【導讀】本文提出一種方案解決PC防盜,而且體積小,能隨時安裝在PC上。在此,提出僅使用2個基于通信協(xié)議的節(jié)點(帶有加速傳感器)進行點對點通信,完成防盜功能。
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。系統(tǒng)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。
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。
圖1:應用結構
實施步驟:
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;
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。
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(jù)經(jīng)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,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??梢赃x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.
硬件實現(xiàn)
系統(tǒng)只有2個節(jié)點,因此網(wǎng)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。
節(jié)點設計
系統(tǒng)采用Chipcon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。
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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SmartRF Studio軟件得到。
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(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, 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
裝置構建
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)點自動轉入休眠模式,收回節(jié)點,按鍵關閉節(jié)點電源。
測試結果及分析
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。
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。
結語
無線傳感器網(wǎng)絡被認為是21世紀最重要的技術之一。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。