Киловольты на мегагерцы. Сочиняем излучатель помех для противокражных систем

Vshmuk (megabotva@gmail.com)

Когда ты ходишь в магазин за свежим диском с игрушкой, то часто можешь лицезреть на каждом из них небольшую такую квадратную наклейку-метку. Ты, естественно, в курсе, что это противокражная система, и выходить с таким товаром из зала, не оплатив его, очень неразумно. Интересовался, как работает такая штука? А может, посещали не совсем праведные мысли об изобретении карманной «размагничивалки»? Сегодня я расскажу тебе об устройстве противокражных систем и покажу девайс, создающий на эти системы наводки.

Цель

Мне хотелось создать некое карманное устройство, которое излучает на той же частоте, что и ворота-рамки у дверей в торговый зал. Поймав сигнал моего устройства, они должны были счесть его эхом от метки и поднять тревогу. Но исследование вылилось в проектирование мощного и универсального излучателя электромагнитных волн, способного на разы большее.

Как ты будешь его использовать – в качестве источника знаний или инструмента для заподлянок – решать тебе, но я верю в твою честность. В любом случае, по прочтению статьи ты будешь знать принципы работы магазинных противокражных систем, а также уметь проектировать мощные излучатели электромагнитных волн.

Какие системы бывают

Разновидностей противокражных систем изобретено немало, но внешне все они имеют общие составные части:

• ворота, стоящие на входе в помещение;
• деактиватор, находящийся на кассе;
• метки, расклеенные на товарах.

Все это, полагаю, ты знаешь и без меня. Но каковы же их внутренние отличия? Наиболее распространенная на рынке радиочастотная система, о которой мы и будем сегодня говорить, сканирует эфир и деактивирует метки на частоте около 8МГц. Плюсы - дешевизна и возможность использования так называемых «многоразовых» пластиковых меток. Минусы - чувствительность к помехам. Этим мы и воспользуемся.

Другая система – акустомагнитная – имеет резонанс на десятках кГц, а деактивируется - на 400 Гц. Принципиальных различий с рассматриваемой нами системой у них нет, только вот импульсы в ней нужны на несколько киловатт, а конденсаторы, с которых можно без проблем снять эту мощность, ни в какой карман не влезут. Еще одну особенность акустомагнитной системы смотри в посвященной ей врезке.

Существуют и другие противокражные системы, являющиеся, в основном, комбинацией и легкой переделкой двух вышеперечисленных. Про них ты можешь почитать в интернете.

Принцип работы

Так вот, поговорим о радиочастотной противокражной системе. Если ты по-настоящему любопытный и когда-нибудь расслаивал метку, то наверняка видел ее внутреннее устройство. Состоит она из скрученного в спираль проводника и двух металлических пластинок конденсатора. Это не что иное, как обыкновенный LC-контур, свойства которого проходят в любой (даже очень средней) школе. Имея на руках генератор высокой частоты и осциллограф, ты можешь получить его резонансную частоту - она равна примерно 8,2 МГц.

Эту же частоту излучают и «ворота», стоящие на выходе торгового зала. Попадая в излучаемое ими переменное электромагнитное поле, метка «раскачивается» на своем резонансе и начинает сама же излучать на этой частоте. А «ворота», предвидя такой оборот, после отсылки сотни-другой импульсов в эфир замолкают и переходят в режим «прослушивания» – дожидаются ответа от метки, приклеенной к уносимому товару. Если «эхо» поймалось, то включается сирена. Ну а дальше ты в курсе :).

Размагничивание метки, происходящее при оплате товара на кассе (а если по-научному, то деактивация), происходит таким же образом, только вот деактиватор посылает сигнал в разы мощнее, чем «ворота». Импульсы эти настолько мощные, что конденсатор в метке пробивается, и LC-контур перестает быть таковым. Удостоверяясь в удачной смерти метки, деактиватор периодически замолкает и слушает эхо, чтобы, в случае чего, запищать.

Как видно, никаких сложностей в радиочастотных противокражных системах нет, – нашему устройству надо будет только «притвориться» недеактивированной меткой и, тем самым, свести с ума «ворота», находящиеся неподалеку.

Сочиняем

Теперь постараемся это реализовать. Наш девайс будет излучать на частоте 8,2 МГц, причем с очень нехилой амплитудой сигнала. Состоит устройство из платы с генератором частоты и трансформатором на борту, батарейки, корпуса и излучающей антенны. Плату я стащил из нашей лаборатории, она идеально подходила под мою задачу: имеет, помимо всего прочего, транзисторы и место под трансформатор. Питаться устройство будет от 9-вольтовой батарейки, а сердце его - знакомая тебе ПЛИС Altera MAX II. С генерированием импульсов любой формы справится «на отлично»!

Силовая часть устройства тоже будет довольно проста. Как ты помнишь, нам надо на частоте 8,2 МГц генерировать очень мощные импульсы. В идеале, на антенне хочется иметь порядка 200-400 вольт. Такому напряжению, да еще и переменному, на нашей питающейся от 9 вольт плате взяться просто неоткуда, поэтому его надо создать. Как? Как обычно, через трансформатор. На первичной обмотке у нас 9В, а на вторичной должно быть 300. Значит, отношение обмоток - примерно 1 к 30. Только когда будешь его наматывать, имей в виду, что, несмотря на маленькое напряжение на первичной обмотке, ток там будет очень большой, порядка семидесяти ампер. Не скупись на толщину провода и мотай провод сечением хотя бы 2,5 кв. миллиметра.

Наша задача - заставить эти 9 вольт возникать поочередно на разных концах обмотки. Заставляя ток течь по очереди в разные концы обмотки, мы и получим нужное нам переменное напряжение, превращающееся в итоге в 300 вольт. Первая мысль - поставить по транзисторной паре-полумосту с каждого ее конца. С помощью четырех MOSFETов, подтягивающих поочередно разные концы провода то к питанию, то к земле, мы могли бы получить, что нам надо. Но, подумав, мы узнаем, как сократить количество транзисторов ровно вдвое – стоит лишь намотать в два раза больше витков на первичную обмотку и вывести наружу среднюю точку, жестко привязав ее к 9 вольтам! Теперь, открывая только по одному транзистору на каждом из концов обмотки, мы будем замыкать на землю разные ее части и генерировать нужное переменное напряжение на первичной обмотке, вдвое сократив затраты на пайку. Я использовал MOSFETы с драйвером LM7313, но для задачи подойдут любые более-менее быстрые полевые транзисторы. В общем, если что-то непонятно - смотри схему.

Кстати, не забывай, что антенна с трансформатором — это тоже индуктивности, поэтому для хорошего раскачивания на нашей частоте ее нужно согласовать (то есть, параллельно с ней запаять еще и емкость). Какую именно - легче всего подобрать экспериментально, впаивая имеющиеся конденсаторы и любуясь на результат. Если с емкостями у тебя напряг и переменного конденсатора под рукой также нет, то рассчитать согласование можно с помощью спецсофта, который легко ищется в интернете. После чего сразу купить нужный номинал.

Так как мы делаем глупый и тихий девайс и слушать эфир на наличие эха от метки нам не надо, то всякие компараторы на антенне и мегасложная прошивка нам также не нужны.

Проектируя, предусмотри место для замыкающей питание кнопки, чтобы устройство не начинало «фонить» и тратить батарейку раньше времени. Хотя так ты рискуешь получить задержку по времени на «раскачку» всей логики. Поэтому правильнее (хотя и сложнее) будет завести кнопку на одну из ног ПЛИСины. Она будет активировать генерацию частоты только при возникновении на ней логического нуля.

Еще совет. Для уменьшения наводок на Альтеру вытрави или хотя бы прорежь всю лишнюю медь под трансформатором и антенным выходом, иначе ты вполне можешь получить 200-вольтовые наводки по земле, на которой «стоит» ПЛИС. А это ой как вредно.

Итак, у нас получилось устройство-излучатель. Я запрошил Альтеру на генерацию частоты 8,2 МГц, и после нажатия кнопки включения находящиеся на расстоянии двух метров «ворота» подняли отчаянный визг. А значит, все-таки восприняли излучаемые новособранным девайсом импульсы за ответ от противокражной метки! Что и требовалось доказать.

Штука, кстати, оказалась довольно универсальным электромагнитным убийцей. Чуток подняв напряжение на выходе и поколдовав с частотой, можно сжигать любые недостаточно экранированные электронные устройства. В общем, держи его подальше от мобильников и винчестеров!

PS

Побочным эффектом, кроме наведения помех на «ворота», будет собственно деактивация меток. Как ты помнишь, в радиочастотных противокражных системах «сжигание» происходит на той же частоте, что и сканирование… за исключением одного важного момента. По просьбе Длинного, я опустил в статье этот момент, связанный с генерацией частоты. Хочешь встать на кривую дорожку - гугли соответствующую документацию на радиочастотные противокражные системы и чуть-чуть усложняй прошивку.

Дисклеймер

Сам я выносом неоплаченного товара с помощью этого девайса не занимался и тебе не советую. Делать заподлянки над невиновными цивилизованными покупателями мне почему-то не позволила совесть. Все тестировалось на воротах, стоящих на входе в квартиру моего друга-параноика, а моток недеактивированных меток без проблем продается соответствующими фирмами. Цель статьи - показать несовершенство (о, сколько раз печатались эти слова на страницах ][!) противокражных систем и неграмотных воришек. Система радиочастотных меток - одна из самых дешевых, ее реализация копеечная, и ты сам смог в этом убедиться. Существующие на рынке акустомагнитные системы работают на несравнимо больших мощностях, но и стоят в разы дороже. И с «той стороны баррикад» магазинным менеджерам, как и сисадминам, постоянно приходится балансировать между секьюрностью и ценой.

Пара слов об антенне

Как ты понимаешь, размеры для нашего устройства очень важны, поэтому выводить излучающую антенну куда-то наружу я не стал. Я просто наклеил кольцом широкую полоску фольги по контуру корпуса, а к ее концам припаял провода, заведенные на антенный выход. Для уменьшения наводок на само устройство можно обернуть плату фольгированной бумагой или обклеить ею корпус изнутри. Согласовывать антенну, если ты не стал ее высчитывать, легче всего с помощью осциллографа. Возьми щуп, замкни на него «крокодила» и положи получившееся кольцо в центр антенной рамки. Запаяй на место транзистора переменную емкость, крути ее и смотри на экране, как меняется амплитуда сигнала. Как увидел, что она максимальна - впаивай получившуюся емкость намертво. В моем случае получилось 127,6 пФ, у тебя будет что-то похожее. В общем, смотри схему.

Если же хочешь сделать все «по правилам», то прочти эту доку: http://www.antentop.org/004/files/tr004.pdf – или этот сайт: http://www.educypedia.be/electronics/electroniccalculators.htm, где несложным языком рассказывается про антенны. Потом, на одном из множества ресурсов, ищущихся по «javascript electronic inductance calculator», рассчитай прямо в онлайне получившуюся у тебя индуктивность. Формула для расчета прямоугольных антенн существует, но она очень громоздкая, так что советую тебе поберечь время.

Пластиковые метки-клипсы

Кроме меток-наклеечек существуют еще и пластиковые «неубиваемые» метки-прищепки различных форм, работающие на той же частоте. Такими обычно снабжается одежда и бутылки со спиртным в супермаркетах. Внутри них содержится простой механизм, реагирующий на постоянное магнитное поле. Ворота на них реагируют так же, как и на бумажные метки-наклейки, а «открываются» они сильным магнитом особой формы, стоящим на кассе. Кстати, по результатам пятиминутного гугления выяснилось, что и мощный NdFeB-магнит, выдранный из винчестера, также может открывать эти клипсы! Патент и внутренние чертежи смотри тут: http://www.patentgenius.com/patent/5528914.html.

А как с акустомагитной системой?

Не рассмотренная здесь акустомагнитная противокражная система работает немного сложнее радиочастотной. Первая особенность, — это необходимость излучать порядка киловатта для деактивации меток. Вторая - ворота ждут разнесенной по фазе последовательности из четырех импульсов, пришедших в ответ с метки. Это позволяет такой системе избегать ложных срабатываний, защищает от помех, а также ставит палки в колеса потенциальным западлостроителям. Разбери метку (она имеет форму длинной прямоугольной полосы) и ты увидишь в одном слое четыре куска проводника, напротив которых — сплошная полоска. Каждая из этих зон откликается на ворота, сигнал доходит обратно в определенный момент времени, и ответ метки однозначно идентифицируется системой.

«Сложно» - это не значит «невозможно»! Если научишь устройство такому поведению, то перед тобой не устоит ни один пьющий неделями валидол сотрудник службы безопасности!