傳感器在筆記本防盜器中的應用

摘 要:近年來針對筆記本等個人貴重物品被盜時有發生這一現狀，設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個節點構建成最簡單的無線傳感器網絡，傳遞PC移動信息，通知主人迅速做出反應，避免筆記本的丟失。通過硬件電路設計和軟件編程燒寫使整個網絡得以驅動，并通過實驗測驗達到了預期的報警效果。解決了一般防盜器價格昂貴，系統復雜，體積較大，時延較長的缺點。關鍵詞:無線傳感器網絡; 加速度傳感器; 防盜器

中圖分類號:TN911-34; TP393 文獻標識碼:A

文章編號: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

隨著社會經濟的不斷發展，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。如今應用廣泛的汽車防盜技術已很成熟，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SimpliciTI通信協議[1]的節點(帶有加速度傳感器)進行點對點通信，完成防盜功能。

1 總體方案

系統設計方案非常簡單。一般來講火車車廂全長26.6 m，而無線傳感器網絡[2-3](wireless sensor networks，WSN)的通信距離在幾十米到幾百米之間，一般為30 m，因此一個節點就可以完全覆蓋整個車廂。在系統中只有2個節點(不需PC協助):節點1作為發信者，節點2作為收信者，組成最簡單的網絡，不需跳轉。系統的結構簡單，使得傳輸時延非常小，比較適合應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:1區是PC所在位置，即主人的座位，人未離開時，1區是安全的;2區是車廂內除去1區的其余位置。當主人因事進入2區時，1區將成為盲區，PC也將變得不安全。方案實施步驟如框圖1所示。

圖1 系統方案實施步驟

實施步驟:

(1) 小偷B企圖移動電腦;

(2) 電腦的移動導致固定在上面的節點1移動;

(3) 節點1上的加速度傳感器獲取速度信息，節點1上的RF芯片將速度信息發送出去;

(4) 節點2接收到信息，通過預定程序判斷速度PC是否屬于異常移動，若是則觸發蜂鳴器進行報警，反之則不響應;

(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

嚴格地講，系統只有2個節點:節點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送出去;節點2(移動)是一個帶有蜂鳴器的無線傳感模塊[4]，用于判斷節點1發送的速度信息是否超過既定閾值，以決定是否觸發蜂鳴器進行報警。

理想情況下火車在勻速行駛時加速度為零，但在轉彎、換軌等情況下將會有一定的三維加速度。設火車前進方向為x軸、前進方向的左側為y軸、上側為z軸。考慮到車體較長，鐵軌較平等特點，且根據經驗知，在正常轉彎、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x軸加速度為ax，y軸加速度為ay，z軸加速度為az，則ax，ay均大于零，而az接近于零。當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造成額外的計算負擔。據此可以選用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，系統設定一定的緩沖值，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，即為系統的判決閾值。

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

表1 移動PC所用時間表

序號12345

位移/cm1010101010

時間/s0.250.240.230.220.22

序號678910

位移/cm1010101010

時間/s0.230.200.280.300.28

利用表中的數據可計算平均用時(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):

s=v0t+12at2(1)

式中:s，v0，a均為z軸上的向量。根據前文分析，s=10 cm;v0=0 m/s;t=0.245 s。據式(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

系統只有2個節點，因此網絡構建具有簡單、迅速等特點，而且文章首次提出“隨用隨建”的概念。

2.1 節點設計

系統采用Chipcon公司推出的單片、多頻段、低功耗、超高頻射頻芯片CC1010[5]。芯片采用0.35 μm CMOS技術制成，內嵌高性能的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收發電路的設計

RF收發部分[6]的電路如圖2所示。

圖2 RF收發部分的電路

圖中，C31為輸入匹配電容，L32為輸入匹配電感，同時L32還用于阻止直流偏置信號的輸入;C41、C42和L41共同實現發射輸出電路的匹配。通過CC1010內部的發射/接收開關電路，使得收發器通過同一個50 Ω的天線進行發射/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。元器件參數既可以按照CC1010datasheet[2]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計

本無線采集系統采用了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[7]。該微型電容式加速傳感器融合了信號調理、單極低通濾波器和溫度補償技術，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，故設置參數將測量范圍定為±1.5 g。

在CC1010與MMA7260的接口中，首先要考慮噪聲問題。因為MMA7260內部采用了開關電容濾波器，有時鐘噪聲產生，所以需要在MMA7260的XOUT，YOUT和ZOUT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，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。R31/C31，R41/C41，R51/C51用于濾除MMA7260內部采樣的開關噪聲，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 裝置構建

定義節點1啟動模式為事件觸發模式，即節點經常處于低功耗的休眠模式，當節點在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，便通知單片機激活節點為發送模式;當節點靜止，即加速度傳感器采集到加速度為0時，節點自動進入休眠模式，以減少功耗，并在主人離開座位前，將節點1固定于PC上。

據調查，主人在火車上離開電腦的時間不會太久，故系統將節點2(LED燈上并接蜂鳴片)設置為接收模式，板內燒有一個判決程序: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節點2，只要筆記本一有異常移動便會報警。由于節點數只有2個，系統可以快速建立通信;而且節點尺寸為37.67 mm×25.80 mm，適合車廂內狹小的空間應用。

通過隨時隨地修改C語言源代碼和變換傳感器模塊[8](通過擴展插槽)，還可以組建其他功能無線通信網:可以用1號板監視溫度傳感器變化，用2號板遠程監視溫度變化;可以增加無線節點板建設更復雜的多節點無線傳感器網絡(SimpliciTI單個網絡最多可以支持255個節點)。綜上所述，可以定義“隨用隨建”為:通過幾個簡單的無線節點板和基本配置的PC，隨時隨地快速組建一個基于SimpliciTI通信協議的WSN，實現信息的采集、處理、傳輸功能。它最大能容納256個節點(包括網關)，且可以隨時修改源代碼實現多種功能。這樣既方便又最大程度地節省了成本和功耗。完成任務后，節點自動轉入休眠模式，收回節點，按鍵關閉節點電源。

3測試結果及分析

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。為了節能，開啟節點電源后其處于休眠模式。經過大量的實驗室測試，節點從休眠到工作激活的時延為15 ms，設備搜索時延一般為30 ms，活動設備信道接入時延為15 ms，理想時延共60 ms[9]，但考慮到車廂內電磁環境復雜，影響傳播因素較多，把時延定為0.1 s。

(2) 功耗。以433 MHz頻率為標準，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0.2 μA;節能模式下為29.4 μA[10]。整個系統的大部分時間處于休眠節能模式，如果PC有人為移動，就通過事件觸發機制再次喚醒該節點的單片機。系統一旦進人節能模式，通過電源管理電路，將除單片機、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、單片機的串口中斷邏輯和射頻模塊消耗電能，可以最大限度地節約電能。

(3) 誤報率。誤報率是系統最復雜、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 語

無線傳感器網絡被認為是21世紀最重要的技術之一[11]。在此，基于WSN，著眼解決筆記本等貴重物品的防盜問題，設計出微功耗筆記本防盜器。文章創新點在于:

(1) 通過分析大量的火車晃動所引起的x，y，z軸加速度數據和一般人移動PC所引起的加速度數據，利用統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行報警。

(2) 提出了“隨用隨建”的概念，使網絡可以隨時隨地快速組建，大大地拓展了防盜器的應用場合;采用事件觸發模式來激活節點，大大降低了節點和系統的功耗。

參考文獻

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[2]王殊，閻毓杰，胡富平，等.無線傳感器網絡的理論及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2007.

[3]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社，2005.

[4]吳線.DIY ZigBee 無線傳感器網絡[J].無線電，2009(10):12-16.

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[7]Freescale.MMA7660FC ZSTAR3無線傳感器設計方案[EB/OL].[2009-12-18].http://www.laogu.com.

[8]吳線.DIY微功耗基礎無線網絡[J].無線電，2009(9):5-9.

[9]高惠燕.Zigbee無線傳感器網絡在安全監測系統的應用[J].計算機測量與控制，2008，16(6):766-768.

[10]陸楠，郭勇.基于Zigbee技術的無線大棚溫濕監控系統[J].現代電子技術，2008，31(15):98-100.

[11]宋文，王兵，周應賓，等.無線傳感器網絡技術與應用[M].北京:電子工業出版社，2007.