WSN节点扩展存储电路及数据的融合处理

雷 斌,亓 琪（西安工业大学，陕西西安，710021）

WSN节点扩展存储电路及数据的融合处理

雷 斌,亓 琪
（西安工业大学，陕西西安，710021）

为了解决野外监测系统的节点设备无数据存储功能这一问题，设计了一种支持I2C总线的存储电路方案，并对数据的读写和融合处理问题进行了研究。

监测系统；存储电路；I2C总线；数据融合

1 无线传感器网络(WSN)野外监测系统存在问题

基于无线传感器网络(WSN)野外监测系统以CC2530为核心，充分利用了ZigBee网络多跳自组网的特点，非常适用于青藏铁路北麓河路堑段方圆2平方公里内落差十余米的40余点冻土地温的监测。系统是由终端节点，路由节点和分中心组成。在该监测系统中，终端和路由节点中都没有存储功能，而在整个监测系统工作过程中能耗最大的地方主要是在无线通信过程中，若终端节点或路由节点的每次采集数据都要上报分中心存储，且又要求采集数据的频率较高的话，会使整个系统的工作寿命大大缩减。并且某些节点可能会因为入网不成功导致丢失数据影响监测的质量。

基于以上问题，为了要满足一定频率的观测数据量，又不会影响整个系统的工作寿命，并且保证数据的完整性，给具有采集功能的终端节点和路由节点设计扩展存储电路是比较合适的解决方法。

2 节点存储电路硬件设计

2.1 存储芯片选型

根据系统在现场的实际测试数据，每个节点每次采集的数据量的大小在1kB以内，如果在保持每天1～2次的采集频率下至少保存一年的数据，则选择具有1024kB存储能力的存储芯片就可满足。Microchip公司的24LC1025串行EEPROM芯片支持I2C总线，具有功耗低、可百万次擦写、工作电压范围宽、最低工作温度可到-40℃的特点，满足存储要求及工作环境，故选取其作为所要设计的节点扩展存储芯片。

2.2 存储电路设计

在这个存储电路中，主器件用的是CC2530，是TI公司最新一代ZigBee 芯片，它能够建立强大的网络。CC2530集成了业界领先的RF收发器、增强工业标准的8051MCU，十分适合需要超低功率消耗的系统。

主从器件通过I2C总线相连，为完成存储芯片地址寻址，连接在总线上的存储芯片都通过硬件线路连接方式确定一个唯一的地址编码，并使其与软件相对应，具体设计方式是，芯片使能管脚A2置高位，在此只需用到一片24LC1025芯片，因此只要置地址编码管脚A1，A0都为高即可。选择主器件CC2530的P01和P07分别作为I2C-SDA和I2C-SCL。

3 存储芯片的读写程序设计

主器件CC2530通过I2C总线与存储芯片24LC1025进行通信，完成数据的读取与存储等功能。进行读写操作时，需要解决地址寻址、读写操作时序和I2C总线控制等问题。

3.1 存储芯片的地址寻址

存储芯片的地址寻址是主器件对存储芯片进行数据读写操作的关键，可利用24LC1025存储芯片的地址与读写控制命令字来操作。

24LC1025芯片的地址与读写命令字为8位，前4位是“1010”为固定，后边3位分别为页选择位B0，片选位A1和A0，最后1位是读写状态位。24LC1025芯片内部分为大小各为512kB的2页，分别是用B0为“0”或“1”来表示。芯片片选位A1、A0与芯片的硬件地址编码引脚A1、A0相对应。读写状态位R/W为“1”时表示读操作，为“0”表示写操作。

3.2 存储芯片读写操作

CC2530和24LC1025通过I2C总线进行数据通信，需配合好传输信号的时序。I2C总线的SCL时钟线用来控制CC2530与24LC1025之间的时钟同步，SDA数据线用来传输控制、应答和数据等信号。当CC2530对24LC1025进行读写操作时，SDA数据线上信号的传输必须满足一定的操作时序。

24LC1025存储芯片有写字节和写页面2种写操作方式，有当前地址读、随机读和顺序读3种读操作方式。

4 数据的融合处理

数据融合是针对由多个同类或多类传感器所获取的信息进行多层次和多方面的、符合一定优化准则的综合处理，从而产生新的信息，而这种新信息是任意单一传感器所无法获得的。这里要研究的是设备采集经过解析后的地温数据，应用相关的融合方法这些数据进行综合处理，以期望得到除地温空间分布之外的更多信息。

4.1 热传导的基本概念

物体或者系统内各点之间温度差的存在是发生热传导的必要条件。由热传导引起的传热速率是由物体内温度的分布情况所决定的。

温度场是某一瞬间物体或者系统内部各点温度分布的总和。其一般性规律的微分方程为：称导热微分方程，可简记作即一点的温度是时间和空间的函数。

温度梯度:等温面是指温度场中同一时间温度相同的各点组成的面，不同面不会相交。

△t—两面间的温差 △n—两面间的垂直距离

温度梯度有大小有方向，所以为矢量，方向指向正法线方向，即温度增加的方向。

傅立叶定律是法国数学家Fourier在1822年对导热数据和实践经验的提炼，对导热规律总结得出的。即就是通过等温面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比：

其适用于任何导热的情况, dQ单位为W。“-”表示导热的方向总是和温度梯度的方向相反，“λ”为比例系数也叫导热系数，数值等于在单位温度梯度下，单位导热面积上的导热速率。它表征物质导热能力的大小，是其物理性质之一，λ通常用实验测定。

4.2 空间温度数据拟合

根据上述的傅里叶定律，要知道某一温度场中介质的导热情况，除了要知道介质材料的热传导系数之外，还得知道此温度场的函数，即就是某点的温度和时间空间的函数，因此如何从得到的信息中得出温度场的函数模型是分析数据的关键。

根据一个采集点的一次测量数据，在坐标轴上表示如下，其表示的是温度与深度的关系:

采用最小二乘拟合，对一个采集点确定一个拟合阶数，对其多次采集数据进行各阶拟合，通过对其平方误差的分析可得到2、3阶的平方误差较大，5、6、7阶平方误差具有一定的相似性。6、7阶平方误差更小且相差不大，因此可以根据数据的相似性来确定拟合阶数为6阶。

5 结论

本文研究了基于24LC1025存储芯片的存储扩展设计，存储容量达到1MB，具有结构简单、精度高、功耗低、存储容量大等优点，给出了存储器的结构设计，讨论了存储器的地址寻址和读写操作原理。采用该存储器的数据采集节点可满足数据存储和现场工作环境的要求，这种设计方法也可应用于其他野外数据采集仪器。并对数据的融合处理进行了研究，通过合适的融合算法处理数据可以得到更多的信息，能更加全面的了解监测现场的情况。

[1] 张琦，江跃龙，汤楠.基于24LC1025芯片的存储器阵列设计[J].西安石油大学学报（自然科学版），2009,24(6):80-90.

[2] 李志民，李士宁，赵玉华，等.无线传感器网络感知节点的I2C设备驱动设计与实现[J].计算机测量与控制，2010.18(3):727-730.

[3] 陈志辉.I2C总线在MCS51系列单片机数据采集系统中的实现[J].微计算机信息，2005.21(1):67-68.

[4] 许维珍.热传导中应用数学建模的探讨[J].赤峰学院学报（自然科学版），2008.24(4):26-29.

雷斌，男，陕西省西安市人，副教授，硕士生导师，电子信息工程学院信息与通信工程系主任。

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