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)。
0 引 言
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評價防盜器的性能。
(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。
