引言

　　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(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（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，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：

　　（1）小偷B企圖移動電腦；

　?。?）電腦的移動導致固定在上面的節(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；

　?。?）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(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)造成額外的計算負擔。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0.35μmCMOS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/接收開關電路，使得收發(fā)器通過同一個50Ω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50Ω。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.考慮到前文將閾值定為0.2 g ，故設置參數(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號板遠程監(jiān)視溫度變化；可以增加無線節(jié)點板建設更復雜的多節(jié)點無線傳感器網(wǎng)絡（Simplici TI單個網(wǎng)絡最多可以支持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） ，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。完成任務后，節(jié)點自動轉(zhuǎn)入休眠模式，收回節(jié)點，按鍵關閉節(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 ，但考慮到車廂內(nèi)電磁環(huán)境復雜，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0.2μA ;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)絡被認為是21世紀最重要的技術(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。

　?。?）提出了“隨用隨建”的概念，使網(wǎng)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(fā)模式來激活節(jié)點，大大降低了節(jié)點和系統(tǒng)的功耗。