传感器在笔记本防盗器中的应用

传感器在笔记本防盗器中的应用[日期：2011-04-16]来源：菌子作者：[字体：大中小]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。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26.6m,而无线传感器网络(wirelesssensornet2works,WSN)的通信距离在几十米到几百米之间,一般为30m,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。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)是一个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,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10cm)所用时间。得到10组数据如表1所示。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):式中:s,v0,a均为z轴上的向量。根据前文分析,s=10cm;v0=0m/s;t=0.245s。据式(1)可计算出a≈3.332m/s2,约为0.340g,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0.20g。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。芯片采用0.35μmCMOS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。2.1.1CC1010与天线间的RF收发电路的设计RF收发部分的电路如图2所示。图2RF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L41共同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50Ω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50Ω。元器件参数既可以按照CC1010datasheet上所给的值,也可利用Chipcon公司的SmartRFStudio软件得到。2.1.2CC1010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。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±1.5g,±2g,±4g和±6g。考虑到前文将阈值定为0.2g,故设置参数将测量范围定为±1.5g。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0.45～2.85V,CC1010的ADC最大输入范围是0～VDD。此处,VDD=3.3V,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/C51用于滤除MMA7260内部采样的开关噪声,GS1,GS2用于量程选择。图3CC1010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。随身携带节点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37.67mm×25.80mm,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(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*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15ms,设备搜索时延一般为30ms,活动设备信道接入时延为15ms,理想时延共60ms,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0.1s。(2)功耗。以433MHz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14.8mA;睡眠模式下为0.2μA;节能模式下为29.4μA。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。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。