傳感器技術(shù)在防盜技術(shù)方面的應(yīng)用

　　引言

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(chǎng)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(shí)如何防止、杜絕小偷盜走筆記本是個(gè)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(duì)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(shí)安裝在PC上。在此，提出僅使用2個(gè)基于Simplici TI通信協(xié)議的節(jié)點(diǎn)（帶有加速度傳感器）進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，完成防盜功能。

　　1總體方案

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案非常簡(jiǎn)單。一般來講火車車廂全長(zhǎng)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(gè)節(jié)點(diǎn)就可以完全覆蓋整個(gè)車廂。在系統(tǒng)中只有2個(gè)節(jié)點(diǎn)（不需PC協(xié)助） ：節(jié)點(diǎn)1作為發(fā)信者，節(jié)點(diǎn)2作為收信者，組成最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，不需跳轉(zhuǎn)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使得傳輸時(shí)延非常小，比較適合應(yīng)用在上文中提到的場(chǎng)合。

　　1.1方案實(shí)施

　　將火車車廂分為2個(gè)區(qū)：1區(qū)是PC所在位置，即主人的座位，人未離開時(shí)，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(jìn)入2區(qū)時(shí)，1區(qū)將成為盲區(qū)， PC也將變得不安全。方案實(shí)施步驟如框圖1所示。

　　實(shí)施步驟：

　?。?）小偷B企圖移動(dòng)電腦；

　?。?）電腦的移動(dòng)導(dǎo)致固定在上面的節(jié)點(diǎn)1移動(dòng)；

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

　?。?）節(jié)點(diǎn)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(dòng)，若是則觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，反之則不響應(yīng)；

　?。?）主人A聽到報(bào)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(gè)節(jié)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)1 （固定）是一個(gè)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(diǎn)2 （移動(dòng)）是一個(gè)帶有蜂鳴器的無線傳感模塊，用于判斷節(jié)點(diǎn)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(jìn)行報(bào)警。

　　理想情況下火車在勻速行駛時(shí)加速度為零，但在轉(zhuǎn)彎、換軌等情況下將會(huì)有一定的三維加速度。設(shè)火車前進(jìn)方向?yàn)閤軸、前進(jìn)方向的左側(cè)為y軸、上側(cè)為z軸。考慮到車體較長(zhǎng)，鐵軌較平等特點(diǎn)，且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知，在正常轉(zhuǎn)彎、換軌等情況下，車體主要為左右晃動(dòng)和前后加速，上下震動(dòng)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(duì)于火車靜止時(shí)，小偷若想移動(dòng)它勢(shì)必會(huì)在3軸上都引起加速度，這樣車體晃動(dòng)引起的加速度會(huì)和人為移動(dòng)引起的加速度疊加，從而干擾判斷給系統(tǒng)造成額外的計(jì)算負(fù)擔(dān)。據(jù)此可以選用az作為判斷筆記本是否移動(dòng)的判決對(duì)象，因?yàn)橐话闱闆r下可以認(rèn)為az即為人為移動(dòng)引起的加速度。

　　雖然車體震動(dòng)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(bào)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(dòng)。但是為了能識(shí)別人為移動(dòng)，這個(gè)緩沖值又不能超過人為移動(dòng)引起的加速度，即為系統(tǒng)的判決閾值。

　　現(xiàn)在通過簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)來計(jì)算人為移動(dòng)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(shí)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(jì)算平均用時(shí)（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(jì)算出a≈3.332 m/ s2，約為0.340 g，即為az.為了降低誤報(bào)率和最大程度識(shí)別人為移動(dòng)PC，把閾值折衷定為0.20 g.

　　2硬件實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)只有2個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建具有簡(jiǎn)單、迅速等特點(diǎn)，而且文章首次提出“隨用隨建”的概念。

　　2.1節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　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(gè)定時(shí)器、2個(gè)PWM、2個(gè)UART、SPI及26個(gè)通用I/ O等。

　　2.1.1 CC1010與天線間的RF收發(fā)電路的設(shè)計(jì)

　　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(shí)L32還用于阻止直流偏置信號(hào)的輸入； C41、C42和L41共同實(shí)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(gè)50Ω的天線進(jìn)行發(fā)射/接收操作。L1 ， C8和C9組成一個(gè)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(shè)計(jì)

　　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(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)，提供了4 種加速度測(cè)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(shè)置參數(shù)將測(cè)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?yàn)镸MA7260 內(nèi)部采用了開關(guān)電容濾波器， 有時(shí)鐘噪聲產(chǎn)生， 所以需要在MMA7260 的XOU T ，YOU T 和ZOU T 三個(gè)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(diǎn)1啟動(dòng)模式為事件觸發(fā)模式，即節(jié)點(diǎn)經(jīng)常處于低功耗的休眠模式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在z軸向上有一定的移動(dòng)時(shí)，加速度傳感器能采集到加速度信息，便通知單片機(jī)激活節(jié)點(diǎn)為發(fā)送模式；當(dāng)節(jié)點(diǎn)靜止，即加速度傳感器采集到加速度為0時(shí)，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，以減少功耗，并在主人離開座位前，將節(jié)點(diǎn)1固定于PC上。

　　據(jù)調(diào)查，主人在火車上離開電腦的時(shí)間不會(huì)太久，故系統(tǒng)將節(jié)點(diǎn)2 （LED燈上并接蜂鳴片）設(shè)置為接收模式，板內(nèi)燒有一個(gè)判決程序：通過對(duì)火車晃動(dòng)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(dòng)引起的加速度小于異常移動(dòng)引起的加速度。隨身攜帶節(jié)點(diǎn)2 ，只要筆記本一有異常移動(dòng)便會(huì)報(bào)警。由于節(jié)點(diǎn)數(shù)只有2個(gè)，系統(tǒng)可以快速建立通信；而且節(jié)點(diǎn)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(shí)隨地修改C語言源代碼和變換傳感器模塊（通過擴(kuò)展插槽） ，還可以組建其他功能無線通信網(wǎng)：可以用1號(hào)板監(jiān)視溫度傳感器變化，用2號(hào)板遠(yuǎn)程監(jiān)視溫度變化；可以增加無線節(jié)點(diǎn)板建設(shè)更復(fù)雜的多節(jié)點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Simplici TI單個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持255個(gè)節(jié)點(diǎn)）。綜上所述，可以定義“隨用隨建”為：通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的無線節(jié)點(diǎn)板和基本配置的PC ，隨時(shí)隨地快速組建一個(gè)基于Simplici TI通信協(xié)議的WSN ，實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理、傳輸功能。它最大能容納256個(gè)節(jié)點(diǎn)（包括網(wǎng)關(guān)） ，且可以隨時(shí)修改源代碼實(shí)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(diǎn)自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，收回節(jié)點(diǎn)，按鍵關(guān)閉節(jié)點(diǎn)電源。

　　3測(cè)試結(jié)果及分析

　　通過測(cè)試從時(shí)延、功耗和誤報(bào)率等幾方面*價(jià)防盜器的性能。

　　（1）時(shí)延。為了節(jié)能，開啟節(jié)點(diǎn)電源后其處于休眠模式。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，節(jié)點(diǎn)從休眠到工作激活的時(shí)延為15 ms ，設(shè)備搜索時(shí)延一般為30 ms ，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15 ms ，理想時(shí)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(shí)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(gè)系統(tǒng)的大部分時(shí)間處于休眠節(jié)能模式，如果PC有人為移動(dòng)，就通過事件觸發(fā)機(jī)制再次喚醒該節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)。系統(tǒng)一旦進(jìn)人節(jié)能模式，通過電源管理電路，將除單片機(jī)、射頻模塊和硬件看門狗以外器件的供電切斷，這時(shí)只有硬件看門狗、單片機(jī)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(bào)率。誤報(bào)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(jì)算閾值，通過判斷是否超過閾值來決定是否報(bào)警，在大大降低了誤報(bào)率的同時(shí)，盡可能地避免漏報(bào)。

　　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(jì)出微功耗筆記本防盜器。文章創(chuàng)新點(diǎn)在于：

　?。?）通過分析大量的火車晃動(dòng)所引起的x ， y ， z軸加速度數(shù)據(jù)和一般人移動(dòng)PC所引起的加速度數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)方法確定一個(gè)閾值。閾值大于火車正?；蝿?dòng)加速度；小于人為移動(dòng)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(dòng)而進(jìn)行報(bào)警。

　　（2）提出了“隨用隨建”的概念，使網(wǎng)絡(luò)可以隨時(shí)隨地快速組建，大大地拓展了防盜器的應(yīng)用場(chǎng)合；采用事件觸發(fā)模式來激活節(jié)點(diǎn)，大大降低了節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)的功耗。