李艷紅，丁志遠(yuǎn)，吳澤康武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院,湖北武漢430074

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筆記本電腦防盜裝置的設(shè)計

李艷紅，丁志遠(yuǎn)，吳澤康
武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院,湖北武漢430074

摘要：設(shè)計了一種基于陀螺儀加速度計傳感器的筆記本防盜裝置為防止筆記本電腦失竊.采用低功耗的單片機作為主控芯片，通過集成了3軸陀螺儀和3軸加速度計MPU6050芯片對筆記本位移變化進(jìn)行復(fù)雜演算，運用16位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將被測位移變化量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并降低了單片機的運動處理運算負(fù)荷.該防盜裝置通過配合上位機和下位機軟件，用串口通信發(fā)送請求觸發(fā)下位機串口中斷，當(dāng)下位機接收到請求時，將儲存的加速度數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送到上位機，然后上位機每隔一定時間獲取下位機存儲的加速度數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析，超過閾值發(fā)出警報從而達(dá)到防盜目的.

關(guān)鍵詞：筆記本電腦；防盜裝置；MSP430；MPU6050

1　引　言

目前國內(nèi)市場上筆記本電腦的防盜裝置一般采用筆記本電腦鎖、防盜栓等機械式防盜裝置，是用鋼繩索把電腦栓在某物體上來達(dá)到防盜目的。雖然上述防盜裝置有一定的防盜作用，但防盜效果只能延緩一定時間.而且，用鋼繩索把電腦栓在物體上，影響了筆記本電腦的外觀，當(dāng)設(shè)備用戶外出或頻繁變換位置時，這些防盜設(shè)備無法做到方便的攜帶，存在一定的局限性.因此，設(shè)計一款基于陀螺儀加速度計傳感器來檢測設(shè)備運動狀態(tài)，對筆記本電腦位移變化進(jìn)行復(fù)雜演算，運用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將被測位移量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過系統(tǒng)的上位機和下位機軟件對加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析而自動報警的防盜裝置系統(tǒng)是很有市場前景的.這種產(chǎn)品原理簡單、成本較低、體形類似于U盤大小，便于出行隨身攜帶，同時還可以結(jié)合GPS和手機進(jìn)行擴(kuò)展，可以實現(xiàn)筆記本電腦的定位和追蹤.

2　系統(tǒng)的總體方案

本系統(tǒng)裝置基于低功耗、小封裝的考慮在設(shè)計中用MSP430單片機和陀螺儀加速度計MPU?6050模塊，用于實時檢測筆記本的移動狀況，由AMS1117?3.3芯片對MSP430單片機供電.基于便于攜帶、易于使用的考慮，裝置均采用貼片元件，并裝有CH340T串口轉(zhuǎn)USB芯片，使得裝置的外觀和使用與U盤類似，其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1　Overall structure of the system

3　系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

3.1重力傳感器MPU?6050

重力傳感器MPU6050集成了陀螺儀和加速度計，通過6軸運動實現(xiàn)信號的采集，主要由I2C端口以單一數(shù)據(jù)的形式輸出完整的9軸融合演算，可對信號進(jìn)行快速和慢速變化的準(zhǔn)確追蹤，加速度計全格感測范圍為±2 g、±4 g、±8 g與±16 g.同時，融合演算可向應(yīng)用端輸出完整的InvenSense的運動處理資料庫，處理感應(yīng)所得的復(fù)雜數(shù)據(jù)，使操作系統(tǒng)的運算量降低，提高整個系統(tǒng)的快速性. MPU6050各引腳含義如表1所示.重力傳感器MPU6050電路原理圖，如圖2所示.

系統(tǒng)的USB接口5 V電壓經(jīng)過AMS1117?3.3電路降壓后給MPU?6050供電，MPU6050通過I2C協(xié)議與MSP430單片機通信，來獲取當(dāng)前加速度數(shù)據(jù).同時，MPU?6050采樣率、低通濾波頻率、加速度測量范圍由MSP430進(jìn)行設(shè)置，圖3為MSP430單片機與MPU?6050的通訊連接圖.

圖2　MPU6050電路原理圖Fig. 2 Schematic circuit diagram of MPU6050

3.2穩(wěn)壓電源AMS1117?3.3

穩(wěn)壓芯片AMS1117?3.3有一個輸入（IN）針腳，一個接地（GND）針腳，兩個輸出（OUT）針腳，它的主要目的是將USB接口的5 V電壓轉(zhuǎn)為MPU?6050可用的3.3 V電壓，防止其過載燒毀.穩(wěn)壓電路AMS1117?3.3的工作原理，如圖4所示.

3.3串口轉(zhuǎn)USB電路CH340T

CH340T是一個USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，X1、X0針腳接12 MHz的晶振，UD＋、UD-針腳分別連接到USB總線的UD＋、UD-數(shù)據(jù)線，RXD、TXD針腳分別連接到MSP430的RXD、TXD針腳，用于實現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)RS232. USB轉(zhuǎn)RS232電路圖如圖5所示.

表1　MPU6050的引腳含義Tab. 1 MPU6050 pin meaning

圖3　MSP430與MPU6050的通信連接圖Fig. 3 Communication connection diagram of MSP430 and MPU6050

圖4　穩(wěn)壓AMS1117?3.3電路原理圖Fig. 4　Schematic circuit diagram of voltage regulator AMS1117?3.3

圖5　USB轉(zhuǎn)RS232電路圖Fig. 5　Circuit diagram of USB to RS232

3.4系統(tǒng)整體硬件電路圖

系統(tǒng)是利用MSP430單片機技術(shù)，通過重力感應(yīng)器MPU6050獲取電腦移動數(shù)據(jù)（角加速度和加速度）并傳入只有U盤大小的單片機中.當(dāng)單片機被盜時，重力感應(yīng)器感應(yīng)到的加速度超過預(yù)定的峰值則會報警.系統(tǒng)設(shè)計的整體電路如圖6所示，系統(tǒng)PCB板效果圖，如圖7所示.

圖6　系統(tǒng)硬件設(shè)計圖（a）報警裝置正面電路板；（b）報警裝置反面電路板Fig. 6　System physical design

圖7　系統(tǒng)PCB效果圖（a）報警裝置正面效果圖；（b）報警裝置反面效果圖Fig. 7　System PCB rendering

4　系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計基于MSP430單片機開發(fā)系統(tǒng)，程序用C語言編寫，由下位機軟件設(shè)計和上位機軟件設(shè)計兩部分組成.在上位機需數(shù)據(jù)時，通過串口通信發(fā)送請求，觸發(fā)下位機串口中斷.下位機接收到請求時，將儲存的加速度數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送到上位機；上位機每隔一定時間獲取下位機存儲的加速度數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析，超過閾值發(fā)出警報從而達(dá)到防盜目的.

4.1系統(tǒng)下位機的軟件設(shè)計

系統(tǒng)下位機軟件流程圖，如圖8所示.其具體程序執(zhí)行步驟：

1）SERIAL初始化；

2）MPU?6050初始化；

3）實時讀取MPU?6050的加速度數(shù)據(jù)并存儲；

4）串口中斷接收到’H’返回"ACCELL?OCK HANDSHAKE"；

5）串口中斷接收到’D’返回加速度、角加速度數(shù)據(jù).

圖8　系統(tǒng)下位機的軟件設(shè)計流程圖Fig. 8　Design process of slaver system software

4.2系統(tǒng)上位機的軟件設(shè)計

系統(tǒng)上位機軟件流程圖，如圖9所示.其具體程序執(zhí)行步驟如下.

1）查找可用端口（發(fā)送握手請求’H’）,校檢握手返回值“ACCELLOCKHANDSHAKE”，不通過繼續(xù)查找,通過校檢進(jìn)入步驟2）讀取加速度數(shù)據(jù)；

2）讀取角加速度數(shù)據(jù)（發(fā)送數(shù)據(jù)讀取請求’D’）,讀取成功進(jìn)入步驟3）處理加速度數(shù)據(jù),讀取不成功判定為非法拔出裝置,觸發(fā)警報；

3）減去零點偏移,并對3 s內(nèi)總角加速度求均值,低于閾值返回步驟2）,超過閾值判定為非法移動筆記本電腦,觸發(fā)警報.

圖9　系統(tǒng)上位機的軟件設(shè)計流程圖Fig. 9　Design process of upper system software

5　結(jié)　語

本文設(shè)計筆記本防盜裝置有較高的位移敏感性，能起到自我報警的作用,裝置成本低廉、適用性強、攜帶使用方便，已達(dá)到筆記本電腦在無人或沒防范的環(huán)境下發(fā)揮防盜報警作用的效果，裝置可以結(jié)合GPS和手機進(jìn)行擴(kuò)展，實現(xiàn)筆記本電腦的追蹤和定位功能，具有較大的實用價值，將在各高校大學(xué)生和商業(yè)界辦公人員中得到廣泛的應(yīng)用，具有良好的市場前景.

致謝

本研究在選題、設(shè)計和實現(xiàn)過程中，李自成教授和熊俊俏教授提出了很多寶貴的意見，謹(jǐn)致謝意！

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本文編輯：陳小平

Design of Laptop Antitheft Device

LI Yanhong, DING Zhiyuan, WU Zekang
College of Post and Telecommunication of Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China

Abstract:We designed the laptop antitheft device based on gyroscope and acceleration transducer for reducing the theft of laptops. The main control chip with low power consumption was used as the main control chip and the laptop displacement change was intricately calculated by MPU6050 chip that was integrated the three?axis gyroscope and three?axis acceleration, and then the calculated displacement change was converted into digital quantity by an 16?channel analog?to?digital converter, which reduced the movement processing operation load of single chip microcomputer. The antitheft device was cooperated with the upper computer and lower computer software. When the lower computer received the request sent by serial communication to trigger a serial interrupt，the stored acceleration data could be sent to the personnel computer（PC）through serial port communication, and then the stored acceleration data of lower computer was analyzed by the PC at regular intervals. If the acceleration data exceed a predefined threshold, the theft warning would be sent for antitheft.

Keywords:laptop；antitheft device；MSP430；MPU6050

作者簡介：李艷紅，碩士，講師. E-mail: 32109121@qq.com

收稿日期：2015-12-21

文章編號：1674 - 2869（2016）01 - 0098 - 05

中圖分類號：TP212.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10. 3969/j. issn. 1674?2869. 2016. 01. 018