帶有熱電傳感器的計算機存在檢測器

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資料介紹

描述

計算機存在檢測器

基于 Kemet SS-430L 熱釋電傳感器

計算機存在檢測器通過位于計算機鍵盤后面的非侵入式設備解決安全漏洞和溫室氣體排放問題。

在計算機解鎖時離開您的計算機是許多處理機密信息的組織的重大安全漏洞，您只需在 PC 上按 Windows 徽標 + L 或在 Mac 上按 Command + Control + Q 即可離開。盡管如此簡單，但經常忘記讓任何等待機會執行他們無權執行或不想在其登錄下被跟蹤的操作的人訪問計算機。讓計算機無人看管的第二個方面是連接設備（如顯示器、打印機和揚聲器）打開數小時或數天會浪費電力，從而對溫室氣體排放和電力成本產生重大影響。

圖 1 – 計算機存在檢測器原型

無需人工干預，計算機存在檢測器 (CPD) 與鍵盤和鼠標串聯連接，以持續監控距離鍵盤 1.5 米范圍內是否有人。如果沒有檢測到存在，指示燈將閃爍 10 秒鐘，表示如果沒有檢測到移動，計算機將被鎖定。由于該設備對人體紅外指紋的選擇性敏感，它甚至可以檢測到 1.5 米范圍內的最輕微的移動，例如打字或手寫。范圍和非檢測時間都可以調整以適應個別應用。在非檢測時間過去后，將向計算機發送命令以鎖定屏幕，要求用戶輸入密碼才能重新訪問。當用戶長時間遠離電腦時，

CPD 設計為整齊地放置在鍵盤后面，并包括一個前置 USB 端口，可輕松連接記憶棒或其他低功耗 USB 設備。鼠標和鍵盤線纜可以整齊地包裹在集成線纜管理器中，以減少桌面雜亂。

安裝

設備背面有 2 個 USB-A 端口，用于連接鍵盤和鼠標。在連接插頭之前，使用電纜管理槽將多余的電纜纏繞在 CPD 下，如圖 2 所示。

將微型 USB 端口連接到 PC，如果前端端口用作手機充電器，可選 5 伏直流電源。

如果實施了外圍電源控制，則提供一個 3.5 毫米立體聲唱機插孔作為通用輸出來激活您的受控電源板。該連接提供了一個常開和常閉的開關觸點，可以連接到智能家居發射器或其他低壓控制輸入。

可以通過擰出傳感器鏡頭并插入所需的范圍鏡頭來調整覆蓋范圍。

圖 2

手術

當您的計算機打開時，CPD 將不斷掃描以查看是否在所選范圍內檢測到人。如果未檢測到人員，則前面的 LED 將閃爍，表示如果未檢測到移動，則計算機即將鎖定。

在非檢測時間過去后，CPD 將向計算機發送鎖定命令，防止任何人在未先輸入用戶密碼的情況下使用它。

硬件

CPD 中的電子設備包括四個主要部分。

凱美特接近傳感器
微處理器控制
USB 4 端口集線器
力量

Kemet 接近傳感器

Kemet 接近傳感器是一個獨立模塊 ( SS-430L )，它對人體發出的紅外 (IR) 波長具有非常高的靈敏度，并且可以拒絕其他紅外源。除了其選擇性靈敏度外，它還能夠通過不同的不透明材料進行檢測，使其適用于您不希望傳感器可見的應用，并且不受陽光等其他紅外源的影響。

使用模擬萬用表對傳感器進行初步試驗，以顯示檢測到運動時的脈沖，并逐漸添加 0.1 毫米厚的透明塑料片，直到達到所需的范圍。我對幾種塑料進行了試驗，包括用于印刷外殼的 PLA，發現如圖 3 所示的咖啡包盒中的窗口效果最好。將 5 張疊在一起的薄片實現了 1 米的合適范圍。在成品中，將制作一個可互換的插件，以便輕松調整范圍。

圖 3 – 用于測試縮小范圍的塑料透鏡

進行了額外的測試以確定來自傳感器的放大信號是否適合連接到 ADC，這將允許范圍基于信號的幅度。繞電路一探，發現傳感器的模擬信號輸入到微控制器，然后輸出數字信號。圖 4 顯示了探測到的引腳，雖然它可以連接到 ACD，但在本項目中并未實現。

圖 4 - 在轉換為數字脈沖之前來自傳感器的模擬信號

微處理器控制

Kemet SS-430 的數字輸出連接到PIC18F14K50微處理器的數字輸入，該微處理器根據在給定時間內未接收到檢測脈沖的時間進行所有定時和控制。選擇該處理器是因為它支持原生 USB、引腳數少且具有多個定時器。

圖 5 - 微控制器原理圖

RC4 上的 LED 輸出驅動 WS2812 可編程 LED 用于狀態指示，如圖 7 所示，繼電器輸出由 RC5 驅動，如圖 6 所示。

由于切換主供電設備可能需要特殊的安全認證，因此使用了干式繼電器觸點，該觸點可以連接到無線電源控制器，例如Sonoff或適當額定值的硬接線繼電器。

圖 6 - 輸出控制示意圖

圖 7 - 狀態 LED 示意圖

引腳 18 和 19 上的 USB 輸出發送和接收 HID 命令，允許模擬鍵盤敲擊以向計算機發送鎖定命令并感應鍵盤何時被按下以解鎖。這些引腳作為差分對路由到 USB 集線器。

USB 5 端口集線器

CPD 與外部世界的連接是通過一個 USB 接口以 4 端口集線器的形式加上單芯片上的 1 個上行鏈路。端口配置為 2 個用于背面的鍵盤和鼠標，1 個用于正面的 USB 密鑰或低功率手機充電器，以及一個內部連接到微處理器以模擬鍵盤按下。然后上行鏈路將所有 4 個端口連接回計算機。該組件的 PCB 布局是設計中最具挑戰性的方面，因為USB2514 IC 僅采用一個端子間距為 0.5mm BSC 的占位面積，如果您遵循 USB 2.0 規范，則具有非常特殊的要求用于 USB 差分對的路由。每對需要保持相同的長度并平行于整個路線。此外，它們需要具有標稱 90Ω 阻抗，這相當于 27mil 的走線寬度和差分對之間的 5mil 間距。與其他軌道的間隙需要為 25mil，并且差分對下方的連續接地層。嘗試盡可能接近這些設計規則，并盡可能靠近放置 9 個去耦電容器、晶體和電阻器，需要使用 0402 封裝 (1005) 電容器和電阻器。從尺寸角度來看，典型的可伸縮鉛筆直徑為 0.5 毫米，與每個組件的寬度相同。折斷幾個 1mm 的長度，并以 0.5mm 的間距完美放置它們，這就是 1005 的工作方式。

圖 8 - 1005 個封裝組件和 USB 差分軌道

除了管理所有 USB 通信外，USB2514還可以控制每個端口的供電。我使用MIC2005A限流 IC 來檢測電流是否超過 500mA（圖 9 中的 U5、6 和 7）。MIC2005Ai 的EN 引腳由USB2514的高電平有效輸出控制，在OUT 上啟用 5 伏。如果電流超過 500mA，則低電平有效 FLT 引腳會觸發 USB2514 上的 OSCx 輸入，這會將 PRTPWRx 拉低，從而禁用該端口上的電源輸出，直到 USB 故障得到糾正。

圖 9 - 帶有上行鏈路的 USB 4 端口集線器示意圖

建造

外殼

外殼設計為直接位于計算機鍵盤后面，傳感器面向操作員，如圖 10 所示。由于傳感器具有非常寬的覆蓋角度和對人體 IR 能量的高靈敏度，因此準確放置并不重要。

圖 10 - 傳感器在桌面上的定位

為了減少桌面雜亂，CPD 在其下方留有空間，以便通過將鍵盤和鼠標的多余 USB 電纜纏繞在底座周圍來隱藏它們，只留下所需的長度，如圖 11 所示。面向操作員的是一個狀態指示器，用于記憶棒或其他低功耗設備和傳感器窗口的備用 USB 端口。

圖 11 - 電纜被包裹在機箱下方的空間中以隱藏多余的電纜

印刷電路板

PCB 是兩層板，所有組件都在頂層，大部分接地層在底部。包括電容器、電阻器和電感器在內的無源元件均來自 Kemet，USB 集線器 IC U4 周圍使用了 1005 (0402) 封裝，電路板的其余部分為 2012 (0805) 封裝。大多數半導體來自 Microchip，并已被安排到電源、控制和 USB 區域，如圖 12 所示。

控制器和 Kemet SS-430L 傳感器的安裝如圖 13 所示。

圖 12 - 部分加載的 PCB，突出顯示關鍵部分

圖 13 - PCB 安裝

圖 14 - PCB 頂層

圖 15 - PCB 底層

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軟件

該軟件是用 C 語言為 PIC18F14K50 微控制器編寫的，并在兩個主循環中運行，如圖 16 所示。

圖 16 – 軟件流程圖

主要代碼由檢測傳感器脈沖的中斷、以 1 秒間隔計時的定時器和 USB 發送/接收驅動。

循環 1通過中斷不斷檢查運動，并在每個滴答時增加變量 countSeconds 中的時間計數。

如果檢測到移動，則時間計數重置為 0。如果在 PRE_WARN_TIME 中定義的時間段內未檢測到移動，LED 將閃爍以警告掛起的屏幕鎖定并且時間計數設置為 0。如果沒有移動在 NO_MOTION_TIME 中定義的時間之前檢測到鎖屏鍵盤組合通過 USB 發送到計算機，并且流將被交給循環 2。

循環 2再次將變量 countSeconds 設置為 0，準備計數到 POWER_DOWN_TIME。當此時間過去時，驅動外部電源控制設備的繼電器打開。不斷檢查按鍵。定時器 2 將開始對外圍設備計時，如果沒有按下任何鍵，并且定時器 2 已過，外圍設備將關閉。循環將繼續等待按鍵，然后外圍設備上電并將控制返回給循環1。