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　　摘　要:近年來針對筆記本等個人貴重物品被盜時有發生這一現狀,設計出一種基于加速度傳感器的低功耗無線防盜器。提出僅通過2 個節點構建成最簡單的無線傳感器網絡,傳遞PC 移動信息,通知主人迅速做出反應,避免筆記本的丟失。通過硬件電路設計和軟件編程燒寫使整個網絡得以驅動,并通過實驗測驗達到了預期的報警效果。解決了一般防盜器價格昂貴,系統復雜,體積較大,時延較長的缺點。

　　0 　引　言

　　隨著社會經濟的不斷發展,筆記本日益普及,隨之帶來的PC 安全防盜問題也日漸顯著。在有些場合隨身攜帶筆記本很不方便,例如在乘火車旅行中,當主人去洗手間,此時如何防止、杜絕小偷盜走筆記本是個亟待解決的問題。如今應用廣泛的汽車防盜技術已很成熟,但相對成本較高,且無需考慮電源問題,而PC 防盜就必須解決這些問題;還要體積小,能隨時安裝在PC上。在此,提出僅使用2 個基于Simplici TI 通信協議的節點(帶有加速度傳感器) 進行點對點通信,完成防盜功能。

　　1 　總體方案

　　系統設計方案非常簡單。一般來講火車車廂全長26. 6 m ,而無線傳感器網絡(wireless sensor net2works ,WSN) 的通信距離在幾十米到幾百米之間,一般為30 m ,因此一個節點就可以完全覆蓋整個車廂。在系統中只有2 個節點(不需PC 協助) :節點1 作為發信者,節點2 作為收信者,組成最簡單的網絡,不需跳轉。系統的結構簡單,使得傳輸時延非常小,比較適合應用在上文中提到的場合。

　　1. 1 　方案實施

　　將火車車廂分為2 個區:1 區是PC 所在位置,即主人的座位,人未離開時,1 區是安全的;2 區是車廂內除去1 區的其余位置。當主人因事進入2 區時,1 區將成為盲區, PC 也將變得不安全。方案實施步驟如框圖1所示。

　　實施步驟:

　　(1) 小偷B 企圖移動電腦;

　　(2) 電腦的移動導致固定在上面的節點1 移動;

　　(3) 節點1 上的加速度傳感器獲取速度信息,節點1 上的RF 芯片將速度信息發送出去;

　　(4) 節點2 接收到信息,通過預定程序判斷速度PC 是否屬于異常移動,若是則觸發蜂鳴器進行報警,反之則不響應;

　　(5) 主人A 聽到報警后迅速回到座位,避免PC丟失。

　　1. 2 　防盜器原理

　　嚴格地講, 系統只有2 個節點: 節點1 (固定) 是一個帶有加速度傳感器的無線傳感模塊,用于采集、處理速度信息,然后射頻芯片將信息發送出去;節點2 (移動) 是一個帶有蜂鳴器的無線傳感模塊,用于判斷節點1 發送的速度信息是否超過既定閾值,以決定是否觸發蜂鳴器進行報警。

　　理想情況下火車在勻速行駛時加速度為零,但在轉彎、換軌等情況下將會有一定的三維加速度。設火車前進方向為x 軸、前進方向的左側為y 軸、上側為z 軸。考慮到車體較長,鐵軌較平等特點,且根據經驗知,在正常轉彎、換軌等情況下,車體主要為左右晃動和前后加速,上下震動很少。若設x 軸加速度為a x , y 軸加速度為a y ,z 軸加速度為a z ,則ax , ay 均大于零,而az 接近于零。當PC 相對于火車靜止時, 小偷若想移動它勢必會在3 軸上都引起加速度,這樣車體晃動引起的加速度會和人為移動引起的加速度疊加,從而干擾判斷給系統造成額外的計算負擔。據此可以選用az 作為判斷筆記本是否移動的判決對象, 因為一般情況下可以認為az 即為人為移動引起的加速度。

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

　　現在通過簡單實驗獲取數據來計算人為移動引起的az : 隨意從桌上拿起筆記本,重復10 次,記錄短距離10 cm) 所用時間。得到10 組數據如表1 所示。

　　利用表中的數據可計算平均用時(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) :

　　式中: s , v0 , a 均為z 軸上的向量。根據前文分析, s =10 cm; v0 = 0 m/ s ; t = 0. 245 s。據式(1) 可計算出a ≈3. 332 m/ s2 , 約為0. 340 g ,即為az 。為了降低誤報率和最大程度識別人為移動PC ,把閾值折衷定為0. 20 g。

　　2 　硬件實現

　　系統只有2 個節點,因此網絡構建具有簡單、迅速等特點,而且文章首次提出“隨用隨建”的概念。

　　2. 1 　節點設計

　　系統采用Chipcon 公司推出的單片、多頻段、低功耗、超高頻射頻芯片CC1010。芯片采用0. 35 μmCMOS 技術制成,內嵌高性能的8051 微控制器、33 通道10 位ADC、4 個定時器、2 個PWM、2 個UART、SPI及26 個通用I/ O 等。

　　2. 1. 1 　CC1010 與天線間的RF 收發電路的設計

　　RF 收發部分的電路如圖2 所示。

圖2 　RF 收發部分的電路

　　圖中, C31 為輸入匹配電容, L32 為輸入匹配電感,同時L32 還用于阻止直流偏置信號的輸入; C41 、C42 和L41 共同實現發射輸出電路的匹配。通過CC1010 內部的發射/ 接收開關電路,使得收發器通過同一個50 Ω 的天線進行發射/ 接收操作。L1 , C8 和C9 組成一個低通濾波器,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。元器件參數既可以按照CC1010datasheet 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計

　　本無線采集系統采用了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。該微型電容式加速傳感器融合了信號調理、單極低通濾波器和溫度補償技術,提供了4 種加速度測量范圍,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 ,故設置參數將測量范圍定為±1. 5 g。在CC1010 與MMA7260 的接口中,首先要考慮噪聲問題。因為MMA7260 內部采用了開關電容濾波器, 有時鐘噪聲產生, 所以需要在MMA7260 的XOU T ,YOU T 和ZOU T 三個輸出端分別接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, 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。R31 / C31 , R41 / C41 , R51 / C51 用于濾除MMA7260 內部采樣的開關噪聲,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 　裝置構建

　　定義節點1 啟動模式為事件觸發模式,即節點經常處于低功耗的休眠模式,當節點在z 軸向上有一定的移動時,加速度傳感器能采集到加速度信息,便通知單片機激活節點為發送模式;當節點靜止,即加速度傳感器采集到加速度為0 時,節點自動進入休眠模式,以減少功耗,并在主人離開座位前,將節點1 固定于PC 上。

　　據調查,主人在火車上離開電腦的時間不會太久,故系統將節點2 (LED 燈上并接蜂鳴片) 設置為接收模式,板內燒有一個判決程序:通過對火車晃動引起加速度的收集及綜合分析,設定確定的閾值,閾值大于火車晃動引起的加速度小于異常移動引起的加速度。隨身攜帶節點2 ,只要筆記本一有異常移動便會報警。由于節點數只有2 個,系統可以快速建立通信;而且節點尺寸為37. 67 mm ×25. 80 mm ,適合車廂內狹小的空間應用。

　　通過隨時隨地修改C 語言源代碼和變換傳感器模塊(通過擴展插槽) ,還可以組建其他功能無線通信網:可以用1 號板監視溫度傳感器變化,用2 號板遠程監視溫度變化;可以增加無線節點板建設更復雜的多節點無線傳感器網絡(Simplici TI 單個網絡最多可以支持255 個節點) 。綜上所述,可以定義“隨用隨建”為:通過幾個簡單的無線節點板和基本配置的PC ,隨時隨地快速組建一個基于Simplici TI 通信協議的WSN ,實現信息的采集、處理、傳輸功能。它最大能容納256 個節點(包括網關) ,且可以隨時修改源代碼實現多種功能。這樣既方便又最大程度地節省了成本和功耗。完成任務后,節點自動轉入休眠模式,收回節點,按鍵關閉節點電源。

　　3 　測試結果及分析

　　通過測試從時延、功耗和誤報率等幾方面評價防盜器的性能。

　　(1) 時延。為了節能,開啟節點電源后其處于休眠模式。經過大量的實驗室測試,節點從休眠到工作激活的時延為15 ms ,設備搜索時延一般為30 ms ,活動設備信道接入時延為15 ms ,理想時延共60 ms ,但考慮到車廂內電磁環境復雜,影響傳播因素較多,把時延定為0. 1 s。

　　(2) 功耗。以433 MHz 頻率為標準,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. 2μA ;節能模式下為29. 4μA。整個系統的大部分時間處于休眠節能模式,如果PC 有人為移動,就通過事件觸發機制再次喚醒該節點的單片機。系統一旦進人節能模式,通過電源管理電路,將除單片機、射頻模塊和硬件看門狗以外器件的供電切斷,這時只有硬件看門狗、單片機的串口中斷邏輯和射頻模塊消耗電能,可以最大限度地節約電能。

　　(3) 誤報率。誤報率是系統最復雜、最難解決的問題。在此,提出利用判決程序、計算閾值,通過判斷是否超過閾值來決定是否報警,在大大降低了誤報率的同時,盡可能地避免漏報。

　　4 　結　語

　　無線傳感器網絡被認為是21 世紀最重要的技術之一。在此,基于WSN ,著眼解決筆記本等貴重物品的防盜問題,設計出微功耗筆記本防盜器。文章創新點在于:

　　(1) 通過分析大量的火車晃動所引起的x , y , z 軸加速度數據和一般人移動PC 所引起的加速度數據,利用統計方法確定一個閾值。閾值大于火車正常晃動加速度;小于人為移動加速度。利用閾值編寫判決程序,判斷筆記本是否為異常移動而進行報警。

　　(2) 提出了“隨用隨建”的概念,使網絡可以隨時隨地快速組建,大大地拓展了防盜器的應用場合;采用事件觸發模式來激活節點, 大大降低了節點和系統的功耗。