες επιτήρησης.

Ένα πολύ σημαντικό στοιχείο που οφείλουμε πάντα να έχουμε υπόψη μας όταν χρησιμοποιούμε ένα switch τύπου PoE, είναι ότι μπορεί μεν να προσφέρουν μια συνολική μέγιστη ισχύ για όλες τις θύρες του switch, αυτό όμως δεν συνεπάγεται ότι έχουν τη δυνατότητα να διοχετεύσουν παράλληλα και την ίδια στιγμή την μέγιστη ισχύ σε όλες τις συνδεόμενες συσκευές.

Γενικότερα στον σχεδιασμό ενός συστήματος PoE υπάρχουν ορισμένα κριτήρια τα οποία ένας εγκαταστάτης οφείλει να λαμβάνει υπόψη του στον σχεδιασμό. Τα πιο σημαντικά είναι τα ακόλουθα. 

Διατήρηση σταθερότητας σήματος

Γνωρίζοντας τη σημαντικότητα της συνεχούς και εύρυθμης λειτουργίας των συστημάτων ασφάλειας, η διατήρηση της σταθερότητας μετάδοσης του σήματος και η αποτροπή παρεμβολών ή ενδεχόμενης υποβάθμισης του, είναι μια πολύ σημαντική παράμετρος για κάθε εγκατάσταση. Παράλληλα όμως, είναι και από τις πιο απαιτητικές προκλήσεις στο στάδιο του σχεδιασμού και υλοποίησης ενός έργου επιτήρησης. Γι’ αυτό και θα πρέπει να λαμβάνουμε σοβαρά υπόψη κάποιες παραμέτρους που μπορεί να δημιουργήσουν διακοπή ή υποβάθμιση του σήματος, καθώς και τους τρόπους που θα αποτρέψουμε μια τέτοια αρνητική εξέλιξη, σύμφωνα με τα παρακάτω:

• Λάθη χρηστών: μερικές φορές οι χρήστες κάνουν λανθασμένες ενέργειες με αποτέλεσμα να υπάρχει πρόβλημα στη μετάδοση των σημάτων. Ένα καλοσχεδιασμένο σύστημα με σωστές και αναλυτικές οδηγίες και φυσικά η εκπαίδευση είναι αποτελεσματικά στην εξάλειψη αυτών των λαθών.
• Κακόβουλες ενέργειες: η προφανή λύση σε αυτές τις ενέργειες είναι η χρήση πρόσθετων δικλείδων ασφάλειας. Παραδείγματος χάρη, η χρήση ειδικών switches με προστασία και η εγκατάσταση δευτερευόντων συστημάτων επιτήρησης σε κρίσιμους χώρους.
• Αστοχία εξοπλισμού: επιλογή εξοπλισμού από γνωστούς και αξιόπιστους κατασκευαστές, με συγκεκριμένες ποιοτικές προδιαγραφές είναι η καλύτερη πρόταση για την αποφυγή των γνωστών μας σε όλους αστοχιών υλικού.
• Θέματα καλωδίωσης: η εγκατάσταση των καλωδίων πρέπει να γίνεται πάντα σύμφωνα με τις προδιαγραφές. Μη σωστή διευθέτηση των καλωδίων ή τοποθέτηση τους δίπλα σε καλώδια ισχυρών ρευμάτων μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα στην επικοινωνία.
• Θέματα ισχύος και γείωσης: θα πρέπει πάντα να λαμβάνεται υπόψη η επάρκεια της παρεχόμενης ισχύος για την κάθε συσκευή ανάλογα με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή. Επίσης, θα πρέπει πάντα οι συσκευές να γειώνονται σύμφωνα με όσα προβλέπει το εγχειρίδιο τους.
• Ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές: η ύπαρξη πηγών εκπομπών ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, μπορεί να οδηγήσει σε σοβαρά προβλήματα στην επικοινωνία. Η χρήση των κατάλληλων θωρακίσεων και των γνωστών δαχτυλιδιών από φερρίτη βοηθάει στην αποτελεσματική αντιμετώπιση τους.
• Θέματα συμβατότητας: η χρήση συσκευών από διαφορετικούς κατασκευαστές προκαλεί συχνά προβλήματα επικοινωνίας, όσο και αν οι κατασκευαστές ισχυρίζονται ότι οι συσκευές τους είναι ανοιχτού τύπου. Θα πρέπει πριν την τελική επιλογή να γίνεται προσεχτική ανάγνωση στα τεχνικά χαρακτηριστικά και ακόμα καλύτερα πραγματικές δοκιμές ώστε να διασφαλίζεται η πραγματική συμβατότητα τους.
• Ανεπαρκής σχεδιασμός συστήματος: ένα κακοσχεδιασμένο σύστημα το οποίο δεν λαμβάνει υπόψη ούτε την τοπολογία του χώρου στον οποίο θα τοποθετηθεί ούτε τους διάφορους φυσικούς περιορισμούς είναι λογικό ότι θα εμφανίσει προβλήματα επικοινωνίας. Πολλές φορές μάλιστα η διόρθωση αυτού του προβλήματος είναι ιδιαίτερα δύσκολη και απαιτεί τον επανασχεδιασμό και επανεγκατάσταση του συστήματος από την αρχή. 

Επάρκεια ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις

Ανεξάρτητα από τον τύπο της ισχύος που χρησιμοποιείται, πάντα θα υπάρχει ένας σχετικός περιορισμός λόγω απόστασης. Όταν μια κάμερα απαιτεί μια δεδομένη ισχύ σε μια καθορισμένη απόσταση που μπορεί να υπερβαίνει την προδιαγραφή του προτύπου τότε υπάρχουν δύο προσεγγίσεις. Η μία γίνεται με την τοποθέτηση ενός καλωδίου μεγάλου μήκους κατάλληλου για PoE, ενώ η δεύτερη με τη χρήση δύο αγωγών για τη διοχέτευση συνεχούς ρεύματος DC. Για να πετύχουν όμως και οι δύο αυτές προσεγγίσεις υπάρχουν τεχνικές που διασφαλίζουν ότι η ηλεκτρική ενέργεια θα μεταφερθεί ακόμα και σε αυτήν την απόσταση και κυρίως χωρίς να υπάρξει μείωση της απαιτούμενης τάσης. Μια προσέγγιση για τις IP PoE κάμερες είναι η χρήση ενός ενισχυμένου PoE (extended PoE) που επιτρέπει τον διπλασιασμό της απόστασης από 100 μέτρα σε 250 μέτρα περίπου.

Επίσης, είναι δυνατή η χρήση ενισχυμένων τροφοδοτικών, που παρέχουν μεγαλύτερη ισχύ, η οποία μπορεί να υπερκεράσει το εμπόδιο των περισσότερων μέτρων. Η επιτυχής υλοποίηση των παραπάνω προϋποθέτει τρία στοιχεία. Τη γνώση της αποδεκτής τάσης για τη λειτουργία των καμερών, τον σωστό υπολογισμό της πτώσης τάσης συναρτήσει της απόστασης και την επιβεβαίωση ότι οι αναμενόμενες πτώσεις τάσεις δεν θα δημιουργήσουν πρόβλημα στην ορθή λειτουργία των συσκευών. Η γνώση αυτών των στοιχείων θα επιτρέπει τη χρήση των τεχνικών που θα επιτρέψουν τη λειτουργία των συσκευών ακόμα και σε μεγάλες αποστάσεις.

Δυσμενή περιβάλλοντα

Η λειτουργία ηλεκτρονικού εξοπλισμού σε δυσμενή περιβάλλοντα είναι πάντα μια πρόκληση. Με τον όρο δυσμενή περιβάλλοντα εννοούμε υπερβολικά υψηλές ή χαμηλές θερμοκρασίες, υψηλή υγρασία, μεγάλη συγκέντρωση σκόνης ή ακόμα και λειτουργία σε χώρους με μεγάλες δονήσεις. Όλα τα παραπάνω δημιουργούν προβλήματα στις ηλεκτρονικές συσκευές. Αν η παροχή σταματήσει τότε και η συσκευή σταματά να λειτουργεί. Εάν μια εφαρμογή απαιτεί τη λειτουργία συσκευών σε παρόμοια περιβάλλοντα τότε μια από τις δυσκολίες είναι ο τρόπος με τον οποίο θα επιτευχθεί η ηλεκτροδότηση αυτής της συσκευής.

Όμως εδώ προκύπτει το εξής θέμα. Οι κάμερες και ο υπόλοιπος δικτυακός εξοπλισμός διαφέρουν στα απαιτούμενα ηλεκτρικά μεγέθη. Αλλά λειτουργούν υπό εναλλασσόμενη τάση 24V ενώ άλλα υπό συνεχή τάση που κυμαίνεται από 12-48V. Σε συνδυασμό με το γεγονός ότι υπάρχει πρόβλημα στην κατανομή της ισχύος όταν αναφερόμαστε σε αυτού του είδους τις συνθήκες τότε οι εγκαταστάτες οφείλουν να βρίσκουν το βέλτιστο δυνατό τρόπο που να αντισταθμίζει αυτές τις δυσκολίες. 

Προστασία από υπερτάσεις

Η προστασία από τις κρουστικές υπερτάσεις, των ευαίσθητων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που ενσωματώνουν τα δικτυακά συστήματα ασφάλειας είναι ένα πολύ σημαντικό θέμα. Με τον όρο κρουστική υπέρταση χαρακτηρίζεται το φαινόμενο της αστραπιαίας αύξησης της ηλεκτρικής τάσης που τροφοδοτεί ένα σύστημα, αύξηση που μπορεί να φτάσει ή και να ξεπεράσει τα χιλιάδες Volt. Η διάρκεια αυτού του φαινόμενου είναι ελάχιστη και δεν ξεπερνάει τα χιλιοστά του δευτερολέπτου Για το λόγο αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιούνται στον ηλεκτρολογικό πίνακα διατάξεις προστασίας από υπερτάσεις. Ρόλος αυτών των διατάξεων -που είναι γνωστές με το όνομα επιτηρητές τάσης και έντασης και τοποθετούνται στους ηλεκτρολογικούς πίνακες- είναι να διακόψουν την παροχή ρεύματος σε περίπτωση που αυτό υπερβεί κάποια συγκεκριμένα όρια. Με αυτόν τον τρόπο προστατεύονται οι συσκευές που τροφοδοτεί η συγκεκριμένη γραμμή και όταν επανέλθει το ρεύμα στα κανονικά χαρακτηριστικά, τότε θα μπορεί να επανέλθει και η τροφοδοσία. Όμως θα πρέπει να γίνεται συχνός έλεγχος στους επιτηρητές -ιδιαιτέρως μετά την εμφάνιση αυτών των φαινομένων- διότι μπορεί μεν να προστατεύουν τις συσκευές που τροφοδοτούν, αλλά είναι ιδιαίτερα τρωτοί καθώς μετά την εμφάνιση παρόμοιων φαινομένων μπορεί να απαιτείται η αντικατάσταση τους. 

Σχέδιο Backup

Ένα άλλο θέμα που συνήθως τίθεται σε συζήτηση είναι πώς θα υποστηρίζονται εφεδρικά τα συστήματα ασφαλείας σε περίπτωση διακοπής της ηλεκτρικής ενέργειας. Μπορεί τα περισσότερα ηλεκτρονικά συστήματα ασφαλείας να έχουν ενσωματωμένες μπαταρίες που διασφαλίζουν τη συνεχή λειτουργία τους για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα σε περίπτωση διακοπής της βασικής ηλεκτρικής παροχής. Όμως συχνά αυτό δεν αρκεί. Για το λόγο αυτό υπάρχουν οι συσκευές εφεδρικής παροχής, πολύ γνωστότερες και ως UPS (Uninterrupted Power Supply) που εξασφαλίζουν παροχή ενέργειας χωρίς να επηρεάζονται από τις διακοπές της παροχής.

Σε περίπτωση όπου στην εγκατάσταση έχει υπολογιστεί ήδη η χρήση UPS για άλλους λόγους, θα πρέπει και οι γραμμές των συστημάτων ασφαλείας (ή ο υποπίνακας) να τροφοδοτούνται μέσω UPS. Όχι μόνο διότι σε περίπτωση διακοπής θα εξασφαλιστεί η συνέχεια της τροφοδοσίας τους, αλλά διότι οι σύγχρονες συσκευές UPS διαθέτουν ενσωματωμένες διατάξεις που διασφαλίζουν την ποιότητα του παρεχόμενου ηλεκτρικού ρεύματος, χωρίς να επηρεάζονται από πτώσεις τάσης που στην περίπτωση συσκευών χωρίς την ύπαρξη μπαταριών οδηγούν στη διακοπή της λειτουργίας τους. Εκείνο όμως που πρέπει να διασαφηνισθεί είναι ότι τα UPS δεν αποτελούν πηγές εφεδρικής ισχύος. Αντιθέτως, πηγές εφεδρικής ισχύος αποτελούν οι γεννήτριες παραγωγής . Αν ο επιδιωκόμενος στόχος είναι η συνεχής λειτουργία της εγκατάστασης ακόμα και σε μακροχρόνιες διακοπές, τότε η χρήση της γεννήτριας είναι υποχρεωτική. Η διαστασιολόγηση του UPS αλλά και της γεννήτριας οφείλει να γίνει βάσει των συσκευών που θα τροφοδοτήσουν και λαμβάνοντας πάντα υπόψη ένα συντελεστή ασφαλείας. Δηλαδή η ισχύς της γεννήτριας θα πρέπει να είναι μία τάξη μεγαλύτερη εκείνης του UPS, το οποίο με τη σειρά του θα πρέπει να υπερκαλύπτει τις καταναλώσεις που θα τροφοδοτεί.