總體方案

係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。在係統中隻有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。係統的結構簡單，使得傳輸時延非常小
，比較適合應用在上文中提到的場合。

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區的其餘位置。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。

 
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麵的節點1移動

；

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；

節點2接收到信息，通過預定程序判斷速度PC是否屬於異常移動，若是則觸發蜂鳴器進行報警，反之則不響應
；

主人A聽到報警後迅速回到座位，避免PC丟失。

防盜器原理

嚴格地講，係統隻有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，用於采集、處理速度信息，然後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，用於判斷節點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後加速，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均大於零，而az接近於零。當PC相對於火車靜止時，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，從而幹擾判斷給係統造成額外的計算負擔。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(ke)以(yi)近(jin)似(si)為(wei)零(ling)
，但(dan)在(zai)一(yi)些(xie)特(te)殊(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)可(ke)能(neng)不(bu)為(wei)零(ling)。為(wei)了(le)降(jiang)低(di)誤(wu)報(bao)率(lv)
，係(xi)統(tong)設(she)定(ding)一(yi)定(ding)的(de)緩(huan)衝(chong)值(zhi)
，使(shi)得(de)防(fang)盜(dao)器(qi)能(neng)包(bao)容(rong)一(yi)些(xie)車(che)體(ti)震(zhen)動(dong)。但(dan)是(shi)為(wei)了(le)能(neng)識(shi)別(bie)人(ren)為(wei)移(yi)動(dong)
，這(zhe)個(ge)緩(huan)衝(chong)值(zhi)又(you)不(bu)能(neng)超(chao)過(guo)人(ren)為(wei)移(yi)動(dong)引(yin)起(qi)的(de)加(jia)速(su)度(du)，即(ji)為(wei)係(xi)統(tong)的(de)判(pan)決(jue)閾(yu)值(zhi)。

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，重複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.

硬件實現

係統隻有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。

節點設計

係統采用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技術製成
，內嵌高性能的8051微控製器、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還用於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，並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

本無線采集係統采用了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 種加速度測量範圍
，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 ,故設置參數將測量範圍定為±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， 有時鍾噪聲產生， 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，由於x , y , z 軸方向的電壓輸出是0.45~2.85 V ,CC1010 的ADC 最大輸入範圍是0~V DD .此處
，V DD = 3.3 V ,其範圍恰好在ADC的輸入範圍之內， 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 用於濾除MMA7260 內部采樣的開關噪聲，GS1 ,GS2 用於量程選擇。

 
圖3：CC1010 與加速度傳感器的接口電路

裝置構建

定義節點1啟動模式為事件觸發模式
，即節點經常處於低功耗的休眠模式，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
，並在主人離開座位前，將節點1固定於PC上。

據調查，主人在火車上離開電腦的時間不會太久，故係統將節點2 （LED燈上並接蜂鳴片）設置為接收模式
，板內燒有一個判決程序：通tong過guo對dui火huo車che晃huang動dong引yin起qi加jia速su度du的de收shou集ji及ji綜zong合he分fen析xi，設she定ding確que定ding的de閾yu值zhi，閾yu值zhi大da於yu火huo車che晃huang動dong引yin起qi的de加jia速su度du小xiao於yu異yi常chang移yi動dong引yin起qi的de加jia速su度du。隨sui身shen攜xie帶dai節jie點dian2 ,隻要筆記本一有異常移動便會報警。由於節點數隻有2個，係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複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於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qie可ke以yi隨sui時shi修xiu改gai源yuan代dai碼ma實shi現xian多duo種zhong功gong能neng。這zhe樣yang既ji方fang便bian又you最zui大da程cheng度du地di節jie省sheng了le成cheng本ben和he功gong耗hao。完wan成cheng任ren務wu後hou，節jie點dian自zi動dong轉zhuan入ru休xiu眠mian模mo式shi，收shou回hui節jie點dian，按an鍵jian關guan閉bi節jie點dian電dian源yuan。

測試結果及分析

通過測試從時延
、功耗和誤報率等幾方麵*價防盜器的性能。

時延。為了節能，開啟節點電源後其處於休眠模式。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複雜，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 ;節能模式下為29.4μA.整個係統的大部分時間處於休眠節能模式
，如果PC有人為移動，就通過事件觸發機製再次喚醒該節點的單片機。係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
，這時隻有硬件看門狗、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。

誤報率。誤報率是係統最複雜
、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

無線傳感器網絡被認為是21世紀最重要的技術之一。在此
，基於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。文章創新點在於：

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。閾值大於火車正常晃動加速度；小於人為移動加速度。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，大大降低了節點和係統的功耗。