傳感器在筆記本防盜器中的應(yīng)用

摘 要:近年來(lái)針對(duì)筆記本等個(gè)人貴重物品被盜時(shí)有發(fā)生這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一種基于加速度傳感器的低功耗無(wú)線防盜器。提出僅通過2個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建成最簡(jiǎn)單的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳遞PC移動(dòng)信息，通知主人迅速做出反應(yīng)，避免筆記本的丟失。通過硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程燒寫使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)得以驅(qū)動(dòng)，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的報(bào)警效果。解決了一般防盜器價(jià)格昂貴，系統(tǒng)復(fù)雜，體積較大，時(shí)延較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò); 加速度傳感器; 防盜器

中圖分類號(hào):TN911-34; TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)16-0175-03

Application of Sensors in Anti-theft Device for Notebook Computers

YU Yong-hui， ZOU Tao， DING Ying

(Engineering College of Armed Police Force， Xi’an 710086， China)

Abstract: A low-power wireless anti-theft device based on acceleration sensors is designed to prevent the notebook computers and other personal valuables from being stolen from time to time.Themoving message of PC is transmitted by the most simple wireless sensor networks which are built just with two nodes to notify the owner to respond quickly to avoid the loss of laptops. The whole network is driven through the hardware circuit designand software programming. The experimental testing shows that it can satisfy the alarm expected result. The shortcomings of high price， complex structure， large volume and long time delay of general anti-theft devices were overcome. The innovation point is the concept of \"use with building\".

Keywords: wireless sensor network; acceleration sensor; anti-theft device

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，筆記本日益普及，隨之帶來(lái)的PC安全防盜問題也日漸顯著。在有些場(chǎng)合隨身攜帶筆記本很不方便，例如在乘火車旅行中，當(dāng)主人去洗手間，此時(shí)如何防止、杜絕小偷盜走筆記本是個(gè)亟待解決的問題。如今應(yīng)用廣泛的汽車防盜技術(shù)已很成熟，但相對(duì)成本較高，且無(wú)需考慮電源問題，而PC防盜就必須解決這些問題;還要體積小，能隨時(shí)安裝在PC上。在此，提出僅使用2個(gè)基于SimpliciTI通信協(xié)議[1]的節(jié)點(diǎn)(帶有加速度傳感器)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，完成防盜功能。

1 總體方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案非常簡(jiǎn)單。一般來(lái)講火車車廂全長(zhǎng)26.6 m，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2-3](wireless sensor networks，WSN)的通信距離在幾十米到幾百米之間，一般為30 m，因此一個(gè)節(jié)點(diǎn)就可以完全覆蓋整個(gè)車廂。在系統(tǒng)中只有2個(gè)節(jié)點(diǎn)(不需PC協(xié)助):節(jié)點(diǎn)1作為發(fā)信者，節(jié)點(diǎn)2作為收信者，組成最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，不需跳轉(zhuǎn)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使得傳輸時(shí)延非常小，比較適合應(yīng)用在上文中提到的場(chǎng)合。

1.1 方案實(shí)施

將火車車廂分為2個(gè)區(qū):1區(qū)是PC所在位置，即主人的座位，人未離開時(shí)，1區(qū)是安全的;2區(qū)是車廂內(nèi)除去1區(qū)的其余位置。當(dāng)主人因事進(jìn)入2區(qū)時(shí)，1區(qū)將成為盲區(qū)，PC也將變得不安全。方案實(shí)施步驟如框圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案實(shí)施步驟

實(shí)施步驟:

(1) 小偷B企圖移動(dòng)電腦;

(2) 電腦的移動(dòng)導(dǎo)致固定在上面的節(jié)點(diǎn)1移動(dòng);

(3) 節(jié)點(diǎn)1上的加速度傳感器獲取速度信息，節(jié)點(diǎn)1上的RF芯片將速度信息發(fā)送出去;

(4) 節(jié)點(diǎn)2接收到信息，通過預(yù)定程序判斷速度PC是否屬于異常移動(dòng)，若是則觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，反之則不響應(yīng);

(5) 主人A聽到報(bào)警后迅速回到座位，避免PC丟失。

1.2 防盜器原理

嚴(yán)格地講，系統(tǒng)只有2個(gè)節(jié)點(diǎn):節(jié)點(diǎn)1(固定)是一個(gè)帶有加速度傳感器的無(wú)線傳感模塊，用于采集、處理速度信息，然后射頻芯片將信息發(fā)送出去;節(jié)點(diǎn)2(移動(dòng))是一個(gè)帶有蜂鳴器的無(wú)線傳感模塊[4]，用于判斷節(jié)點(diǎn)1發(fā)送的速度信息是否超過既定閾值，以決定是否觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

理想情況下火車在勻速行駛時(shí)加速度為零，但在轉(zhuǎn)彎、換軌等情況下將會(huì)有一定的三維加速度。設(shè)火車前進(jìn)方向?yàn)楠軸、前進(jìn)方向的左側(cè)為y軸、上側(cè)為z軸。考慮到車體較長(zhǎng)，鐵軌較平等特點(diǎn)，且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知，在正常轉(zhuǎn)彎、換軌等情況下，車體主要為左右晃動(dòng)和前后加速，上下震動(dòng)很少。若設(shè)x軸加速度為ax，y軸加速度為ay，z軸加速度為az，則ax，ay均大于零，而az接近于零。當(dāng)PC相對(duì)于火車靜止時(shí)，小偷若想移動(dòng)它勢(shì)必會(huì)在3軸上都引起加速度，這樣車體晃動(dòng)引起的加速度會(huì)和人為移動(dòng)引起的加速度疊加，從而干擾判斷給系統(tǒng)造成額外的計(jì)算負(fù)擔(dān)。據(jù)此可以選用az作為判斷筆記本是否移動(dòng)的判決對(duì)象，因?yàn)橐话闱闆r下可以認(rèn)為az即為人為移動(dòng)引起的加速度。

雖然車體震動(dòng)引起的az可以近似為零，但在一些特殊情況下可能不為零。為了降低誤報(bào)率，系統(tǒng)設(shè)定一定的緩沖值，使得防盜器能包容一些車體震動(dòng)。但是為了能識(shí)別人為移動(dòng)，這個(gè)緩沖值又不能超過人為移動(dòng)引起的加速度，即為系統(tǒng)的判決閾值。

現(xiàn)在通過簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算人為移動(dòng)引起的az:隨意從桌上拿起筆記本，重復(fù)10次，記錄短距離(10 cm)所用時(shí)間。得到10組數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 移動(dòng)PC所用時(shí)間表

序號(hào)12345

位移/cm1010101010

時(shí)間/s0.250.240.230.220.22

序號(hào)678910

位移/cm1010101010

時(shí)間/s0.230.200.280.300.28

利用表中的數(shù)據(jù)可計(jì)算平均用時(shí)(單位:s)為:

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):

s=v0t+12at2(1)

式中:s，v0，a均為z軸上的向量。根據(jù)前文分析，s=10 cm;v0=0 m/s;t=0.245 s。據(jù)式(1)可計(jì)算出a≈3.332 m/s2，約為0.340 g，即為az。為了降低誤報(bào)率和最大程度識(shí)別人為移動(dòng)PC，把閾值折衷定為0.20 g。

2硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)只有2個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建具有簡(jiǎn)單、迅速等特點(diǎn)，而且文章首次提出“隨用隨建”的概念。

2.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Chipcon公司推出的單片、多頻段、低功耗、超高頻射頻芯片CC1010[5]。芯片采用0.35 μm CMOS技術(shù)制成，內(nèi)嵌高性能的8051微控制器、33通道10位ADC、4個(gè)定時(shí)器、2個(gè)PWM、2個(gè)UART、SPI及26個(gè)通用I/O等。

2.1.1 CC1010與天線間的RF收發(fā)電路的設(shè)計(jì)

RF收發(fā)部分[6]的電路如圖2所示。

圖2 RF收發(fā)部分的電路

圖中，C31為輸入匹配電容，L32為輸入匹配電感，同時(shí)L32還用于阻止直流偏置信號(hào)的輸入;C41、C42和L41共同實(shí)現(xiàn)發(fā)射輸出電路的匹配。通過CC1010內(nèi)部的發(fā)射/接收開關(guān)電路，使得收發(fā)器通過同一個(gè)50 Ω的天線進(jìn)行發(fā)射/接收操作。L1，C8和C9組成一個(gè)低通濾波器，用以濾除高頻諧波，并且增加了頻率的選擇性，其阻抗為50 Ω。元器件參數(shù)既可以按照CC1010datasheet[2]上所給的值，也可利用Chipcon公司的SmartRF Studio軟件得到。

2.1.2 CC1010與加速度傳感器的接口電路設(shè)計(jì)

本無(wú)線采集系統(tǒng)采用了Freescale公司最新推出的一款低成本、單芯片、三軸加速度傳感器MMA7260[7]。該微型電容式加速傳感器融合了信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)，提供了4種加速度測(cè)量范圍，分別為±1.5 g，±2 g，±4 g和±6 g。考慮到前文將閾值定為0.2 g，故設(shè)置參數(shù)將測(cè)量范圍定為±1.5 g。

在CC1010與MMA7260的接口中，首先要考慮噪聲問題。因?yàn)镸MA7260內(nèi)部采用了開關(guān)電容濾波器，有時(shí)鐘噪聲產(chǎn)生，所以需要在MMA7260的XOUT，YOUT和ZOUT三個(gè)輸出端分別接RC濾波器;其次要考慮電壓匹配問題，由于x，y，z軸方向的電壓輸出是0.45～2.85 V，CC1010的ADC最大輸入范圍是0～VDD。此處，VDD=3.3 V，其范圍恰好在ADC的輸入范圍之內(nèi)，所以不用考慮額外的分壓電阻。CC1010和MMA7260的接口電路如圖3所示。R31/C31，R41/C41，R51/C51用于濾除MMA7260內(nèi)部采樣的開關(guān)噪聲，GS1，GS2用于量程選擇。

圖3 CC1010與加速度傳感器的接口電路

2.2 裝置構(gòu)建

定義節(jié)點(diǎn)1啟動(dòng)模式為事件觸發(fā)模式，即節(jié)點(diǎn)經(jīng)常處于低功耗的休眠模式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在z軸向上有一定的移動(dòng)時(shí)，加速度傳感器能采集到加速度信息，便通知單片機(jī)激活節(jié)點(diǎn)為發(fā)送模式;當(dāng)節(jié)點(diǎn)靜止，即加速度傳感器采集到加速度為0時(shí)，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，以減少功耗，并在主人離開座位前，將節(jié)點(diǎn)1固定于PC上。

據(jù)調(diào)查，主人在火車上離開電腦的時(shí)間不會(huì)太久，故系統(tǒng)將節(jié)點(diǎn)2(LED燈上并接蜂鳴片)設(shè)置為接收模式，板內(nèi)燒有一個(gè)判決程序:通過對(duì)火車晃動(dòng)引起加速度的收集及綜合分析，設(shè)定確定的閾值，閾值大于火車晃動(dòng)引起的加速度小于異常移動(dòng)引起的加速度。隨身攜帶節(jié)點(diǎn)2，只要筆記本一有異常移動(dòng)便會(huì)報(bào)警。由于節(jié)點(diǎn)數(shù)只有2個(gè)，系統(tǒng)可以快速建立通信;而且節(jié)點(diǎn)尺寸為37.67 mm×25.80 mm，適合車廂內(nèi)狹小的空間應(yīng)用。

通過隨時(shí)隨地修改C語(yǔ)言源代碼和變換傳感器模塊[8](通過擴(kuò)展插槽)，還可以組建其他功能無(wú)線通信網(wǎng):可以用1號(hào)板監(jiān)視溫度傳感器變化，用2號(hào)板遠(yuǎn)程監(jiān)視溫度變化;可以增加無(wú)線節(jié)點(diǎn)板建設(shè)更復(fù)雜的多節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(SimpliciTI單個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持255個(gè)節(jié)點(diǎn))。綜上所述，可以定義“隨用隨建”為:通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線節(jié)點(diǎn)板和基本配置的PC，隨時(shí)隨地快速組建一個(gè)基于SimpliciTI通信協(xié)議的WSN，實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理、傳輸功能。它最大能容納256個(gè)節(jié)點(diǎn)(包括網(wǎng)關(guān))，且可以隨時(shí)修改源代碼實(shí)現(xiàn)多種功能。這樣既方便又最大程度地節(jié)省了成本和功耗。完成任務(wù)后，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，收回節(jié)點(diǎn)，按鍵關(guān)閉節(jié)點(diǎn)電源。

3測(cè)試結(jié)果及分析

通過測(cè)試從時(shí)延、功耗和誤報(bào)率等幾方面評(píng)價(jià)防盜器的性能。

(1) 時(shí)延。為了節(jié)能，開啟節(jié)點(diǎn)電源后其處于休眠模式。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，節(jié)點(diǎn)從休眠到工作激活的時(shí)延為15 ms，設(shè)備搜索時(shí)延一般為30 ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15 ms，理想時(shí)延共60 ms[9]，但考慮到車廂內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜，影響傳播因素較多，把時(shí)延定為0.1 s。

(2) 功耗。以433 MHz頻率為標(biāo)準(zhǔn)，在正常工作模式下，所有引腳都工作的電流消耗為14.8 mA;睡眠模式下為0.2 μA;節(jié)能模式下為29.4 μA[10]。整個(gè)系統(tǒng)的大部分時(shí)間處于休眠節(jié)能模式，如果PC有人為移動(dòng)，就通過事件觸發(fā)機(jī)制再次喚醒該節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)。系統(tǒng)一旦進(jìn)人節(jié)能模式，通過電源管理電路，將除單片機(jī)、射頻模塊和硬件看門狗以外器件的供電切斷，這時(shí)只有硬件看門狗、單片機(jī)的串口中斷邏輯和射頻模塊消耗電能，可以最大限度地節(jié)約電能。

(3) 誤報(bào)率。誤報(bào)率是系統(tǒng)最復(fù)雜、最難解決的問題。在此，提出利用判決程序、計(jì)算閾值，通過判斷是否超過閾值來(lái)決定是否報(bào)警，在大大降低了誤報(bào)率的同時(shí)，盡可能地避免漏報(bào)。

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一[11]。在此，基于WSN，著眼解決筆記本等貴重物品的防盜問題，設(shè)計(jì)出微功耗筆記本防盜器。文章創(chuàng)新點(diǎn)在于:

(1) 通過分析大量的火車晃動(dòng)所引起的x，y，z軸加速度數(shù)據(jù)和一般人移動(dòng)PC所引起的加速度數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)方法確定一個(gè)閾值。閾值大于火車正常晃動(dòng)加速度;小于人為移動(dòng)加速度。利用閾值編寫判決程序，判斷筆記本是否為異常移動(dòng)而進(jìn)行報(bào)警。

(2) 提出了“隨用隨建”的概念，使網(wǎng)絡(luò)可以隨時(shí)隨地快速組建，大大地拓展了防盜器的應(yīng)用場(chǎng)合;采用事件觸發(fā)模式來(lái)激活節(jié)點(diǎn)，大大降低了節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)的功耗。

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