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。

　　隨著社會經(jīng)濟的不斷發(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（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(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)點就可以完全覆蓋整個車廂。在系統(tǒng)中只有2 個節(jié)點（不需PC 協(xié)助） ：節(jié)點1 作為發(fā)信者，節(jié)點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：

　?。?） 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1 移動;

　?。?） 節(jié)點1 上的加速度傳感器獲取速度信息，節(jié)點1 上的RF 芯片將速度信息發(fā)送出去;

　　（4） 節(jié)點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)蜂鳴器進行報警，反之則不響應(yīng);

　?。?） 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： 節(jié)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(fā)送出去;節(jié)點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)火車前進方向為x 軸、前進方向的左側(cè)為y 軸、上側(cè)為z 軸?？紤]到車體較長，鐵軌較平等特點，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，因此網(wǎng)絡(luò)構(gòu)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(jié)點設(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?？紤]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1 啟動模式為事件觸發(fā)模式，即節(jié)點經(jīng)常處于低功耗的休眠模式，當(dāng)節(jié)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(jié)點為發(fā)送模式;當(dāng)節(jié)點靜止，即加速度傳感器采集到加速度為0 時，節(jié)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(jié)點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2 ，只要筆記本一有異常移動便會報警。由于節(jié)點數(shù)只有2 個，系統(tǒng)可以快速建立通信;而且節(jié)點尺寸為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)點板建設(shè)更復(fù)雜的多節(jié)點無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Simplici TI 單個網(wǎng)絡(luò)最多可以支持255 個節(jié)點） 。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（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)點自動轉(zhuǎn)入休眠模式，收回節(jié)點，按鍵關(guān)閉節(jié)點電源。

　　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價防盜器的性能。

　?。?） 時延。為了節(jié)能，開啟節(jié)點電源后其處于休眠模式。經(jīng)過大量的實驗室測試，節(jié)點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。

　?。?） 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)機制再次喚醒該節(jié)點的單片機。系統(tǒng)一旦進人節(jié)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(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)新點在于：

　?。?） 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?；蝿蛹铀俣?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(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， 大大降低了節(jié)點和系統(tǒng)的功耗。