Nowoczesny system zabezpieczeń

Postanowiliśmy zająć się opracowywaniem innowacyjnego systemu zabezpieczeń, który byłby w stanie polepszyć ochronę na świecie. Zauważyliśmy, że jest to poważny, ale nie często nagłaśniany problem - obecne systemy zabezpieczeń są na tyle znane i rozpracowane, że wiele osób potrafi obejść. Obraliśmy sobie za cel obmyślenie systemu, który byłby wydajny i funkcjonalny, wykorzystywał innowacyjne metody działania oraz był niedrogi w produkcji i eksploatacji. Postanowiliśmy do tego celu użyć magnesu neodymowego oraz teslomierza. W ciele przechodzącego między nimi człowieka indukował by się prąd elektryczny, który - zgodnie z prawem Biota-Savarta - wywoła własne pole magnetyczne. Teslomierz będzie odczytywał wartość indukcji pola magnetycznego i - w sytuacji, gdy będzie ona niezgodna z oczekiwaną - uruchomi alarm.

W trakcie pomiarów wykorzystaliśmy teslomierz złożony z minikomputera oraz magnetometru, magnes neodymowy oraz przedmioty pomocnicze. Za działanie systemu odpowiedzialny jest skrypt napisany w oparciu o język Python, który okazał się jego najmocniejszą stroną - cechuje go uniwersalność, przenośność oraz duża funkcjonalność, a także możliwość uruchomienia na wielu urządzeniach. Kolejną ważną rzeczą jest panel webowy, który wykorzystuje HTML, CSS i JavaScript - może być wyświetlany na komputerach osobistych i urządzeniach mobilnych.

Nasz eksperyment nie pozwolił wykryć człowieka, ale był w stanie tego dokonać dla metalowych przedmiotów. Daje to duże perspektywy, gdyż opracowanie wydajnego systemu wymaga zdobycia dokładniejszego teslomierza.

Więcej szczegółowych informacji zawartych jest w prezentacji.

Close

Nazywam się Arkadiusz Szczepanek. Mieszkam w Grybowie, a do szkoły chodzę w Nowym Sączu, województwo małopolskie, Polska. Nauka, a przede wszystkim Fizyka to bardzo ważne elementy mojego życia. Widzę w nich - oprócz sposobu na pracę i karierę - także drogę do odpowiedzi na ważne pytania, a fakt, że dzięki Fizyce można opisywać niezwykle złożone i skomplikowane urządzenia i zjawiska jest dla mnie naprawdę ekscytujący. Fizyka to dla mnie sposób na spędzanie wolnego czasu oraz wywołanie uczucia satysfakcji.

Bardzo cenię postać amerykańskiego Fizyka, Richarda Feynmana. Lektura jego Wykładów sprawiła, że poczułem, że mam z nim wiele wspólnych cech. Przede wszystkim jest to zamiłowanie do nauki - Richard Feynman jako wykładowca na Caltechu na każdym kroku pokazywał, jak wspaniała jest Fizyka. W życiu kierował się prawdziwą pasją, a zdobywanie lub przekazywanie wiedzy sprawiało mu wielką satysfakcję. Dzięki niemu mogłem utwierdzić się w przekonaniu, że Fizyka jest wspaniałą opowieścią o pięknie praw Wszechświata, która ponadto opisuje złożone zjawiska językiem matematyki.

Moją edukację planuję w Wielkiej Brytanii - oczywiście zamierzam studiować Fizykę, najlepiej do stopnia PhD, po czym chciałbym prowadzić własny instytut badawczy. Chciałbym, żeby ten instytut służył przemysłowi Hi-Tech - wdrażaniu w życie ambitnych idei i pomysłowych innowacji. Zwycięstwo w GSF byłoby dla mnie czymś wspaniałym - ułatwiło mi drogę na studia oraz do realizowania mojej prawdziwej pasji - Fizyki. Natomiast poza korzyściami finansowymi miałbym jeszcze te inne, cenniejsze - znajomość z ludźmi o podobnej pasji z całego świata, która ułatwiła by mi realizacje celów i dała wiele satysfakcji.

 

Nazywam się Artur Jamro. Mieszkam w Stróżach koło Gorlic i - podobnie jak Arek - uczęszczam do szkoły w Nowym Sączu. Najbardziej interesuję się technologiami informacyjnymi, a moją szczególną pasją jest programowanie. Zrodziła się ona we mnie w wieku około 10 lat, gdy grając w różnorodne gry komputerowe powiedziałem do siebie: "Hej! Gry na pewno ktoś musi tworzyć, więc dlaczego by samemu nie zrobić własnej?". Wtedy powstało we mnie marzenie, które jest moim życiowym celem - otworzyć własne studio deweloperskie produkujące gry.

Postaciami, które bardzo sobie cenię są niedawno zmarły Steve Jobs oraz pracujący dla Google'a w dziale IT Security Michał Składnikiewicz (aka Gynvael Coldwind). Steve pokazał światu jak, szczerze mówiąc, będąc na początku nikim w rezultacie osiągnąć coś wspaniałego, stać się legendą. Gynvael z kolei posiada ogromną wiedzę na temat szeroko pojętego bezpieczeństwa IT, dzięki któremu uświadomiłem sobie, że w tej dziedzinie można tak naprawdę osiągnąć niemalże wszystko. Zaraził mnie swoją postawą, bym - choć po części - rozwijał się także w tym kierunku.

Zwycięstwo w tym konkursie oznaczałoby dla mnie, że tak naprawdę nie istnieją dla człowieka bariery nie do przejścia i odpowiednim wysiłkiem jest on w stanie osiągnąć wszystko. Po zostaniu tylko finalistą ostatniej edycji Google Code-In, zwycięstwo byłoby dla mnie czymś niesamowitym - odwiedziłbym Amerykę i poznał wspaniałych ludzi z pasją (wprawdzie nie wszyscy byliby pasjonatami IT tak jak w przypadku Google Code-In, ale byliby to ludzie bardzo interesujacy). Nagroda ułatwiłaby mi studiowanie oraz rozwój własnej działalności gospodarczej.

Prowadzę także swojego bloga dostępnego pod adresem mrowqa.pl.

 

PS Skorzystaliśmy z brzydkiej sztuczki, by wprowadzić więcej tekstu, bowiem 250 słów na przedstawienie dwóch osób to zdecydowanie za mało.

Close

We współczesnym świecie ochrona jest coraz ważniejsza. Wobec tego bardzo istotne jest opracowanie nowoczesnych i coraz to lepszych systemów zabezpieczeń, które będą jeszcze trudniejsze do sforsowania. Ponadto, wiele takich systemów funkcjonujących obecnie jest droga i trudno dostępna na powszechnym runku, przez co skuteczna ochrona jest poniekąd elitarna i kosztowna.

Nasza idea polega na zbudowaniu takiego urządzenia, które będzie wydajnym i nowoczesnym systemem zabezpieczeń, ponadto dostępnym za przestępną cenę. Chcemy, aby był to produkt, w który nie będzie można ingerować z zewnątrz oraz taki, który wykryje każdą próbę wejścia w chronione przez niego miejsce. Nasz system ma być także tani w produkcji i eksploatacji, dzięki czemu skuteczna ochrona będzie czymś ogólnie dostępnym na świecie - należy zauważyć, że obecne tanie systemy zabezpieczeń są łatwe do ominięcia przez osoby w tym wyspecjalizowane.

Naszym celem jest wykorzystanie magnesu neodymowego i teslomierza jako elementów umieszczonych po obu stronach chronionego przez system zabezpieczeń miejsca, jakim mogą być przykładowo drzwi lub korytarz. Oczekujemy, że w ciele przechodzącego przez nie człowieka zaindukuje się prąd elektryczny, który będzie następnie wykryty przez teslomierz, co wywoła alarm na miejscu. 

Close

 Zaprojektowanie naszego urządzenia wymagało ciężkiej pracy. Przez długi czas zastanawialiśmy się, jakich elementów użyć do jego budowy. Ostatecznie zdecydowaliśmy się na magnes neodymowy oraz teslomierz, który stanowi magnetometr połączony z komputerem. Następnie, po zdobyciu wymaganego sprzętu, przystąpiliśmy do badań. Długi czas zajęła nam praca z magnetometrem, tak aby mierzył oczekiwane przez nas parametry. Musieliśmy także zadbać o odpowiednią prezentację wyników na wykresach oraz o umożliwienie urządzeniu powiadomienia o wykryciu zmian pola za pośrednictwem dźwięku oraz przez e-mail i telefon. Gdy część z tych rzeczy się udała, przystąpiliśmy do ostatecznych pomiarów - w jaki sposób na wyniki wpływa zakłócenie pola magnetycznego. Do przewidzenia było to, że czułość naszej aparatury nie pozwoli wykryć człowieka, lecz poniekąd udało się to z metalowymi przedmiotami, które przecież zwykle każdy posiada ze sobą - choćby w postaci telefonu lub metalowej klamry od paska. Skonstruowanie urządzenia spełniającego główną ideę projektu, czyli takiego, które umożliwi wykrycie pola magnetycznego pochodzącego od prądu zaindukowanego bezpośrednio w ciele człowieka, wymaga użycia bardziej dokładnej aparatury, niemniej jednak - choćby z uwagi na przestępną cenę naszego magnetometru - nie podniesie to aż tak znacząco kosztów całego urządzenia. Indukcja pola magnetycznego przy powierzchni naszego magnesu neodymowego wynosi około 3000 Gs, a zdolność rozdzielcza magnetometru dla największego zakresu pomiarowego 5 mGs, więc daje to możliwość wykonania dokładnych pomiarów i wykrycia prawie każdego metalowego przedmiotu przechodzącego między czujnikami położonymi w małej odległości. Dla dystansu rzędu szerokości typowych drzwi nie wyszło jednak tak dobrze.

Koszt zbudowania naszego urządzenia zamknął się w 120 USD, koszt jego eksploatacji też jest nieduży. Przewidujemy, że zbudowanie urządzenia umożliwiającego bezpośrednie wykrycie człowieka wymagałoby zainwestowania około 500 USD - ta orientacyjna cena obejmuje zakup dokładniejszego teslomierza z sondą mierzącego indukcję do 20 Gs z wielokrotnie większą dokładnością.

Dlaczego nasz projekt jest wyjątkowy? Wynika to z faktu, iż składa się na niego wiele zalet. Przede wszystkim wprowadza on innowacyjny sposób ochrony mienia - oba czujniki są ukryte wewnątrz ściany, więc osoba nieupoważniona nie może ingerować w ich działanie - dla przykładu większość obecnie funkcjonujących systemów jest dostępna dla każdego, więc osoba wyspecjalizowana ma możliwość zmienić ich działanie w odpowiedni dla siebie sposób. Wykorzystanie pola magnetycznego do przenoszenia informacji jest kolejną wielką zaletą - jest to sposób na tyle oryginalny, że nie może na niego wpłynąć człowiek potrafiący przechwytywać sygnały komputerowe. By przechwycić dane włamujący musiałby znaleźć się dokładnie tam, gdzie znajduje się nasz czujnik, a on z kolei może być zabudowany w infrastrukturze budynku. Przy dużej dokładności pomiarów urządzenie jest nie do oszukania, a jego koszt sprawia, że nie obciąża portfela tych, którzy go potrzebują. Gdy dodamy do tego jeszcze mały pobór energii - urządzenie może długo funkcjonować tylko dzięki zwykłemu akumulatorowi, więc nawet długie przerwy w dostawie prądu nie są problemem - oraz prosty montaż mamy system prawie kompletny - co prawda tylko w teorii, ale do ideałów trzeba ciągle dążyć.

Na pewno przyniósłby on wiele korzyści dla współczesnego świata.

Close

Na zaprojektowanie i wykonanie naszego eksperymentu poświęciliśmy wiele czasu. Ogólnie można go podzielić na etapy planowania, wykonania i obserwacji.

Planowanie obejmowało wybór przedmiotów, które posłużą w wdrożeniu naszej idei w życie, czyli poszukiwanie i zakup sprzętu do doświadczeń. Po długich namysłach zdecydowaliśmy się na magnes neodymowy, Raspberry Pi oraz cyfrowy magnetometr trzyosiowy. Gdy sprzęt był już przygotowany, należało sprawić, by funkcjonował zgodnie z naszymi zamierzeniami.

W tym celu należało go oczywiście zaprogramować. Posłużył do tego skrypt napisany w Pythonie, który obsługuje działanie całego systemu zabezpieczeń. Był on niezwykle udanym fragmentem projektu - kod jest przenośny, niezawodny, dobrze zaprojektowany, a sam skrypt wysoce konfigurowalny. Ważny jest także panel webowy, dzięki któremu mamy możliwość płynnej i funkcjonalnej analizy i edycji danych - wykorzystuje on szereg technologii webowych - HTML, CSS, JavaScript. W tym etapie wiele czasu spędziliśmy na kalibrowaniu magnetometru, który przez długi czas nie chciał pracować poprawnie - stan ten nie został w pełni naprawiony i czasami mamy nieadekwatne wyniki, niemniej jednak wiemy jak to zmienić - jest to kwestia zakupu poprawniejszego i droższego sprzętu.

Etap obserwacji skupiał się przede wszystkim na empirycznych doświadczeniach, które posłużyły napisaniu algorytmu uruchamiającego alarm. Z uwagi na niską czułość i dokładność magnetometru trudno było dobrać w tym algorytmie optymalne parametry.

Wszystkie pomiary odbyły się w warunkach domowych - w celu zapewnienia rzetelnych pomiarów użyliśmy długich przewodów oddalających magnetometr na dużą odległość od sprzętu komputerowego. Ponadto, pod uwagę wzięliśmy poprawkę na wartość indukcji pola magnetycznego Ziemi oraz okresowe zaburzenia, które były odnotowywane przez nasz sprzęt. Trudno jest stwierdzić, że nasze wyniki były poprawne, ale staraliśmy się doprowadzić je do jak najlepszego stanu. Oczywiście zadbaliśmy o bezpieczeństwo w trakcie pracy, jak również chroniliśmy sprzęt przed działaniem silnych pól magnetycznych, które mogły by wpłynąć na dokładność wyników. Wszystkie te kroki posłużyły nam realizacji celu głównego - budowy naszego nowoczesnego systemu zabezpieczeń.

System ten opiera się na dwóch elementach - teslomierzu, zbudowanym z komputera i magnetometru oraz magnesu neodymowego. Umieszczamy je po obu stronach drzwi, które mają być chronione, dzięki czemu teslomierz stale odczytuje wartość i zmiany indukcji pola magnetycznego. Napisany w Pythonie skrypt zbiera uzyskane wyniki i poddaje je analizie. W sytuacji, gdy wartość zmierzonej indukcji pola jest zgodna z oczekiwaną w obliczeniach liczbą system nie wszczyna alarmu. Gdy jednak w jego obrębie przemieści się człowiek, w jego ciele zaindukuje się stały prąd elektryczny, który - zgodnie z prawem Biota-Savarta - będzie wywoływał własne pole magnetyczne. Zgodnie z zasadą superpozycji, teslomierz nie odróżni tych pól, więc uzyskane przez niego wartości będą różnić się od oczekiwanych. W takiej sytuacji system zabezpieczeń uruchomi alarm dźwiękowy, a także wyśle informacje o tym fakcie na podany wcześniej adres mailowy, telefon oraz na policję. Wszystkie pomiary dokonywane przez teslomierz przedstawia się na specjalnym, generowanym w czasie rzeczywistym wykresie zmian indukcji pola magnetycznego w panelu webowym, który umożliwił wydajne prowadzenie pomiarów.

Co prawda nasz skonstruowany system nie spełnia tych wymogów, ale jest to kwestia dokładności wykorzystanego tam teslomierza oraz dalszej pracy.

Wykorzystany sprzęt został wypunktowany w bibliografii.

Close

Wyniki naszego projektu były wnikliwie analizowane i interpretowane. Gdy sprzęt do doświadczeń był przygotowany i poprawnie zaprogramowany przystąpiliśmy do wykonania eksperymentu. Otrzymywane w czasie rzeczywistym wykresy istotnych wartości bardzo ułatwiły nam pracę - korzystając z wykresów można działać dużo wydajniej i szybciej analizować pomiary. Uruchomiliśmy nasze urządzenie w taki sposób, by mierzyło zmiany indukcji pola magnetycznego. Okazało się, że dokładność teslomierza nie pozwala na zarejestrowanie ciała człowieka, gdyż prąd elektryczny, jaki się w nim indukuje nie wywołuje stosownego do tego celu pola magnetycznego. Niemniej jednak uważamy, że zastosowanie dokładniejszych przyrządów powinno w pełni rozwiązać ten problem i sprawić, że system będzie mógł wykryć praktycznie każde przemieszczenie w jego obrębie.

Indukcja magnetyczna przy powierzchni naszego magnesu neodymowego wynosi około 3000 Gs. Zdolność rozdzielcza naszego magnetometru dla największego zakresu pomiarowego to 5 mGs, a zakres ten dochodzi do 8.1 Gs. Dane te pozwalają na dojście do wniosku, że powinniśmy zarejestrować metalowe przedmioty przy typowych odległościach od sprzętu. Jednak doświadczenia nie potwierdziły go w całości - nasz magnetometr sprawiał na tyle duże problemy oraz był za mało czuły, przez co jakiekolwiek pomiary były możliwe w zasadzie tylko przy o wiele za małych odległościach. Co więcej, z powodu relatywnie silnego magnesu używane przedmioty szybko się namagnesowywały, więc nie można być pewnym wszystkich wyników.

Poniższe obrazki prezentują panel webowy wyświetlony pod systemem Android oraz odebrane powiadomienie poprzez SMS (dostawca usługi bramki SMS wysyła je spod losowego numeru).

Otrzymane tu wyniki i wnioski prowadzą do ogólnej konkluzji - nasze pomiary są tylko orientacyjne i nie oddają głównej idei projektu, niemniej jednak jego realizacja przyczyniła się do wielu cennych doświadczeń. Należy także pamiętać o wzorowym wykonaniu projektu od strony programistycznej i bardzo dobrze funkcjonujących skryptach i algorytmach - jest to niewątpliwa zaleta urządzenia, gdyż pokazuje, że można je szybko dostosować do innych warunków, dzięki czemu staje się uniwersalne. Przedstawione tu informacje pozwoliły nam także zwrócić uwagę na szereg zalet naszego systemu, które odnotowaliśmy we wnioskach. Mimo ostatecznie nieudanej realizacji możemy powiedzieć:

Rezultaty naszych działań potwierdzają, że można zbudować system zabezpieczeń działający na opisanej przez nas zasadzie.

Projekt w liczbach:

  • koszt 120 USD,
  • około 100 godzin konfiguracji sprzętu i programowania,
  • wykorzystane 5 zewnętrznych bibliotek programistycznych, 1 dla JavaScriptu, 1 dla CSS-a i 3 dla Pythona,
  • 17 konfigurowalnych opcji oprogramowania (planowane 19 opcji),
  • wykorzystano 9 metalowych przedmiotów do testów urządzenia,
  • wysłano około 80 maili do różnych adresatów odnośnie realizacji projektu,
  • otrzymano pomoc od co najmniej 7 osób.

Kod źródłowy powstałej platformy (serwer, analizator, webpanel, itp.) można znaleźć tutaj.

Close

Nasze pomiary nie zakończyły się oczekiwanym sukcesem. Ostatecznie nie wykryliśmy człowieka, ale czasem udało nam się zarejestrować metalowe przedmioty, które zwykle każdy ze sobą posiada - choćby w postaci telefonu lub klamry od paska. Wobec tego można dojść do wniosku, że postulowana przez nas możliwość budowy systemu zabezpieczeń, który do swojego zadania wykorzystuje pomiar zmian indukcji pola magnetycznego wynikających z przepływu prądu przez ciało człowieka lub jego przedmioty, jest w istocie prawdziwa. Nasz sprzęt zdobyliśmy za przestępną cenę, ponadto sprawiał wiele problemów, więc siłą rzeczy nie dał dobrych rezultatów. Inwestując więcej pieniędzy powinniśmy mieć teslomierz wystarczająco dokładny, aby wykryć pole z ludzkiego ciała przy odległości od magnesu neodymowego wynoszącej tyle, co szerokość typowych drzwi - jest to jednak postulat, który należy jeszcze zbadać.

W trakcie wykonywania pomiarów największym problemem było używanie magnetometru - przez długi czas dawał niepoprawne wyniki, a potem jego pomiary okazały się zbyt niedokładne. W związku z tym ulepszenie metody pomiarowej wymagało by tylko zakupu droższego i pewniejszego sprzętu - przede wszystkim odpowiedniego teslomierza z sondą służącą do rejestracji wyników.

W trakcie pracy nad projektem udało nam się znaleźć wiele istotnych zalet naszego systemu zabezpieczeń, o których warto w tym miejscu wspomnieć:

Przy odpowiednio dużej dokładności pomiarów urządzenie wychwyci praktycznie każdą zmianę indukcji pola magnetycznego, co czyni je niezwykle wydajnym w ochronie. Ludzie nie mogą ingerować z zewnątrz w jego działanie - można je z powodzeniem zamontować wewnątrz ściany, gdyż wpływ tej czynności uwzględni się w algorytmie nim sterującym. Wykorzystanie pola magnetycznego jako nośnika informacji to sposób innowacyjny - hasła i kody przesyłane, przykładowo, za pomocą sygnałów cyfrowych mogą być przechwycone przez osobę posiadającą odpowiedni odbiornik, a nasze dane mogą zostać odczytane odpowiednim magnetometrem tylko z jednego konkretnego fizycznego miejsca. Koszty produkcji i eksploatacji nie obciążają portfela ludzi, którzy potrzebują ochrony naszym systemem. Urządzenie nie pobiera dużo energii, dzięki czemu - nawet przy awarii prądu - może skutecznie funkcjonować dzięki zwykłemu akumulatorowi, co podtrzymuje ochronę. Montaż naszego systemu zabezpieczeń jest prosty i możliwy w praktycznie każdym wymagającym tego miejscu. Kilka z wymienionych zalet należy jeszcze zweryfikować pod kątem poprawności - szczególnie dotyczy to ceny wydajnego systemu. Sprzęt, który miałby teoretyczną możliwość realizacji głównej idei projektu mógłby się zamknąć w cenie 500 USD. Gdyby udało się je potwierdzić mielibyśmy rozwiązanie prawie kompletne.

Na koniec tej pracy należy podsumować nasze dokonania - docenić należy realizacje algorytmów i skryptów, które były mocną stroną projektu. Wykorzystany sprzęt był dobry, ale nie podołał stawianym przed nim wyzwaniom. Potwierdziliśmy możliwość skonstruowania poprawnego systemu, ale nie jest pewnym to, czy byłby on ogólnie dostępny - na pewno byłby przeznaczony dla firm i instytucji, które potrzebują niezawodnej ochrony.

Bardzo interesujące jest zastosowanie indukcji pola magnetycznego jako sposobu przesyłania informacji. Być może dalsza praca nad projektem lub rozwijanie tej idei pozwoli wymyślić innowacyjne systemy, projekty i urządzenia. Jest to na tyle fascynujące, że być może zajmiemy się tą kwestią - w ten sposób widzimy być może największy plus projektu - inspirację.

Close

Podziękowania:

  • Wiesław Szczepanek (tata Arkadiusza) - sponsor,
  • Czesław Jamro (tata Artura) - pomoc przy lutowaniu magnetometru z goldpinami oraz opornikami,
  • Przemysław Jamro (brat Artura) - użyczenie telewizora do wstępnej konfiguracji Raspberry Pi (nie mieliśmy wejścia HDMI w monitorach),
  • Łukasz Niemiec (znajomy) - użyczenie kabla HDMI do wstępnej konfiguracji Raspberry Pi,
  • Grzegorz Gajoch (znajomy) - pomoc informacyjna przy doprowadzeniu magnetometru do poprawnego działania,
  • Wiesław Bętkowski (właściciel sklepu Cyfronika) - fachowa pomoc i konsultacja odnośnie sprzętu,
  • Zygmunt Lis (nauczyciel Fizyki) - dobre słowo i pomoc przy planowaniu projektu - ostatecznie nie wykorzystana.

Dziękujemy także wszystkim innym, których zapomnieliśmy wymienić oraz tym, którzy nas wspierali podczas realizacji projektu.

 

Wykorzystany sprzęt:

 

Źródła (dotyczące oprogramowania):

 

Bibliografia opracowania naukowego:

Close