基于USB的无线传感网数据汇集存储节点设计*

王亚军，虞致国，顾晓峰（江南大学电子工程系轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡 214122）

基于USB的无线传感网数据汇集存储节点设计*

王亚军，虞致国，顾晓峰
（江南大学电子工程系轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡 214122）

摘 要：为提高无线传感网络系统的备份和容灾能力，基于USB 2.0设计了一种用于无线传感器网络的数据汇集存储节点。以USB控制器芯片CY7C68013A为核心，利用ZigBee数据传输模块采集应用场合的实际数据，将感知数据存储到大容量存储单元，实现无线数据在汇聚节点中的存储。以文件系统格式管理数据，提高数据可视化程度，方便进一步处理。测试结果表明，该系统数据采集稳定，显示良好，具有较好的实际应用价值。

关键词：无线传感器网络；USB 2.0；ZigBee；CY7C68013A；存储系统

1　引言

无线传感器网络（WSN）部署环境的复杂性、节点能量的有限性、节点堵塞及动态变化的网络拓扑都可能造成感知数据的丢失。现实中很多场合需要在网络节点中进行数据存储，如容灾数据备份及无人值守场合应用等[1]。

对于网络节点堵塞引起的网络服务质量下降和生命周期缩短问题，在多对一的传输方式下分析其原因可知：当节点数据包接收速度大于发送速度时造成缓冲区溢出，使节点不得不抛弃某些数据包[2]。因而，节点的存储容量问题尤为突出。对于感知数据如何有效存储在网络中，一种基于分簇的WSN数据存储管理系统给出了解决方案，该存储方案相对于集中式存储和本地存储，在节省能量和查询速度上都有一定的提高，但受到信息收集节点能量、存储空间等资源的限制[3]。针对不同的场合，可以考虑不同的存储策略，但前提是存储资源不受限。

传统WSN常用来监测一些简单的信息，如温湿度、光照强度、振动、压力等[4]。随着传感网络技术的发展和广泛应用，WSN与多媒体等技术综合，无线多媒体传感网络应运而生。与传统无线网络节点相比，无线多媒体传感网节点需要更强的存储能力来存储多媒体信息[5]。因此，如何在重要节点集成海量数据存储单元非常重要。

ZigBee是一种短距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技术。在传统的ZigBee传感器网络应用中，汇聚节点采集子节点数据后，大多通过传感芯片的UART接口[6～8]将数据传输到上位机。由于串行接口逐步退出了PC的主流配置，给实际应用带来了诸多不便。如何通过高速接口将感知数据快速上传到上位机，是一个非常重要的问题。

针对上述问题，本文以ZigBee技术为基础，提出了一种基于USB 2.0的WSN数据汇集存储节点的设计方案。根据实际应用需求，汇集存储节点组建不同拓扑结构的传感网络，管理接入网络的子节点，采集存储子节点的数据，并以FAT文件系统格式管理感知数据，使其与上位机通信时能以文件形式直观显示。

2　节点工作原理

为适应应用需求，方便系统扩展，系统硬件采用模块化设计思想。节点结构示意图如图1所示，汇集存储节点主要由ZigBee数据传输模块、USB接口芯片、存储芯片、电源供应模块等组成。节点按主要功能划分为ZigBee数据传输模块和存储模块。数据传输模块负责组建与维护网络，解析控制中心的命令并完成相应处理。另外，数据转换模块还负责处理ZigBee网络协议，将采集的数据转换成串口数据。当汇集存储节点接入传感网络时，节点存储模块负责接收数据传输模块的数据，并处理文件格式，存储数据。当节点脱离传感网络接入上位机时，节点可作为U盘显示数据。

3　 硬件设计

3.1USB控制器

由于节点能量有限，低功耗一直是WSN研究的热点[9～10]。汇聚存储节点是整个网络的核心，相对于终端节点，其工作时间更长，能耗更大，功耗成为决定网络质量和生命周期的主要因素。

图1 节点结构示意图

传统WSN节点的处理能力在一定程度上限制了无线网络技术的应用，为满足网络应用中处理能力的要求，提高汇集存储节点与上位机通信时数据传输的速率，经比较，选取Cypress公司的CY7C68013A作为核心芯片。该芯片是一款高集成、超低功耗的USB接口芯片，芯片内部集成的USB收发器和串行接口引擎（SIE）降低了开发难度。数据采集时，USB收发器与SIE不处于工作状态；当上位机读取数据时，USB接口由数据线供电。因而，USB收发器与SIE在节点功耗上影响不大。与一般处理器与外设连接需添置接口电路相比，通用可编程接口（GPIF）可实现与外部接口的无缝连接，减少硬件成本，降低功耗。另外，芯片可自动生成ECC码，协助软件完成校验与纠错工作，在不加重处理器工作负荷的基础上提高了数据的正确性。

3.2ZigBee数据传输模块

在传统WSN应用中，功耗主要集中在无线通信模块方面。经考虑，选用顺舟科技SZ05系列ZigBee嵌入式无线数据传输模块。该模块由无线通信芯片、数据处理芯片等组成，工作电流达mA级，节电模式与睡眠模式的工作电流在μA级，满足大多数应用场合。该模块使用2.4 GHz频段，提供组织、维护和管理网络的功能，可配置网络拓扑、网络ID等信息，能实现无线ZigBee与串行接口的转换。模块直接由电池提供5 V的工作电压，只需外接天线等少量元件就可工作。接口采用标准2.54双排插针，由插座或接线座连接到存储单元，即可通过TX2、RX2端口实现全双工通信。

3.3存储芯片

为保护数据完整，保证存储系统具有较长的生命周期，以大容量、低功耗、非易失性作为选择存储器的基本要求。现在较流行的NAND FLASH芯片，在这些性能上有较大的提高，因而选取NAND FLASH芯片作为存储芯片，核心芯片和存储芯片的电路连接图如图2所示。

图2 电路连接图

CY7C68013A芯片通过GPIF接口与存储芯片连接，端口B作为低8位FIFO数据线传输地址、数据和命令信号；端口A发送地址和命令锁存信号；端口D提供片选信号；控制输出(CTL)引脚发送使能读、使能写信号；内部准备好(RDY)引脚接收返回的FLASH内部状态。数据存入FLASH的过程中，如果FLASH总处于工作状态，节点的功耗较大。68013A芯片内部集成4 kB FIFO作为缓冲区，减少了FLASH工作时间，降低了存储功耗。

4　软件设计

4.1软件总体方案

无线数据传输模块在处理子节点的加入请求后，按时接收子节点传输的感知数据，并转换给存储单元处理。本文的软件设计主要集中于数据存储部分，存储系统的软件设计主要分为感知数据实时存储的设计、上位机与存储单元的数据传输的设计。前者作为处理串口数据的控制器，负责完成具体的FAT文件系统格式的转换；后者以处理USB标准协议的框架为基础，主要添置解析子类协议和处理存储芯片具体操作的函数。为保证汇集存储节点数据的安全性，上位机与存储单元的数据传输程序由用户自行下载，程序下载由Cypress公司提供的控制面板即可完成。

4.2感知数据实时存储的设计

核心芯片硬件配置、中断使能、存储芯片参数获取、文件建立等主要在程序初始化阶段完成，而串口采集的数据由中断处理程序写入文件。为提高程序的可移植性，文件系统格式的处理程序采用层次化设计思想，分为底层、中间层、最上层三个层次。底层直接与硬件接触，负责处理基本FLASH命令操作；中间层承上启下，是不同FAT文件系统管理原则的重要体现，主要包括逻辑地址转换模块、寻找未使用簇模块、修改簇链模块等；最上层为文件的建立与写入。

4.2.1 初始化程序

硬件配置和文件系统参数获取主要在初始化程序中完成，芯片工作频率根据节点的应用场合设定。FIFO读和单字节写波形描述符被加载到GPIF寄存器中，FIFO读波形用于读取FLASH中一连串的数据，单字节写波形用于发送FLASH操作的命令。串口设置为8位数据位、1起始位和1停止位，波特率设为9600 bps。最后，初始化程序按FAT文件系统的管理原则完成文件的建立，文件建立流程如图3所示。根据每扇区字节数、每簇扇区数、保留扇区数等参数计算出FAT表、根目录区的起始地址。文件的建立归结于文件名的建立与文件空间的开辟，在FAT表中寻找未使用簇作为文件的起始地址，在根目录区写入文件的目录项。目录项主要描述文件属性，包括文件名、文件创建时间、文件大小、文件起始簇号等，其中，文件名采用短文件名格式。

4.2.2 中断处理程序

初始化完成后，处理器处于休眠状态，等待串口中断，中断处理程序如图4所示。触发中断后，中断处理程序按照应用需求采集数据暂存入缓冲区，并清除串口标志，进入休眠。当缓冲区写满后，将缓冲数据存入文件空间。文件写满一簇后，为文件开辟新的簇空间，刷新FAT表簇链，并修改文件大小。

图3 文件建立流程图

图4 中断处理程序流程图

4.3上位机与存储单元的数据传输设计

汇集存储节点作为海量存储类设备，另需解析上位机的子类协议命令，返回存储数据和执行状态，软件设计流程如图5所示。软件设计采用层次化结构：上层获取与上位机通信的数据包，包括硬件初始化模块、等待CBW模块、中断处理模块，设备描述符等；解析CBW指令由中间层负责，并根据底层结果返回CSW状态字，主要是SCSI命令解析模块；底层作为与硬件的接口，处理具体的FLASH操作，包括逻辑地址-物理地址转换模块、ECC校验模块、获得空闲块模块、读写命令发送模块等。

图5 设备与上位机数据传输设计流程图

5　节点功能验证

完成设计后，对汇集存储节点采集存储数据的功能进行检测。为验证数据的正确性及测试存储系统的承受能力和稳定性，以串口调试工具作为数据输入端，间断地发送不定量的数据，反复多次，比较文件数据与输入数据。

此处选取其中一次实验数据作比较。串口输入数据每次发送约70个字符给存储单元，串口输入数据如图6所示。间隔1000 ms自动发送，结束后检测文件数据，文件名显示如图7所示，文件数据显示如图8所示。已标记了其中一组完整数据，经验证，每组数据没有丢失，发送数据总字节正确，数据检测无错误。

图7 文件名显示图

图8 文件数据显示图

6　结束语

以CY7C68013A芯片为核心，设计了一种基于USB的WSN汇集存储节点，可解决由于环境复杂、节点能量有限及网络拓扑动态变化等造成的感知数据丢失问题，实现在容灾数据备份、数据无需无线实时回传、无人值守场合等应用环境下感知数据的网络存储。测试结果表明，该节点能实时接受感知数据并完成数据正确有序的存储，提高了数据的可视化程度，方便数据的后续处理，具有良好的实用价值。

参考文献：

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[3] 马礼，唐长茂. 一种基于分簇的无线传感器网络数据存储管理系统[J]. 计算机研究与发展，2011，48：89-93.

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王亚军（1993—），男，江苏泰州人，学士，研究方向为数字电路系统设计；

虞致国（1979—），男，副教授，博士，主要研究领域为专用集成电路与物联网系统设计。FPGA实现[J]. 现代雷达，2011，12(12).

[2] 郑东卫，陈矛，罗丁利. VPX总线的技术规范及应用[J].火控雷达技术，2009，l2(4).

[3] Xilinx. UG247, LogiCORE IP Serial Rapid IO V5.6 Getting Started Guide[S]. United States: Xilinx 2011.

[4] Xilinx. UG503, LogiCORE IP Serial Rapid IO V5.6 User’S Guide[S]. United States: Xilinx 2011.

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

中图分类号：TN919

文献标识码:A

文章编号：1681-1070（2015）10-0039-05

收稿日期：2015-3-17

*基金项目：江苏省自然科学基金（BK20130156）；江苏省六大人才高峰资助项目（DZXX-027）；无锡市物联网发展资金项目（0414-B011601-140016-PB)

作者简介:

苟欢敏（1985—），女，陕西西安人，硕士，2010年毕业于南京航空航天大学，现就职于中国电子科技集团公司第58研究所，主要从事模块电路的设计研究。