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(guò)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(guò)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(guò)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)。
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(wèn)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(wèn)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(wèn)題,而PC 防盜就必須解決這些問(wèn)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(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)(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(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。
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(guò)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,用于判斷節(jié)點(diǎn)1 發(fā)送的速度信息是否超過(guò)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)閤 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(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(guò)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(guò)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。
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) :
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。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(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(shí)L32 還用于阻止直流偏置信號(hào)的輸入; C41 、C42 和L41 共同實(shí)現(xiàn)發(fā)射輸出電路的匹配。通過(guò)CC1010 內(nèi)部的發(fā)射/ 接收開關(guān)電路,使得收發(fā)器通過(guò)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 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。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(wèn)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XOU T ,YOU T 和ZOU T 三個(gè)輸出端分別接RC 濾波器;其次要考慮電壓匹配問(wèn)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(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(guò)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(guò)隨時(shí)隨地修改C 語(yǔ)言源代碼和變換傳感器模塊(通過(guò)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)(Simplici TI 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(guò)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Simplici TI 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(guò)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(guò)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 ,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. 2μA ;節(jié)能模式下為29. 4μA。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(guò)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(guò)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(wèn)題。在此,提出利用判決程序、計(jì)算閾值,通過(guò)判斷是否超過(guò)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。在此,基于WSN ,著眼解決筆記本等貴重物品的防盜問(wèn)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(guò)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。
