摘要

    近年來針對筆記本等個人貴重物品被盜時有發(fā)生這一現(xiàn)狀，設(shè)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(jié)點(diǎn)構(gòu)建成最簡單的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳遞PC 移動信息，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)計和軟件編程燒寫使整個網(wǎng)絡(luò)得以驅(qū)動，并通過實驗測驗達(dá)到了預(yù)期的報警效果。解決了一般防盜器價格昂貴，系統(tǒng)復(fù)雜，體積較大，時延較長的缺點(diǎn)。

　　隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)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(dāng)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(yīng)用廣泛的汽車防盜技術(shù)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(xié)議的節(jié)點(diǎn)（帶有加速度傳感器） 進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信，完成防盜功能。

　　1 總體方案

　　系統(tǒng)設(shè)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(wǎng)絡(luò)（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(jié)點(diǎn)就可以完全覆蓋整個車廂。在系統(tǒng)中只有2 個節(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，組成最簡單的網(wǎng)絡(luò)，不需跳轉(zhuǎn)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，使得傳輸時延非常小，比較適合應(yīng)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(qū)：1 區(qū)是PC 所在位置，即主人的座位，人未離開時，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，1 區(qū)將成為盲區(qū)， 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(dǎo)致固定在上面的節(jié)點(diǎn)1 移動；

　　（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，若是則觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報警，反之則不響應(yīng)；

　　（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(yán)格地講， 系統(tǒng)只有2 個節(jié)點(diǎn)： 節(jié)點(diǎn)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(fā)送出去；節(jié)點(diǎn)2 （移動） 是一個帶有蜂鳴器的無線傳感模塊，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)行報警。

　　理想情況下火車在勻速行駛時加速度為零，但在轉(zhuǎn)彎、換軌等情況下將會有一定的三維加速度。設(shè)火車前進(jìn)方向為x 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，鐵軌較平等特點(diǎn)，且根據(jù)經(jīng)驗知，在正常轉(zhuǎn)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(shè)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(dāng)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(tǒng)造成額外的計算負(fù)擔(dān)。據(jù)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(rèn)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(tǒng)設(shè)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(tǒng)的判決閾值。

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

　　利用表中的數(shù)據(jù)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(jù)前文分析， s =10 cm； v0 = 0 m/s ； t = 0.245 s。據(jù)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(xiàn)

　　系統(tǒng)只有2 個節(jié)點(diǎn)，因此網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建具有簡單、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

　　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。芯片采用0.35 μmCMOS 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(fā)電路的設(shè)計

　　RF 收發(fā)部分的電路如圖2 所示。

　　圖2 RF 收發(fā)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(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50 Ω 的天線進(jìn)行發(fā)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(shù)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(shè)計

　　本無線采集系統(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。該微型電容式加速傳感器融合了信號調(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(nèi)部采用了開關(guān)電容濾波器， 有時鐘噪聲產(chǎn)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(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。R31 /C31 ， R41 /C41 ， R51 /C51 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時，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，節(jié)點(diǎn)自動進(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間不會太久，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(shè)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(jié)點(diǎn)2 ，只要筆記本一有異常移動便會報警。由于節(jié)點(diǎn)數(shù)只有2 個，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。

　　通過隨時隨地修改C 語言源代碼和變換傳感器模塊（通過擴(kuò)展插槽） ，還可以組建其他功能無線通信網(wǎng)：可以用1 號板監(jiān)視溫度傳感器變化，用2 號板遠(yuǎn)程監(jiān)視溫度變化；可以增加無線節(jié)點(diǎn)板建設(shè)更復(fù)雜的多節(jié)點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Simplici TI 單個網(wǎng)絡(luò)最多可以支持255 個節(jié)點(diǎn)） 。綜上所述，可以定義“隨用隨建”為：通過幾個簡單的無線節(jié)點(diǎn)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(xié)議的WSN ，實現(xiàn)信息的采集、處理、傳輸功能。它最大能容納256 個節(jié)點(diǎn)（包括網(wǎng)關(guān)） ，且可以隨時修改源代碼實現(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 測試結(jié)果及分析

　　通過測試從時延、功耗和誤報率等幾方面價防盜器的性能。

　　（1）時延。為了節(jié)能，開啟節(jié)點(diǎn)電源后其處于休眠模式。經(jīng)過大量的實驗室測試，節(jié)點(diǎn)從休眠到工作激活的時延為15 ms ，設(shè)備搜索時延一般為30 ms ，活動設(shè)備信道接入時延為15 ms ，理想時延共60 ms ，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0.2μA ；節(jié)能模式下為29.4μA。整個系統(tǒng)的大部分時間處于休眠節(jié)能模式，如果PC 有人為移動，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）誤報率。誤報率是系統(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(jié)語

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是21 世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。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所引起的x ， y ， z 軸加速度數(shù)據(jù)和一般人移動PC 所引起的加速度數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)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(jìn)行報警。

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