王亞軍，虞致國(guó)，顧曉峰（江南大學(xué)電子工程系輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122）

基于USB的無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)匯集存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)*

王亞軍，虞致國(guó)，顧曉峰
（江南大學(xué)電子工程系輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122）

摘 要：為提高無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的備份和容災(zāi)能力，基于USB 2.0設(shè)計(jì)了一種用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯集存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。以USB控制器芯片CY7C68013A為核心，利用ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊采集應(yīng)用場(chǎng)合的實(shí)際數(shù)據(jù)，將感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到大容量存儲(chǔ)單元，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)在匯聚節(jié)點(diǎn)中的存儲(chǔ)。以文件系統(tǒng)格式管理數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)可視化程度，方便進(jìn)一步處理。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，顯示良好，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；USB 2.0；ZigBee；CY7C68013A；存儲(chǔ)系統(tǒng)

1　引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）部署環(huán)境的復(fù)雜性、節(jié)點(diǎn)能量的有限性、節(jié)點(diǎn)堵塞及動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠伎赡茉斐筛兄獢?shù)據(jù)的丟失?，F(xiàn)實(shí)中很多場(chǎng)合需要在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，如容災(zāi)數(shù)據(jù)備份及無(wú)人值守場(chǎng)合應(yīng)用等[1]。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)堵塞引起的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量下降和生命周期縮短問(wèn)題，在多對(duì)一的傳輸方式下分析其原因可知：當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包接收速度大于發(fā)送速度時(shí)造成緩沖區(qū)溢出，使節(jié)點(diǎn)不得不拋棄某些數(shù)據(jù)包[2]。因而，節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)容量問(wèn)題尤為突出。對(duì)于感知數(shù)據(jù)如何有效存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)中，一種基于分簇的WSN數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)給出了解決方案，該存儲(chǔ)方案相對(duì)于集中式存儲(chǔ)和本地存儲(chǔ)，在節(jié)省能量和查詢速度上都有一定的提高，但受到信息收集節(jié)點(diǎn)能量、存儲(chǔ)空間等資源的限制[3]。針對(duì)不同的場(chǎng)合，可以考慮不同的存儲(chǔ)策略，但前提是存儲(chǔ)資源不受限。

傳統(tǒng)WSN常用來(lái)監(jiān)測(cè)一些簡(jiǎn)單的信息，如溫濕度、光照強(qiáng)度、振動(dòng)、壓力等[4]。隨著傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，WSN與多媒體等技術(shù)綜合，無(wú)線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相比，無(wú)線多媒體傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)需要更強(qiáng)的存儲(chǔ)能力來(lái)存儲(chǔ)多媒體信息[5]。因此，如何在重要節(jié)點(diǎn)集成海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元非常重要。

ZigBee是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)。在傳統(tǒng)的ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，匯聚節(jié)點(diǎn)采集子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后，大多通過(guò)傳感芯片的UART接口[6～8]將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。由于串行接口逐步退出了PC的主流配置，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了諸多不便。如何通過(guò)高速接口將感知數(shù)據(jù)快速上傳到上位機(jī)，是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了一種基于USB 2.0的WSN數(shù)據(jù)匯集存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，匯集存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)組建不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳感網(wǎng)絡(luò)，管理接入網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)，采集存儲(chǔ)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并以FAT文件系統(tǒng)格式管理感知數(shù)據(jù)，使其與上位機(jī)通信時(shí)能以文件形式直觀顯示。

2　節(jié)點(diǎn)工作原理

為適應(yīng)應(yīng)用需求，方便系統(tǒng)擴(kuò)展，系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)思想。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，匯集存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)主要由ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊、USB接口芯片、存儲(chǔ)芯片、電源供應(yīng)模塊等組成。節(jié)點(diǎn)按主要功能劃分為ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊和存儲(chǔ)模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)組建與維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，解析控制中心的命令并完成相應(yīng)處理。另外，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊還負(fù)責(zé)處理ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)。當(dāng)匯集存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)接入傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)，節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)，并處理文件格式，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)脫離傳感網(wǎng)絡(luò)接入上位機(jī)時(shí)，節(jié)點(diǎn)可作為U盤顯示數(shù)據(jù)。

3　 硬件設(shè)計(jì)

3.1USB控制器

由于節(jié)點(diǎn)能量有限，低功耗一直是WSN研究的熱點(diǎn)[9～10]。匯聚存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，相對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)，其工作時(shí)間更長(zhǎng)，能耗更大，功耗成為決定網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和生命周期的主要因素。

圖1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)WSN節(jié)點(diǎn)的處理能力在一定程度上限制了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，為滿足網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中處理能力的要求，提高匯集存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，?jīng)比較，選取Cypress公司的CY7C68013A作為核心芯片。該芯片是一款高集成、超低功耗的USB接口芯片，芯片內(nèi)部集成的USB收發(fā)器和串行接口引擎（SIE）降低了開(kāi)發(fā)難度。數(shù)據(jù)采集時(shí)，USB收發(fā)器與SIE不處于工作狀態(tài)；當(dāng)上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，USB接口由數(shù)據(jù)線供電。因而，USB收發(fā)器與SIE在節(jié)點(diǎn)功耗上影響不大。與一般處理器與外設(shè)連接需添置接口電路相比，通用可編程接口（GPIF）可實(shí)現(xiàn)與外部接口的無(wú)縫連接，減少硬件成本，降低功耗。另外，芯片可自動(dòng)生成ECC碼，協(xié)助軟件完成校驗(yàn)與糾錯(cuò)工作，在不加重處理器工作負(fù)荷的基礎(chǔ)上提高了數(shù)據(jù)的正確性。

3.2ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊

在傳統(tǒng)WSN應(yīng)用中，功耗主要集中在無(wú)線通信模塊方面。經(jīng)考慮，選用順舟科技SZ05系列ZigBee嵌入式無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊。該模塊由無(wú)線通信芯片、數(shù)據(jù)處理芯片等組成，工作電流達(dá)mA級(jí)，節(jié)電模式與睡眠模式的工作電流在μA級(jí)，滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。該模塊使用2.4 GHz頻段，提供組織、維護(hù)和管理網(wǎng)絡(luò)的功能，可配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)ID等信息，能實(shí)現(xiàn)無(wú)線ZigBee與串行接口的轉(zhuǎn)換。模塊直接由電池提供5 V的工作電壓，只需外接天線等少量元件就可工作。接口采用標(biāo)準(zhǔn)2.54雙排插針，由插座或接線座連接到存儲(chǔ)單元，即可通過(guò)TX2、RX2端口實(shí)現(xiàn)全雙工通信。

3.3存儲(chǔ)芯片

為保護(hù)數(shù)據(jù)完整，保證存儲(chǔ)系統(tǒng)具有較長(zhǎng)的生命周期，以大容量、低功耗、非易失性作為選擇存儲(chǔ)器的基本要求?，F(xiàn)在較流行的NAND FLASH芯片，在這些性能上有較大的提高，因而選取NAND FLASH芯片作為存儲(chǔ)芯片，核心芯片和存儲(chǔ)芯片的電路連接圖如圖2所示。

圖2 電路連接圖

CY7C68013A芯片通過(guò)GPIF接口與存儲(chǔ)芯片連接，端口B作為低8位FIFO數(shù)據(jù)線傳輸?shù)刂?、?shù)據(jù)和命令信號(hào)；端口A發(fā)送地址和命令鎖存信號(hào)；端口D提供片選信號(hào)；控制輸出(CTL)引腳發(fā)送使能讀、使能寫信號(hào)；內(nèi)部準(zhǔn)備好(RDY)引腳接收返回的FLASH內(nèi)部狀態(tài)。數(shù)據(jù)存入FLASH的過(guò)程中，如果FLASH總處于工作狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)的功耗較大。68013A芯片內(nèi)部集成4 kB FIFO作為緩沖區(qū)，減少了FLASH工作時(shí)間，降低了存儲(chǔ)功耗。

4　軟件設(shè)計(jì)

4.1軟件總體方案

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊在處理子節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求后，按時(shí)接收子節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)母兄獢?shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換給存儲(chǔ)單元處理。本文的軟件設(shè)計(jì)主要集中于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分，存儲(chǔ)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為感知數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)、上位機(jī)與存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)。前者作為處理串口數(shù)據(jù)的控制器，負(fù)責(zé)完成具體的FAT文件系統(tǒng)格式的轉(zhuǎn)換；后者以處理USB標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的框架為基礎(chǔ)，主要添置解析子類協(xié)議和處理存儲(chǔ)芯片具體操作的函數(shù)。為保證匯集存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的安全性，上位機(jī)與存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)傳輸程序由用戶自行下載，程序下載由Cypress公司提供的控制面板即可完成。

4.2感知數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)

核心芯片硬件配置、中斷使能、存儲(chǔ)芯片參數(shù)獲取、文件建立等主要在程序初始化階段完成，而串口采集的數(shù)據(jù)由中斷處理程序?qū)懭胛募?。為提高程序的可移植性，文件系統(tǒng)格式的處理程序采用層次化設(shè)計(jì)思想，分為底層、中間層、最上層三個(gè)層次。底層直接與硬件接觸，負(fù)責(zé)處理基本FLASH命令操作；中間層承上啟下，是不同F(xiàn)AT文件系統(tǒng)管理原則的重要體現(xiàn)，主要包括邏輯地址轉(zhuǎn)換模塊、尋找未使用簇模塊、修改簇鏈模塊等；最上層為文件的建立與寫入。

4.2.1 初始化程序

硬件配置和文件系統(tǒng)參數(shù)獲取主要在初始化程序中完成，芯片工作頻率根據(jù)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)定。FIFO讀和單字節(jié)寫波形描述符被加載到GPIF寄存器中，F(xiàn)IFO讀波形用于讀取FLASH中一連串的數(shù)據(jù)，單字節(jié)寫波形用于發(fā)送FLASH操作的命令。串口設(shè)置為8位數(shù)據(jù)位、1起始位和1停止位，波特率設(shè)為9600 bps。最后，初始化程序按FAT文件系統(tǒng)的管理原則完成文件的建立，文件建立流程如圖3所示。根據(jù)每扇區(qū)字節(jié)數(shù)、每簇扇區(qū)數(shù)、保留扇區(qū)數(shù)等參數(shù)計(jì)算出FAT表、根目錄區(qū)的起始地址。文件的建立歸結(jié)于文件名的建立與文件空間的開(kāi)辟，在FAT表中尋找未使用簇作為文件的起始地址，在根目錄區(qū)寫入文件的目錄項(xiàng)。目錄項(xiàng)主要描述文件屬性，包括文件名、文件創(chuàng)建時(shí)間、文件大小、文件起始簇號(hào)等，其中，文件名采用短文件名格式。

4.2.2 中斷處理程序

初始化完成后，處理器處于休眠狀態(tài)，等待串口中斷，中斷處理程序如圖4所示。觸發(fā)中斷后，中斷處理程序按照應(yīng)用需求采集數(shù)據(jù)暫存入緩沖區(qū)，并清除串口標(biāo)志，進(jìn)入休眠。當(dāng)緩沖區(qū)寫滿后，將緩沖數(shù)據(jù)存入文件空間。文件寫滿一簇后，為文件開(kāi)辟新的簇空間，刷新FAT表簇鏈，并修改文件大小。

圖3 文件建立流程圖

圖4 中斷處理程序流程圖

4.3上位機(jī)與存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

匯集存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)作為海量存儲(chǔ)類設(shè)備，另需解析上位機(jī)的子類協(xié)議命令，返回存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和執(zhí)行狀態(tài)，軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。軟件設(shè)計(jì)采用層次化結(jié)構(gòu)：上層獲取與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)包，包括硬件初始化模塊、等待CBW模塊、中斷處理模塊，設(shè)備描述符等；解析CBW指令由中間層負(fù)責(zé)，并根據(jù)底層結(jié)果返回CSW狀態(tài)字，主要是SCSI命令解析模塊；底層作為與硬件的接口，處理具體的FLASH操作，包括邏輯地址-物理地址轉(zhuǎn)換模塊、ECC校驗(yàn)?zāi)K、獲得空閑塊模塊、讀寫命令發(fā)送模塊等。

圖5 設(shè)備與上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)流程圖

5　節(jié)點(diǎn)功能驗(yàn)證

完成設(shè)計(jì)后，對(duì)匯集存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能進(jìn)行檢測(cè)。為驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性及測(cè)試存儲(chǔ)系統(tǒng)的承受能力和穩(wěn)定性，以串口調(diào)試工具作為數(shù)據(jù)輸入端，間斷地發(fā)送不定量的數(shù)據(jù)，反復(fù)多次，比較文件數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)。

此處選取其中一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作比較。串口輸入數(shù)據(jù)每次發(fā)送約70個(gè)字符給存儲(chǔ)單元，串口輸入數(shù)據(jù)如圖6所示。間隔1000 ms自動(dòng)發(fā)送，結(jié)束后檢測(cè)文件數(shù)據(jù)，文件名顯示如圖7所示，文件數(shù)據(jù)顯示如圖8所示。已標(biāo)記了其中一組完整數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)證，每組數(shù)據(jù)沒(méi)有丟失，發(fā)送數(shù)據(jù)總字節(jié)正確，數(shù)據(jù)檢測(cè)無(wú)錯(cuò)誤。

圖7 文件名顯示圖

圖8 文件數(shù)據(jù)顯示圖

6　結(jié)束語(yǔ)

以CY7C68013A芯片為核心，設(shè)計(jì)了一種基于USB的WSN匯集存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，可解決由于環(huán)境復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)能量有限及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化等造成的感知數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)在容災(zāi)數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)無(wú)需無(wú)線實(shí)時(shí)回傳、無(wú)人值守場(chǎng)合等應(yīng)用環(huán)境下感知數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)。測(cè)試結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)能實(shí)時(shí)接受感知數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)正確有序的存儲(chǔ)，提高了數(shù)據(jù)的可視化程度，方便數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

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王亞軍（1993—），男，江蘇泰州人，學(xué)士，研究方向?yàn)閿?shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

虞致國(guó)（1979—），男，副教授，博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)閷Ｓ眉呻娐放c物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。FPGA實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，2011，12(12).

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Design of a Data Sinking and Storingnode for Wireless Sensor Networks Based on USB

WANG Yajun, YU Zhiguo, GU Xiaofeng
( Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry, Ministry of Education, Department of Electronic Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China )

Abstract:To improve the backup and disaster recovery capabilities on wireless sensor network system,a data sinking and storing node of wireless sensor networks is designed based on USB 2.0. The system integrates ZigBee data transmission module to acquire practical data from various applications, anduses USB controller chipCY7C68013A as processor core to store data in large capacity storage unit in the sinking node. Thestorage unit manages data with the fi le system format to improve the data visualization degree and facilitate further processing. Testing results show that the system can collect data stably and display data well, having good practical values.

Keywords:wireless sensor networks; USB 2.0; ZigBee; CY7C68013A; storage system

中圖分類號(hào)：TN919

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào)：1681-1070（2015）10-0039-05

收稿日期：2015-3-17

*基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金（BK20130156）；江蘇省六大人才高峰資助項(xiàng)目（DZXX-027）；無(wú)錫市物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展資金項(xiàng)目（0414-B011601-140016-PB)

作者簡(jiǎn)介:

茍歡敏（1985—），女，陜西西安人，碩士，2010年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，現(xiàn)就職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，主要從事模塊電路的設(shè)計(jì)研究。