传感器在笔记本防盗器中的应用

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0引言
       
        随着社会经济的不断发展，笔记本日益普及，随之带来的PC安全防盗问题也日渐显著。在有些场合随身携带笔记本很不方便，例如在乘火车旅行中，当主人去洗手间，此时如何防止、杜绝小偷盗走笔记本是个亟待解决的问题。如今应用广泛的汽车防盗技术已很成熟，但相对成本较高，且无需考虑电源问题，而PC防盗就必须解决这些问题；还要体积小，能随时安装在PC上。在此，提出仅使用2个基于Simplici TI通信协议的节点（带有加速度传感器）进行点对点通信，完成防盗功能。
       
        1总体方案
       
        系统设计方案非常简单。一般来讲火车车厢全长26.6 m ，而无线传感器网络（wireless sensor net2works ，WSN）的通信距离在几十米到几百米之间，一般为30 m ，因此一个节点就可以完全覆盖整个车厢。在系统中只有2个节点（不需PC协助） ：节点1作为发信者，节点2作为收信者，组成最简单的网络，不需跳转。系统的结构简单，使得传输时延非常小，比较适合应用在上文中提到的场合。
       
        1.1方案实施
       
        将火车车厢分为2个区：1区是PC所在位置，即主人的座位，人未离开时，1区是安全的；2区是车厢内除去1区的其余位置。当主人因事进入2区时，1区将成为盲区， PC也将变得不安全。方案实施步骤如框图1所示。
         

         

        实施步骤：
       
        （1）小偷B企图移动电脑；
        （2）电脑的移动导致固定在上面的节点1移动；
        （3）节点1上的加速度传感器获取速度信息，节点1上的RF芯片将速度信息发送出去；
        （4）节点2接收到信息，通过预定程序判断速度PC是否属于异常移动，若是则触发蜂鸣器进行报警，反之则不响应；
        （5）主人A听到报警后迅速回到座位，避免PC丢失。
       
        1.2防盗器原理
        严格地讲，系统只有2个节点：节点1 （固定）是一个带有加速度传感器的无线传感模块，用于采集、处理速度信息，然后射频芯片将信息发送出去；节点2 （移动）是一个带有蜂鸣器的无线传感模块，用于判断节点1发送的速度信息是否超过既定阈值，以决定是否触发蜂鸣器进行报警。
       
        理想情况下火车在匀速行驶时加速度为零，但在转弯、换轨等情况下将会有一定的三维加速度。设火车前进方向为x轴、前进方向的左侧为y轴、上侧为z轴。考虑到车体较长，铁轨较平等特点，且根据经验知，在正常转弯、换轨等情况下，车体主要为左右晃动和前后加速，上下震动很少。若设x轴加速度为a x ， y轴加速度为a y ，z轴加速度为a z ，则ax ， ay均大于零，而az接近于零。当PC相对于火车静止时，小偷若想移动它势必会在3轴上都引起加速度，这样车体晃动引起的加速度会和人为移动引起的加速度叠加，从而干扰判断给系统造成额外的计算负担。据此可以选用az作为判断笔记本是否移动的判决对象，因为一般情况下可以认为az即为人为移动引起的加速度。
       
        虽然车体震动引起的az可以近似为零，但在一些特殊情况下可能不为零。为了降低误报率，系统设定一定的缓冲值，使得防盗器能包容一些车体震动。但是为了能识别人为移动，这个缓冲值又不能超过人为移动引起的加速度，即为系统的判决阈值。
       
        现在通过简单实验获取数据来计算人为移动引起的az ：随意从桌上拿起笔记本，重复10次，记录短距离10 cm）所用时间。得到10组数据如表1所示。

       

         
        利用表中的数据可计算平均用时(单位: s) 为:t = (0.25 + 0.24 + 0.23 + 0.22 + 0.22 + 0.23 +0.20 + 0.28 + 0.30 + 0.28) / 10 = 0.245位移公式如式(1) :
       
        式中：s，v0，a均为z轴上的向量。根据前文分析，s =10 cm；v0 = 0 m/ s；t = 0.245 s.据式（1）可计算出a≈3.332 m/ s2，约为0.340 g，即为az.为了降低误报率和最大程度识别人为移动PC，把阈值折衷定为0.20 g.
       
        2硬件实现
       
        系统只有2个节点，因此网络构建具有简单、迅速等特点，而且文章首次提出“随用随建”的概念。
       
        2.1节点设计
       
        系统采用Chipcon公司推出的单片、多频段、低功耗、超高频射频芯片CC1010.芯片采用0.35μmCMOS技术制成，内嵌高性能的8051微控制器、33通道10位ADC、4个定时器、2个PWM、2个UART、SPI及26个通用I/ O等。
       
        2.1.1 CC1010与天线间的RF收发电路的设计
       
        RF收发部分的电路如图2所示。

       

        图2 　RF 收发部分的电路

        图中， C31为输入匹配电容， L32为输入匹配电感，同时L32还用于阻止直流偏置信号的输入； C41、C42和L41共同实现发射输出电路的匹配。通过CC1010内部的发射/接收开关电路，使得收发器通过同一个50Ω的天线进行发射/接收操作。L1 ， C8和C9组成一个低通滤波器，用以滤除高频谐波，并且增加了频率的选择性，其阻抗为50Ω。元器件参数既可以按照CC1010datasheet上所给的值，也可利用Chipcon公司的SmartRF Studio软件得到。
        2.1.2 　CC1010 与加速度传感器的接口电路设计
        本无线采集系统采用了Freescale 公司最新推出的一款低成本、单芯片、三轴加速度传感器MMA7260。该微型电容式加速传感器融合了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术,提供了4 种加速度测量范围,分别为±1.5 g , ±2 g , ±4 g 和±6 g。考虑到前文将阈值定为0.2 g ,故设置参数将测量范围定为±1.5 g。在CC1010 与MMA7260 的接口中,首先要考虑噪声问题。因为MMA7260 内部采用了开关电容滤波器, 有时钟噪声产生, 所以需要在MMA7260 的XOU T ,YOU T 和ZOU T 三个输出端分别接RC 滤波器;其次要考虑电压匹配问题,由于x , y , z 轴方向的电压输出是0.45～2.85 V ,CC1010 的ADC 最大输入范围是0～V DD 。此处,V DD = 3.3 V ,其范围恰好在ADC的输入范围之内, 所以不用考虑额外的分压电阻。CC1010 和MMA7260 的接口电路如图3 所示。R31 / C31 , R41 / C41 , R51 / C51 用于滤除MMA7260 内部采样的开关噪声,GS1 ,GS2 用于量程选择。

         

        图3　CC1010 与加速度传感器的接口电路

        2.2装置构建
       
        定义节点1启动模式为事件触发模式，即节点经常处于低功耗的休眠模式，当节点在z轴向上有一定的移动时，加速度传感器能采集到加速度信息，便通知单片机激活节点为发送模式；当节点静止，即加速度传感器采集到加速度为0时，节点自动进入休眠模式，以减少功耗，并在主人离开座位前，将节点1固定于PC上。
       
        据调查，主人在火车上离开电脑的时间不会太久，故系统将节点2 （LED灯上并接蜂鸣片）设置为接收模式，板内烧有一个判决程序：通过对火车晃动引起加速度的收集及综合分析，设定确定的阈值，阈值大于火车晃动引起的加速度小于异常移动引起的加速度。随身携带节点2 ，只要笔记本一有异常移动便会报警。由于节点数只有2个，系统可以快速建立通信；而且节点尺寸为37.67 mm×25.80 mm ，适合车厢内狭小的空间应用。
       
        通过随时随地修改C语言源代码和变换传感器模块（通过扩展插槽） ，还可以组建其他功能无线通信网：可以用1号板监视温度传感器变化，用2号板远程监视温度变化；可以增加无线节点板建设更复杂的多节点无线传感器网络（Simplici TI单个网络最多可以支持255个节点）。综上所述，可以定义“随用随建”为：通过几个简单的无线节点板和基本配置的PC ，随时随地快速组建一个基于Simplici TI通信协议的WSN ，实现信息的采集、处理、传输功能。它最大能容纳256个节点（包括网关） ，且可以随时修改源代码实现多种功能。这样既方便又最大程度地节省了成本和功耗。完成任务后，节点自动转入休眠模式，收回节点，按键关闭节点电源。
       
        3测试结果及分析
       
        通过测试从时延、功耗和误报率等几方面*价防盗器的性能。
       
        （1）时延。为了节能，开启节点电源后其处于休眠模式。经过大量的实验室测试，节点从休眠到工作激活的时延为15 ms ，设备搜索时延一般为30 ms ，活动设备信道接入时延为15 ms ，理想时延共60 ms ，但考虑到车厢内电磁环境复杂，影响传播因素较多，把时延定为0.1 s.
       
        （2）功耗。以433 MHz频率为标准，在正常工作模式下，所有引脚都工作的电流消耗为14.8 mA ；睡眠模式下为0.2μA ；节能模式下为29.4μA.整个系统的大部分时间处于休眠节能模式，如果PC有人为移动，就通过事件触发机制再次唤醒该节点的单片机。系统一旦进人节能模式，通过电源管理电路，将除单片机、射频模块和硬件看门狗以外器件的供电切断，这时只有硬件看门狗、单片机的串口中断逻辑和射频模块消耗电能，可以最大限度地节约电能。
       
        （3）误报率。误报率是系统最复杂、最难解决的问题。在此，提出利用判决程序、计算阈值，通过判断是否超过阈值来决定是否报警，在大大降低了误报率的同时，尽可能地避免漏报。
       
        4结语
       
        无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一。在此，基于WSN ，着眼解决笔记本等贵重物品的防盗问题，设计出微功耗笔记本防盗器。文章创新点在于：
       
        （1）通过分析大量的火车晃动所引起的x ， y ， z轴加速度数据和一般人移动PC所引起的加速度数据，利用统计方法确定一个阈值。阈值大于火车正常晃动加速度；小于人为移动加速度。利用阈值编写判决程序，判断笔记本是否为异常移动而进行报警。
        （2）提出了“随用随建”的概念，使网络可以随时随地快速组建，大大地拓展了防盗器的应用场合；采用事件触发模式来激活节点，大大降低了节点和系统的功耗。