传感器在笔记本防盗器中的应用

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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。关键词:无线传感器网络; 加速度传感器; 防盗器

中图分类号:TN911-34; TP393 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)16-0175-03

Application of Sensors in Anti-theft Device for Notebook Computers

YU Yong-hui, ZOU Tao, DING Ying

(Engineering College of Armed Police Force, Xi’an 710086, China)

Abstract: A low-power wireless anti-theft device based on acceleration sensors is designed to prevent the notebook computers and other personal valuables from being stolen from time to time.Themoving message of PC is transmitted by the most simple wireless sensor networks which are built just with two nodes to notify the owner to respond quickly to avoid the loss of laptops. The whole network is driven through the hardware circuit designand software programming. The experimental testing shows that it can satisfy the alarm expected result. The shortcomings of high price, complex structure, large volume and long time delay of general anti-theft devices were overcome. The innovation point is the concept of "use with building".

Keywords: wireless sensor network; acceleration sensor; anti-theft device

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SimpliciTI通信协议[1]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[2-3](wireless sensor networks,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。

图1 系统方案实施步骤

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┮桓霆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[4],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ax,y轴加速度为ay,z轴加速度为az,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。

表1 移动PC所用时间表

序号12345

位移/cm1010101010

时间/s0.250.240.230.220.22

序号678910

位移/cm1010101010

时间/s0.230.200.280.300.28

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):

s=v0t+12at2(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[5]。芯片采用0.35 μm CMOS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[6]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L41Ч餐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[2]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[7]。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XOUT,YOUT和ZOUT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～VDD。此处,VDD=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/C51в糜诼顺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┙诘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[8](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(SimpliciTI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SimpliciTI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评价防盗器的性能。

(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[9],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0.2 μA;节能模式下为29.4 μA[10]。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[11]。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。

参考文献

[1]Texas Instruments. SimpliciTL low-power RF protocol[M].Dallas:Texas Instruments, 2008.

[2]王殊,阎毓杰,胡富平,等.无线传感器网络的理论及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[3]孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[4]吴线.DIY ZigBee 无线传感器网络[J].无线电,2009(10):12-16.

[5]夏芸.CC1010芯片在无线传感器网络节点设计中的应用[J].电子工程师,2005(5):66-68.

[6]LUDWIG R, BRETCHKO P.射频电路设计:理论与应用[M].王子宇,译.北京:电子工业出版社,2002.

[7]Freescale.MMA7660FC ZSTAR3无线传感器设计方案[EB/OL].[2009-12-18]..

[8]吴线.DIY微功耗基础无线网络[J].无线电,2009(9):5-9.

[9]高惠燕.Zigbee无线传感器网络在安全监测系统的应用[J].计算机测量与控制,2008,16(6):766-768.

[10]陆楠,郭勇.基于Zigbee技术的无线大棚温湿监控系统[J].现代电子技术,2008,31(15):98-100.

[11]宋文,王兵,周应宾,等.无线传感器网络技术与应用[M].北京:电子工业出版社,2007.