摘 要:近年来针对笔记本等个人贵重物品被盗时有发生这一现状,设计出一种基于加速度传感器的低功耗无线防盗器。提出仅通过2 个节点构建成最简单的无线传感器网络,传递PC 移动信息,通知主人迅速做出反应,避免笔记本的丢失。通过硬件电路设计和软件编程烧写使整个网络得以驱动,并通过实验测验达到了预期的报警效果。解决了一般防盗器价格昂贵,系统复杂,体积较大,时延较长的缺点。
0 引 言
随着社会经济的不断发展,笔记本日益普及,随之带来的PC 安全防盗问题也日渐显著。在有些场合随身携带笔记本很不方便,例如在乘火车旅行中,当主人去洗手间,此时如何防止、杜绝小偷盗走笔记本是个亟待解决的问题。如今应用广泛的汽车防盗技术已很成熟,但相对成本较高,且无需考虑电源问题,而PC 防盗就必须解决这些问题;还要体积小,能随时安装在PC上。在此,提出仅使用2 个基于Simplici ti 通信协议的节点(带有加速度传感器) 进行点对点通信,完成防盗功能。
1 总体方案
系统设计方案非常简单。一般来讲火车车厢全长26. 6 m ,而无线传感器网络(wireless sensor net2works ,WSN) 的通信距离在几十米到几百米之间,一般为30 m ,因此一个节点就可以完全覆盖整个车厢。在系统中只有2 个节点(不需PC 协助) :节点1 作为发信者,节点2 作为收信者,组成最简单的网络,不需跳转。系统的结构简单,使得传输时延非常小,比较适合应用在上文中提到的场合。
1. 1 方案实施
将火车车厢分为2 个区:1 区是PC 所在位置,即主人的座位,人未离开时,1 区是安全的;2 区是车厢内除去1 区的其余位置。当主人因事进入2 区时,1 区将成为盲区, PC 也将变得不安全。方案实施步骤如框图1所示。
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实施步骤:
(1) 小偷B 企图移动电脑;
(2) 电脑的移动导致固定在上面的节点1 移动;
(3) 节点1 上的加速度传感器获取速度信息,节点1 上的RF 芯片将速度信息发送出去;
(4) 节点2 接收到信息,通过预定程序判断速度PC 是否属于异常移动,若是则触发蜂鸣器进行报警,反之则不响应;
(5) 主人A 听到报警后迅速回到座位,避免PC丢失。
1. 2 防盗器原理
严格地讲, 系统只有2 个节点: 节点1 (固定) 是一个带有加速度传感器的无线传感模块,用于采集、处理速度信息,然后射频芯片将信息发送出去;节点2 (移动) 是一个带有蜂鸣器的无线传感模块,用于判断节点1 发送的速度信息是否超过既定阈值,以决定是否触发蜂鸣器进行报警。
理想情况下火车在匀速行驶时加速度为零,但在转弯、换轨等情况下将会有一定的三维加速度。设火车前进方向为x 轴、前进方向的左侧为y 轴、上侧为z 轴。考虑到车体较长,铁轨较平等特点,且根据经验知,在正常转弯、换轨等情况下,车体主要为左右晃动和前后加速,上下震动很少。若设x 轴加速度为a x , y 轴加速度为a y ,z 轴加速度为a z ,则ax , ay 均大于零,而az 接近于零。当PC 相对于火车静止时, 小偷若想移动它势必会在3 轴上都引起加速度,这样车体晃动引起的加速度会和人为移动引起的加速度叠加,从而干扰判断给系统造成额外的计算负担。据此可以选用az 作为判断笔记本是否移动的判决对象, 因为一般情况下可以认为az 即为人为移动引起的加速度。
虽然车体震动引起的az 可以近似为零, 但在一些特殊情况下可能不为零。为了降低误报率, 系统设定一定的缓冲值,使得防盗器能包容一些车体震动。但是为了能识别人为移动,这个缓冲值又不能超过人为移动引起的加速度,即为系统的判决阈值。
现在通过简单实验获取数据来计算人为移动引起的az : 随意从桌上拿起笔记本,重复10 次,记录短距离10 cm) 所用时间。得到10 组数据如表1 所示。
利用表中的数据可计算平均用时(单位: s) 为: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 均为z 轴上的向量。根据前文分析, s =10 cm; v0 = 0 m/ s ; t = 0. 245 s。据式(1) 可计算出a ≈3. 332 m/ s2 , 约为0. 340 g ,即为az 。为了降低误报率和最大程度识别人为移动PC ,把阈值折衷定为0. 20 g。
2 硬件实现
系统只有2 个节点,因此网络构建具有简单、迅速等特点,而且文章首次提出“随用随建”的概念。
2. 1 节点设计
系统采用Chipcon 公司推出的单片、多频段、低功耗、超高频射频芯片CC1010。芯片采用0. 35 μmCMOS 技术制成,内嵌高性能的8051 微控制器、33 通道10 位ADC、4 个定时器、2 个PWM、2 个UART、SPI及26 个通用I/ O 等。
2. 1. 1 CC1010 与天线间的RF 收发电路的设计
RF 收发部分的电路如图2 所示。
图2 RF 收发部分的电路
图中, C31 为输入匹配电容, L32 为输入匹配电感,同时L32 还用于阻止直流偏置信号的输入; C41 、C42 和L41 共同实现发射输出电路的匹配。通过CC1010 内部的发射/ 接收开关电路,使得收发器通过同一个50 Ω 的天线进行发射/ 接收操作。L1 , C8 和C9 组成一个低通滤波器,用以滤除高频谐波,并且增加了频率的选择性,其阻抗为50 Ω。元器件参数既可以按照CC1010datasheet 上所给的值,也可利用Chipcon 公司的SmartRF Studio 软件得到。
2. 1. 2 CC1010 与加速度传感器的接口电路设计
本无线采集系统采用了Freescale 公司最新推出的一款低成本、单芯片、三轴加速度传感器MMA7260。该微型电容式加速传感器融合了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术,提供了4 种加速度测量范围,分别为±1. 5 g , ±2 g , ±4 g 和±6 g。考虑到前文将阈值定为0. 2 g ,故设置参数将测量范围定为±1. 5 g。在CC1010 与MMA7260 的接口中,首先要考虑噪声问题。因为MMA7260 内部采用了开关电容滤波器, 有时钟噪声产生, 所以需要在MMA7260 的XOU T ,YOU T 和ZOU T 三个输出端分别接RC 滤波器;其次要考虑电压匹配问题,由于x , y , z 轴方向的电压输出是0. 45～2. 85 V ,CC1010 的ADC 最大输入范围是0～V DD 。此处,V DD = 3. 3 V ,其范围恰好在ADC的输入范围之内, 所以不用考虑额外的分压电阻。CC1010 和MMA7260 的接口电路如图3 所示。R31 / C31 , R41 / C41 , R51 / C51 用于滤除MMA7260 内部采样的开关噪声,GS1 ,GS2 用于量程选择。
图3 CC1010 与加速度传感器的接口电路
2. 2 装置构建
定义节点1 启动模式为事件触发模式,即节点经常处于低功耗的休眠模式,当节点在z 轴向上有一定的移动时,加速度传感器能采集到加速度信息,便通知单片机激活节点为发送模式;当节点静止,即加速度传感器采集到加速度为0 时,节点自动进入休眠模式,以减少功耗,并在主人离开座位前,将节点1 固定于PC 上。
据调查,主人在火车上离开电脑的时间不会太久,故系统将节点2 (LED 灯上并接蜂鸣片) 设置为接收模式,板内烧有一个判决程序:通过对火车晃动引起加速度的收集及综合分析,设定确定的阈值,阈值大于火车晃动引起的加速度小于异常移动引起的加速度。随身携带节点2 ,只要笔记本一有异常移动便会报警。由于节点数只有2 个,系统可以快速建立通信;而且节点尺寸为37. 67 mm ×25. 80 mm ,适合车厢内狭小的空间应用。
通过随时随地修改C 语言源代码和变换传感器模块(通过扩展插槽) ,还可以组建其他功能无线通信网:可以用1 号板监视温度传感器变化,用2 号板远程监视温度变化;可以增加无线节点板建设更复杂的多节点无线传感器网络(Simplici TI 单个网络最多可以支持255 个节点) 。综上所述,可以定义“随用随建”为:通过几个简单的无线节点板和基本配置的PC ,随时随地快速组建一个基于Simplici TI 通信协议的WSN ,实现信息的采集、处理、传输功能。它最大能容纳256 个节点(包括网关) ,且可以随时修改源代码实现多种功能。这样既方便又最大程度地节省了成本和功耗。完成任务后,节点自动转入休眠模式,收回节点,按键关闭节点电源。
3 测试结果及分析
通过测试从时延、功耗和误报率等几方面*价防盗器的性能。
(1) 时延。为了节能,开启节点电源后其处于休眠模式。经过大量的实验室测试,节点从休眠到工作激活的时延为15 ms ,设备搜索时延一般为30 ms ,活动设备信道接入时延为15 ms ,理想时延共60 ms ,但考虑到车厢内电磁环境复杂,影响传播因素较多,把时延定为0. 1 s。
(2) 功耗。以433 MHz 频率为标准,在正常工作模式下,所有引脚都工作的电流消耗为14. 8 mA ;睡眠模式下为0. 2μA ;节能模式下为29. 4μA。整个系统的大部分时间处于休眠节能模式,如果PC 有人为移动,就通过事件触发机制再次唤醒该节点的单片机。系统一旦进人节能模式,通过电源管理电路,将除单片机、射频模块和硬件看门狗以外器件的供电切断,这时只有硬件看门狗、单片机的串口中断逻辑和射频模块消耗电能,可以最大限度地节约电能。
(3) 误报率。误报率是系统最复杂、最难解决的问题。在此,提出利用判决程序、计算阈值,通过判断是否超过阈值来决定是否报警,在大大降低了误报率的同时,尽可能地避免漏报。
4 结 语
无线传感器网络被认为是21 世纪最重要的技术之一。在此,基于WSN ,着眼解决笔记本等贵重物品的防盗问题,设计出微功耗笔记本防盗器。文章创新点在于:
(1) 通过分析大量的火车晃动所引起的x , y , z 轴加速度数据和一般人移动PC 所引起的加速度数据,利用统计方法确定一个阈值。阈值大于火车正常晃动加速度;小于人为移动加速度。利用阈值编写判决程序,判断笔记本是否为异常移动而进行报警。
(2) 提出了“随用随建”的概念,使网络可以随时随地快速组建,大大地拓展了防盗器的应用场合;采用事件触发模式来激活节点, 大大降低了节点和系统的功耗。
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