WSN節(jié)點擴展存儲電路及數(shù)據(jù)的融合處理

雷 斌,亓 琪（西安工業(yè)大學，陜西西安，710021）

WSN節(jié)點擴展存儲電路及數(shù)據(jù)的融合處理

雷 斌,亓 琪
（西安工業(yè)大學，陜西西安，710021）

為了解決野外監(jiān)測系統(tǒng)的節(jié)點設備無數(shù)據(jù)存儲功能這一問題，設計了一種支持I2C總線的存儲電路方案，并對數(shù)據(jù)的讀寫和融合處理問題進行了研究。

監(jiān)測系統(tǒng)；存儲電路；I2C總線；數(shù)據(jù)融合

1 無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)野外監(jiān)測系統(tǒng)存在問題

基于無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)野外監(jiān)測系統(tǒng)以CC2530為核心，充分利用了ZigBee網(wǎng)絡多跳自組網(wǎng)的特點，非常適用于青藏鐵路北麓河路塹段方圓2平方公里內(nèi)落差十余米的40余點凍土地溫的監(jiān)測。系統(tǒng)是由終端節(jié)點，路由節(jié)點和分中心組成。在該監(jiān)測系統(tǒng)中，終端和路由節(jié)點中都沒有存儲功能，而在整個監(jiān)測系統(tǒng)工作過程中能耗最大的地方主要是在無線通信過程中，若終端節(jié)點或路由節(jié)點的每次采集數(shù)據(jù)都要上報分中心存儲，且又要求采集數(shù)據(jù)的頻率較高的話，會使整個系統(tǒng)的工作壽命大大縮減。并且某些節(jié)點可能會因為入網(wǎng)不成功導致丟失數(shù)據(jù)影響監(jiān)測的質(zhì)量。

基于以上問題，為了要滿足一定頻率的觀測數(shù)據(jù)量，又不會影響整個系統(tǒng)的工作壽命，并且保證數(shù)據(jù)的完整性，給具有采集功能的終端節(jié)點和路由節(jié)點設計擴展存儲電路是比較合適的解決方法。

2 節(jié)點存儲電路硬件設計

2.1 存儲芯片選型

根據(jù)系統(tǒng)在現(xiàn)場的實際測試數(shù)據(jù)，每個節(jié)點每次采集的數(shù)據(jù)量的大小在1kB以內(nèi)，如果在保持每天1～2次的采集頻率下至少保存一年的數(shù)據(jù)，則選擇具有1024kB存儲能力的存儲芯片就可滿足。Microchip公司的24LC1025串行EEPROM芯片支持I2C總線，具有功耗低、可百萬次擦寫、工作電壓范圍寬、最低工作溫度可到-40℃的特點，滿足存儲要求及工作環(huán)境，故選取其作為所要設計的節(jié)點擴展存儲芯片。

2.2 存儲電路設計

在這個存儲電路中，主器件用的是CC2530，是TI公司最新一代ZigBee 芯片，它能夠建立強大的網(wǎng)絡。CC2530集成了業(yè)界領先的RF收發(fā)器、增強工業(yè)標準的8051MCU，十分適合需要超低功率消耗的系統(tǒng)。

主從器件通過I2C總線相連，為完成存儲芯片地址尋址，連接在總線上的存儲芯片都通過硬件線路連接方式確定一個唯一的地址編碼，并使其與軟件相對應，具體設計方式是，芯片使能管腳A2置高位，在此只需用到一片24LC1025芯片，因此只要置地址編碼管腳A1，A0都為高即可。選擇主器件CC2530的P01和P07分別作為I2C-SDA和I2C-SCL。

3 存儲芯片的讀寫程序設計

主器件CC2530通過I2C總線與存儲芯片24LC1025進行通信，完成數(shù)據(jù)的讀取與存儲等功能。進行讀寫操作時，需要解決地址尋址、讀寫操作時序和I2C總線控制等問題。

3.1 存儲芯片的地址尋址

存儲芯片的地址尋址是主器件對存儲芯片進行數(shù)據(jù)讀寫操作的關鍵，可利用24LC1025存儲芯片的地址與讀寫控制命令字來操作。

24LC1025芯片的地址與讀寫命令字為8位，前4位是“1010”為固定，后邊3位分別為頁選擇位B0，片選位A1和A0，最后1位是讀寫狀態(tài)位。24LC1025芯片內(nèi)部分為大小各為512kB的2頁，分別是用B0為“0”或“1”來表示。芯片片選位A1、A0與芯片的硬件地址編碼引腳A1、A0相對應。讀寫狀態(tài)位R/W為“1”時表示讀操作，為“0”表示寫操作。

3.2 存儲芯片讀寫操作

CC2530和24LC1025通過I2C總線進行數(shù)據(jù)通信，需配合好傳輸信號的時序。I2C總線的SCL時鐘線用來控制CC2530與24LC1025之間的時鐘同步，SDA數(shù)據(jù)線用來傳輸控制、應答和數(shù)據(jù)等信號。當CC2530對24LC1025進行讀寫操作時，SDA數(shù)據(jù)線上信號的傳輸必須滿足一定的操作時序。

24LC1025存儲芯片有寫字節(jié)和寫頁面2種寫操作方式，有當前地址讀、隨機讀和順序讀3種讀操作方式。

4 數(shù)據(jù)的融合處理

數(shù)據(jù)融合是針對由多個同類或多類傳感器所獲取的信息進行多層次和多方面的、符合一定優(yōu)化準則的綜合處理，從而產(chǎn)生新的信息，而這種新信息是任意單一傳感器所無法獲得的。這里要研究的是設備采集經(jīng)過解析后的地溫數(shù)據(jù)，應用相關的融合方法這些數(shù)據(jù)進行綜合處理，以期望得到除地溫空間分布之外的更多信息。

4.1 熱傳導的基本概念

物體或者系統(tǒng)內(nèi)各點之間溫度差的存在是發(fā)生熱傳導的必要條件。由熱傳導引起的傳熱速率是由物體內(nèi)溫度的分布情況所決定的。

溫度場是某一瞬間物體或者系統(tǒng)內(nèi)部各點溫度分布的總和。其一般性規(guī)律的微分方程為：稱導熱微分方程，可簡記作即一點的溫度是時間和空間的函數(shù)。

溫度梯度:等溫面是指溫度場中同一時間溫度相同的各點組成的面，不同面不會相交。

△t—兩面間的溫差 △n—兩面間的垂直距離

溫度梯度有大小有方向，所以為矢量，方向指向正法線方向，即溫度增加的方向。

傅立葉定律是法國數(shù)學家Fourier在1822年對導熱數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗的提煉，對導熱規(guī)律總結得出的。即就是通過等溫面的導熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比：

其適用于任何導熱的情況, dQ單位為W。“-”表示導熱的方向總是和溫度梯度的方向相反，“λ”為比例系數(shù)也叫導熱系數(shù)，數(shù)值等于在單位溫度梯度下，單位導熱面積上的導熱速率。它表征物質(zhì)導熱能力的大小，是其物理性質(zhì)之一，λ通常用實驗測定。

4.2 空間溫度數(shù)據(jù)擬合

根據(jù)上述的傅里葉定律，要知道某一溫度場中介質(zhì)的導熱情況，除了要知道介質(zhì)材料的熱傳導系數(shù)之外，還得知道此溫度場的函數(shù)，即就是某點的溫度和時間空間的函數(shù)，因此如何從得到的信息中得出溫度場的函數(shù)模型是分析數(shù)據(jù)的關鍵。

根據(jù)一個采集點的一次測量數(shù)據(jù)，在坐標軸上表示如下，其表示的是溫度與深度的關系:

采用最小二乘擬合，對一個采集點確定一個擬合階數(shù)，對其多次采集數(shù)據(jù)進行各階擬合，通過對其平方誤差的分析可得到2、3階的平方誤差較大，5、6、7階平方誤差具有一定的相似性。6、7階平方誤差更小且相差不大，因此可以根據(jù)數(shù)據(jù)的相似性來確定擬合階數(shù)為6階。

5 結論

本文研究了基于24LC1025存儲芯片的存儲擴展設計，存儲容量達到1MB，具有結構簡單、精度高、功耗低、存儲容量大等優(yōu)點，給出了存儲器的結構設計，討論了存儲器的地址尋址和讀寫操作原理。采用該存儲器的數(shù)據(jù)采集節(jié)點可滿足數(shù)據(jù)存儲和現(xiàn)場工作環(huán)境的要求，這種設計方法也可應用于其他野外數(shù)據(jù)采集儀器。并對數(shù)據(jù)的融合處理進行了研究，通過合適的融合算法處理數(shù)據(jù)可以得到更多的信息，能更加全面的了解監(jiān)測現(xiàn)場的情況。

[1] 張琦，江躍龍，湯楠.基于24LC1025芯片的存儲器陣列設計[J].西安石油大學學報（自然科學版），2009,24(6):80-90.

[2] 李志民，李士寧，趙玉華，等.無線傳感器網(wǎng)絡感知節(jié)點的I2C設備驅動設計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2010.18(3):727-730.

[3] 陳志輝.I2C總線在MCS51系列單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的實現(xiàn)[J].微計算機信息，2005.21(1):67-68.

[4] 許維珍.熱傳導中應用數(shù)學建模的探討[J].赤峰學院學報（自然科學版），2008.24(4):26-29.

雷斌，男，陜西省西安市人，副教授，碩士生導師，電子信息工程學院信息與通信工程系主任。

Extending the storage circuit for the node of WSN and researching the data fusion

Lei Bin,Qi Qi
（Xi'an Technological University,Shanxi Xi'an,710021）

To solve this problem，solution of a node design with storage circuit supporting I2C Bus is brought up，the design of storage circuit is displayed and the reading and writing operation problem is discussed. Finally the data fusion is researched.

monitoring system；storage circuit；I2C Bus；the data fusion