描述

計(jì)算機(jī)存在檢測(cè)器

基于 Kemet SS-430L 熱釋電傳感器

計(jì)算機(jī)存在檢測(cè)器通過(guò)位于計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)后面的非侵入式設(shè)備解決安全漏洞和溫室氣體排放問(wèn)題。

在計(jì)算機(jī)解鎖時(shí)離開(kāi)您的計(jì)算機(jī)是許多處理機(jī)密信息的組織的重大安全漏洞，您只需在 PC 上按 Windows 徽標(biāo) + L 或在 Mac 上按 Command + Control + Q 即可離開(kāi)。盡管如此簡(jiǎn)單，但經(jīng)常忘記讓任何等待機(jī)會(huì)執(zhí)行他們無(wú)權(quán)執(zhí)行或不想在其登錄下被跟蹤的操作的人訪問(wèn)計(jì)算機(jī)。讓計(jì)算機(jī)無(wú)人看管的第二個(gè)方面是連接設(shè)備（如顯示器、打印機(jī)和揚(yáng)聲器）打開(kāi)數(shù)小時(shí)或數(shù)天會(huì)浪費(fèi)電力，從而對(duì)溫室氣體排放和電力成本產(chǎn)生重大影響。

圖 1 – 計(jì)算機(jī)存在檢測(cè)器原型

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無(wú)需人工干預(yù)，計(jì)算機(jī)存在檢測(cè)器 (CPD) 與鍵盤(pán)和鼠標(biāo)串聯(lián)連接，以持續(xù)監(jiān)控距離鍵盤(pán) 1.5 米范圍內(nèi)是否有人。如果沒(méi)有檢測(cè)到存在，指示燈將閃爍 10 秒鐘，表示如果沒(méi)有檢測(cè)到移動(dòng)，計(jì)算機(jī)將被鎖定。由于該設(shè)備對(duì)人體紅外指紋的選擇性敏感，它甚至可以檢測(cè)到 1.5 米范圍內(nèi)的最輕微的移動(dòng)，例如打字或手寫(xiě)。范圍和非檢測(cè)時(shí)間都可以調(diào)整以適應(yīng)個(gè)別應(yīng)用。在非檢測(cè)時(shí)間過(guò)去后，將向計(jì)算機(jī)發(fā)送命令以鎖定屏幕，要求用戶輸入密碼才能重新訪問(wèn)。當(dāng)用戶長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)離電腦時(shí)，

CPD 設(shè)計(jì)為整齊地放置在鍵盤(pán)后面，并包括一個(gè)前置 USB 端口，可輕松連接記憶棒或其他低功耗 USB 設(shè)備。鼠標(biāo)和鍵盤(pán)線纜可以整齊地包裹在集成線纜管理器中，以減少桌面雜亂。

安裝

設(shè)備背面有 2 個(gè) USB-A 端口，用于連接鍵盤(pán)和鼠標(biāo)。在連接插頭之前，使用電纜管理槽將多余的電纜纏繞在 CPD 下，如圖 2 所示。

將微型 USB 端口連接到 PC，如果前端端口用作手機(jī)充電器，可選 5 伏直流電源。

如果實(shí)施了外圍電源控制，則提供一個(gè) 3.5 毫米立體聲唱機(jī)插孔作為通用輸出來(lái)激活您的受控電源板。該連接提供了一個(gè)常開(kāi)和常閉的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，可以連接到智能家居發(fā)射器或其他低壓控制輸入。

可以通過(guò)擰出傳感器鏡頭并插入所需的范圍鏡頭來(lái)調(diào)整覆蓋范圍。

圖 2

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手術(shù)

當(dāng)您的計(jì)算機(jī)打開(kāi)時(shí)，CPD 將不斷掃描以查看是否在所選范圍內(nèi)檢測(cè)到人。如果未檢測(cè)到人員，則前面的 LED 將閃爍，表示如果未檢測(cè)到移動(dòng)，則計(jì)算機(jī)即將鎖定。

在非檢測(cè)時(shí)間過(guò)去后，CPD 將向計(jì)算機(jī)發(fā)送鎖定命令，防止任何人在未先輸入用戶密碼的情況下使用它。

硬件

CPD 中的電子設(shè)備包括四個(gè)主要部分。

• 凱美特接近傳感器
• 微處理器控制
• USB 4 端口集線器
• 力量

Kemet 接近傳感器

Kemet 接近傳感器是一個(gè)獨(dú)立模塊 ( SS-430L )，它對(duì)人體發(fā)出的紅外 (IR) 波長(zhǎng)具有非常高的靈敏度，并且可以拒絕其他紅外源。除了其選擇性靈敏度外，它還能夠通過(guò)不同的不透明材料進(jìn)行檢測(cè)，使其適用于您不希望傳感器可見(jiàn)的應(yīng)用，并且不受陽(yáng)光等其他紅外源的影響。

使用模擬萬(wàn)用表對(duì)傳感器進(jìn)行初步試驗(yàn)，以顯示檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)的脈沖，并逐漸添加 0.1 毫米厚的透明塑料片，直到達(dá)到所需的范圍。我對(duì)幾種塑料進(jìn)行了試驗(yàn)，包括用于印刷外殼的 PLA，發(fā)現(xiàn)如圖 3 所示的咖啡包盒中的窗口效果最好。將 5 張疊在一起的薄片實(shí)現(xiàn)了 1 米的合適范圍。在成品中，將制作一個(gè)可互換的插件，以便輕松調(diào)整范圍。

圖 3 – 用于測(cè)試縮小范圍的塑料透鏡

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進(jìn)行了額外的測(cè)試以確定來(lái)自傳感器的放大信號(hào)是否適合連接到 ADC，這將允許范圍基于信號(hào)的幅度。繞電路一探，發(fā)現(xiàn)傳感器的模擬信號(hào)輸入到微控制器，然后輸出數(shù)字信號(hào)。圖 4 顯示了探測(cè)到的引腳，雖然它可以連接到 ACD，但在本項(xiàng)目中并未實(shí)現(xiàn)。

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圖 4 - 在轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖之前來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)

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微處理器控制

Kemet SS-430 的數(shù)字輸出連接到PIC18F14K50微處理器的數(shù)字輸入，該微處理器根據(jù)在給定時(shí)間內(nèi)未接收到檢測(cè)脈沖的時(shí)間進(jìn)行所有定時(shí)和控制。選擇該處理器是因?yàn)樗С衷?USB、引腳數(shù)少且具有多個(gè)定時(shí)器。

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圖 5 - 微控制器原理圖

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RC4 上的 LED 輸出驅(qū)動(dòng) WS2812 可編程 LED 用于狀態(tài)指示，如圖 7 所示，繼電器輸出由 RC5 驅(qū)動(dòng)，如圖 6 所示。

由于切換主供電設(shè)備可能需要特殊的安全認(rèn)證，因此使用了干式繼電器觸點(diǎn)，該觸點(diǎn)可以連接到無(wú)線電源控制器，例如Sonoff或適當(dāng)額定值的硬接線繼電器。

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圖 6 - 輸出控制示意圖

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圖 7 - 狀態(tài) LED 示意圖

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引腳 18 和 19 上的 USB 輸出發(fā)送和接收 HID 命令，允許模擬鍵盤(pán)敲擊以向計(jì)算機(jī)發(fā)送鎖定命令并感應(yīng)鍵盤(pán)何時(shí)被按下以解鎖。這些引腳作為差分對(duì)路由到 USB 集線器。

USB 5 端口集線器

CPD 與外部世界的連接是通過(guò)一個(gè) USB 接口以 4 端口集線器的形式加上單芯片上的 1 個(gè)上行鏈路。端口配置為 2 個(gè)用于背面的鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，1 個(gè)用于正面的 USB 密鑰或低功率手機(jī)充電器，以及一個(gè)內(nèi)部連接到微處理器以模擬鍵盤(pán)按下。然后上行鏈路將所有 4 個(gè)端口連接回計(jì)算機(jī)。該組件的 PCB 布局是設(shè)計(jì)中最具挑戰(zhàn)性的方面，因?yàn)?/font>USB2514 IC 僅采用一個(gè)端子間距為 0.5mm BSC 的占位面積，如果您遵循 USB 2.0 規(guī)范，則具有非常特殊的要求用于 USB 差分對(duì)的路由。每對(duì)需要保持相同的長(zhǎng)度并平行于整個(gè)路線。此外，它們需要具有標(biāo)稱 90Ω 阻抗，這相當(dāng)于 27mil 的走線寬度和差分對(duì)之間的 5mil 間距。與其他軌道的間隙需要為 25mil，并且差分對(duì)下方的連續(xù)接地層。嘗試盡可能接近這些設(shè)計(jì)規(guī)則，并盡可能靠近放置 9 個(gè)去耦電容器、晶體和電阻器，需要使用 0402 封裝 (1005) 電容器和電阻器。從尺寸角度來(lái)看，典型的可伸縮鉛筆直徑為 0.5 毫米，與每個(gè)組件的寬度相同。折斷幾個(gè) 1mm 的長(zhǎng)度，并以 0.5mm 的間距完美放置它們，這就是 1005 的工作方式。

圖 8 - 1005 個(gè)封裝組件和 USB 差分軌道

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除了管理所有 USB 通信外，USB2514還可以控制每個(gè)端口的供電。我使用MIC2005A限流 IC 來(lái)檢測(cè)電流是否超過(guò) 500mA（圖 9 中的 U5、6 和 7）。MIC2005Ai 的EN 引腳由USB2514的高電平有效輸出控制，在OUT 上啟用 5 伏。如果電流超過(guò) 500mA，則低電平有效 FLT 引腳會(huì)觸發(fā) USB2514 上的 OSCx 輸入，這會(huì)將 PRTPWRx 拉低，從而禁用該端口上的電源輸出，直到 USB 故障得到糾正。

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圖 9 - 帶有上行鏈路的 USB 4 端口集線器示意圖

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建造

外殼

外殼設(shè)計(jì)為直接位于計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)后面，傳感器面向操作員，如圖 10 所示。由于傳感器具有非常寬的覆蓋角度和對(duì)人體 IR 能量的高靈敏度，因此準(zhǔn)確放置并不重要。

圖 10 - 傳感器在桌面上的定位

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為了減少桌面雜亂，CPD 在其下方留有空間，以便通過(guò)將鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的多余 USB 電纜纏繞在底座周?chē)鷣?lái)隱藏它們，只留下所需的長(zhǎng)度，如圖 11 所示。面向操作員的是一個(gè)狀態(tài)指示器，用于記憶棒或其他低功耗設(shè)備和傳感器窗口的備用 USB 端口。

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圖 11 - 電纜被包裹在機(jī)箱下方的空間中以隱藏多余的電纜

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印刷電路板

PCB 是兩層板，所有組件都在頂層，大部分接地層在底部。包括電容器、電阻器和電感器在內(nèi)的無(wú)源元件均來(lái)自 Kemet，USB 集線器 IC U4 周?chē)褂昧?1005 (0402) 封裝，電路板的其余部分為 2012 (0805) 封裝。大多數(shù)半導(dǎo)體來(lái)自 Microchip，并已被安排到電源、控制和 USB 區(qū)域，如圖 12 所示。

控制器和 Kemet SS-430L 傳感器的安裝如圖 13 所示。

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圖 12 - 部分加載的 PCB，突出顯示關(guān)鍵部分

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圖 13 - PCB 安裝

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圖 14 - PCB 頂層

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圖 15 - PCB 底層

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軟件

該軟件是用 C 語(yǔ)言為 PIC18F14K50 微控制器編寫(xiě)的，并在兩個(gè)主循環(huán)中運(yùn)行，如圖 16 所示。

圖 16 – 軟件流程圖

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主要代碼由檢測(cè)傳感器脈沖的中斷、以 1 秒間隔計(jì)時(shí)的定時(shí)器和 USB 發(fā)送/接收驅(qū)動(dòng)。

循環(huán) 1通過(guò)中斷不斷檢查運(yùn)動(dòng)，并在每個(gè)滴答時(shí)增加變量 countSeconds 中的時(shí)間計(jì)數(shù)。

如果檢測(cè)到移動(dòng)，則時(shí)間計(jì)數(shù)重置為 0。如果在 PRE_WARN_TIME 中定義的時(shí)間段內(nèi)未檢測(cè)到移動(dòng)，LED 將閃爍以警告掛起的屏幕鎖定并且時(shí)間計(jì)數(shù)設(shè)置為 0。如果沒(méi)有移動(dòng)在 NO_MOTION_TIME 中定義的時(shí)間之前檢測(cè)到鎖屏鍵盤(pán)組合通過(guò) USB 發(fā)送到計(jì)算機(jī)，并且流將被交給循環(huán) 2。

循環(huán) 2再次將變量 countSeconds 設(shè)置為 0，準(zhǔn)備計(jì)數(shù)到 POWER_DOWN_TIME。當(dāng)此時(shí)間過(guò)去時(shí)，驅(qū)動(dòng)外部電源控制設(shè)備的繼電器打開(kāi)。不斷檢查按鍵。定時(shí)器 2 將開(kāi)始對(duì)外圍設(shè)備計(jì)時(shí)，如果沒(méi)有按下任何鍵，并且定時(shí)器 2 已過(guò)，外圍設(shè)備將關(guān)閉。循環(huán)將繼續(xù)等待按鍵，然后外圍設(shè)備上電并將控制返回給循環(huán)1。

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