0引言

隨著社會經濟的不斷發展，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通信協議的節點（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 ，因此一個節點就可以完全覆蓋整個車廂。在系統中只有2個節點（不需PC協助） ：節點1作為發信者，節點2作為收信者，組成最簡單的網絡，不需跳轉。系統的結構簡單，使得傳輸時延非常小，比較適合應用在上文中提到的場合。

1.1方案實施

將火車車廂分為2個區：1區是PC所在位置，即主人的座位，人未離開時，1區是安全的；2區是車廂內除去1區的其余位置。當主人因事進入2區時，1區將成為盲區， 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；

（2）電腦的移動導致固定在上面的節點1移動；

（3）節點1上的加速度傳感器獲取速度信息，節點1上的RF芯片將速度信息發送出去；

（4）節點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，若是則觸發蜂鳴器進行報警，反之則不響應；

（5）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，系統只有2個節點：節點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送出去；節點2 （移動）是一個帶有蜂鳴器的無線傳感模塊，用于判斷節點1發送的速度信息是否超過既定閾值，以決定是否觸發蜂鳴器進行報警。

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，且根據經驗知，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，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造成額外的計算負擔。據此可以選用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，即為系統的判決閾值。

現在通過簡單實驗獲取數據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組數據如表1所示。

利用表中的數據可計算平均用時（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。根據前文分析，s =10 cm；v0 = 0 m/ s；t = 0.245 s.據式（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

系統只有2個節點，因此網絡構建具有簡單、迅速等特點，而且文章首次提出“隨用隨建”的概念。

2.1節點設計

系統采用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。

2.1.1 CC1010與天線間的RF收發電路的設計

RF收發部分的電路如圖2所示。

圖2 　RF 收發部分的電路

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共同實現發射輸出電路的匹配。通過CC1010內部的發射/接收開關電路，使得收發器通過同一個50Ω的天線進行發射/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

2.2裝置構建

定義節點1啟動模式為事件觸發模式，即節點經常處于低功耗的休眠模式，當節點在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點為發送模式；當節點靜止，即加速度傳感器采集到加速度為0時，節點自動進入休眠模式，以減少功耗，并在主人離開座位前，將節點1固定于PC上。

據調查，主人在火車上離開電腦的時間不會太久，故系統將節點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。隨身攜帶節點2 ，只要筆記本一有異常移動便會報警。由于節點數只有2個，系統可以快速建立通信；而且節點尺寸為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：可以用1號板監視溫度傳感器變化，用2號板遠程監視溫度變化；可以增加無線節點板建設更復雜的多節點無線傳感器網絡（Simplici TI單個網絡最多可以支持255個節點）。綜上所述，可以定義“隨用隨建”為：通過幾個簡單的無線節點板和基本配置的PC ，隨時隨地快速組建一個基于Simplici TI通信協議的WSN ，實現信息的采集、處理、傳輸功能。它最大能容納256個節點（包括網關） ，且可以隨時修改源代碼實現多種功能。這樣既方便又最大程度地節省了成本和功耗。完成任務后，節點自動轉入休眠模式，收回節點，按鍵關閉節點電源。

3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。

（1）時延。為了節能，開啟節點電源后其處于休眠模式。經過大量的實驗室測試，節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境復雜，影響傳播因素較多，把時延定為0.1 s.

（2）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 ；節能模式下為29.4μA.整個系統的大部分時間處于休眠節能模式，如果PC有人為移動，就通過事件觸發機制再次喚醒該節點的單片機。系統一旦進人節能模式，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，可以最大限度地節約電能。

（3）誤報率。誤報率是系統最復雜、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結語

無線傳感器網絡被認為是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。文章創新點在于：

（1）通過分析大量的火車晃動所引起的x ， y ， z軸加速度數據和一般人移動PC所引起的加速度數據，利用統計方法確定一個閾值。閾值大于火車正常晃動加速度；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。

（2）提出了“隨用隨建”的概念，使網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；采用事件觸發模式來激活節點，大大降低了節點和系統的功耗。