聲無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)高速存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)*

劉泳銳，劉文怡，張彥軍

(中北大學(xué)，電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)是一種全新的信息獲取平臺(tái)，是傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)等多種技術(shù)的融合，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)各種被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜范圍內(nèi)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)與跟蹤，具有快速展開(kāi)，隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景［1］。隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)量的不斷增大，在節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)越來(lái)越重要。本文針對(duì)聲音目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，完成了聲無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一種交錯(cuò)雙平面高速存儲(chǔ)技術(shù)在節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用。

1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由大量廉價(jià)且具有傳感采集、數(shù)據(jù)處理、無(wú)線通信、能量供給等模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。其中各節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的，成本低，靜態(tài)不移動(dòng)，隨意散布在要監(jiān)測(cè)的區(qū)域，同時(shí)有足夠能量保證正常工作。一個(gè)典型的無(wú)線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括聲音傳感器節(jié)點(diǎn)(Sensor節(jié)點(diǎn))、匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink節(jié)點(diǎn))以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理節(jié)點(diǎn)等。聲傳感器節(jié)點(diǎn)被隨意的散布在監(jiān)控區(qū)域以實(shí)現(xiàn)聲音采集，數(shù)據(jù)預(yù)處理，并能夠與匯聚節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)自組織、多跳、無(wú)線的網(wǎng)絡(luò)。匯聚節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的處理中心節(jié)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力、以及穩(wěn)定充足的電源，但一般沒(méi)有感知能力。該節(jié)點(diǎn)向監(jiān)控管理節(jié)點(diǎn)上傳各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并向各個(gè)節(jié)點(diǎn)下發(fā)控制命令。監(jiān)控管理節(jié)點(diǎn)一般由普通的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，通過(guò)與匯聚節(jié)點(diǎn)通信來(lái)監(jiān)控、管理目標(biāo)對(duì)象的狀態(tài)變化情況，從而對(duì)整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息融合，得到整個(gè)監(jiān)控區(qū)域的信息狀態(tài)［2-3］。

圖1 典型多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般由傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊、電源供給模塊組成，如圖2所示。傳感器模塊完成對(duì)監(jiān)控區(qū)域的目標(biāo)信息采集，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)提供給處理模塊，本節(jié)點(diǎn)中針對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)處理模塊完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理，信息識(shí)別和存儲(chǔ)功能。通信模塊完成節(jié)點(diǎn)間的信息交換。電源供給模塊為整個(gè)節(jié)點(diǎn)提供能量保證，由于節(jié)點(diǎn)使用環(huán)境的限制，要求電源能提供高效穩(wěn)定的能量。本次設(shè)計(jì)中要求對(duì)數(shù)據(jù)處理的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)以便為試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供保證，所以對(duì)FLASH的存儲(chǔ)操作至關(guān)重要。

圖2 聲無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

3 高速存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 高速存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中，對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，由于數(shù)據(jù)量較大和通信速率的限制，節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)、與鄰近節(jié)點(diǎn)交換的數(shù)據(jù)需要在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行保存，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和傳輸速率的匹配，并為后續(xù)試驗(yàn)分析提供數(shù)據(jù)保證。因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)顯得尤為重要，本設(shè)計(jì)中在傳感器節(jié)點(diǎn)上配置了一塊非易失性NAND型FLASH存儲(chǔ)模塊。

FLASH是基于頁(yè)編程、塊擦除的，進(jìn)行讀、寫、擦除都需要一定的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)FLASH芯片內(nèi)的被操作的Plane不能進(jìn)行其他響應(yīng)，這個(gè)等待時(shí)間會(huì)影響數(shù)據(jù)的記錄速度［4］。本文選用三星公司的K9WBG08U1M芯片，為了提高數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)速度，采用交錯(cuò)雙平面頁(yè)編程方式進(jìn)行操作，其主要工作思想是流水線操作。

3.2 流水線操作模式

流水線技術(shù)可以提高系統(tǒng)頻率，通常用在高速信號(hào)處理領(lǐng)域，如果整個(gè)設(shè)計(jì)是單向的并且可以分為若干個(gè)步驟進(jìn)行處理，就可以用流水線技術(shù)提高系統(tǒng)工作頻率［5-6］。主要方式是將一個(gè)整體過(guò)程從等待時(shí)間分開(kāi)形成一個(gè)步驟，在等待時(shí)，執(zhí)行下一個(gè)過(guò)程中的一個(gè)步驟。這樣可以利用等待時(shí)間進(jìn)行操作，提高器件的工作速度，如圖3所示。

圖3 多級(jí)流水線操作示意圖

FLASH的流水線操作是利用芯片在進(jìn)行一頁(yè)編程的典型時(shí)間進(jìn)行下一個(gè)Plane的頁(yè)操作，實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的復(fù)用。頁(yè)編程分為數(shù)據(jù)寫入寄存器和內(nèi)部自動(dòng)編程兩個(gè)過(guò)程。數(shù)據(jù)寫入寄存器過(guò)程可以分為發(fā)送編程命令、地址、數(shù)據(jù)。在完成寫入寄存器過(guò)程后，芯片進(jìn)入內(nèi)部自動(dòng)編程過(guò)程。在此期間立刻對(duì)另一個(gè)Plane進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入寄存器操作。以此類推，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的流水線寫入操作。

3.3 交錯(cuò)雙平面操作

本次采用的4 Gbyte K9WBG08U1M芯片，它是由兩片2 Gbyte的 K9WAG08U0M(分別為 chip1和chip2)組成的。本設(shè)計(jì)利用交錯(cuò)雙平面頁(yè)編程(Interleave Two-Plane Page Program)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)2 Gbyte K9WAG08U0M之間交錯(cuò)寫入數(shù)據(jù)。每個(gè)K9WAG08U0M內(nèi)部可以劃分為4個(gè)存儲(chǔ)平面(Plane)，每個(gè)平面包含2 048個(gè)塊和4224 byte的頁(yè)寄存器，并且每個(gè)Plane可以進(jìn)行單獨(dú)的頁(yè)編程和塊擦除操作［7］。進(jìn)行雙平面操作時(shí)，必須將Plane0和Plane1分為一組(記為1組)，Plane2和Plane3分為一組(記為2組)。只能同時(shí)對(duì)每一組里的兩個(gè)Plane進(jìn)行操作，如圖4所示。不能交叉，如果同時(shí)對(duì)Plane0和Plane3、Plane1和Plane2操作是不正確的。

在進(jìn)行交錯(cuò)雙平面編程的時(shí)候，首先使能CE1，即選中chip1。對(duì)chip1中的1組進(jìn)行雙平面寫入操作時(shí)，1組的每一次操作都將完成Plane0和Plane1中兩個(gè)對(duì)稱塊上同一位置的一頁(yè)寫入操作(包括命令字、地址、數(shù)據(jù))，之后等待200μs的自動(dòng)編程忙狀態(tài)。這時(shí)對(duì)2組進(jìn)行寫入操作，其過(guò)程與對(duì)1組操作一樣，之后等待200 μs。這時(shí)控制端使能CE2，即選中chip2，對(duì)chip2中的1組和2組進(jìn)行操作，其過(guò)程與chip1中的操作一樣，如圖5所示。交錯(cuò)雙平面頁(yè)編程與普通的FLASH頁(yè)編程(Page Program Operation)比較可知，普通的頁(yè)編程在寫入一頁(yè)數(shù)據(jù)后要等待200 μs的頁(yè)編程時(shí)間;而使用交錯(cuò)雙平面頁(yè)編程時(shí)，是在寫入兩頁(yè)后才有一次真正的200 μs的頁(yè)編程時(shí)間，節(jié)省了一次頁(yè)編程時(shí)間，交錯(cuò)雙平面頁(yè)編程操作流程如圖6所示。

圖4 K9WBG08U1M型內(nèi)部陣列結(jié)構(gòu)圖

圖5 交錯(cuò)雙平面頁(yè)編程寫操作原理圖

圖6 FLASH交錯(cuò)雙平面頁(yè)編程操作流程圖

采用交錯(cuò)雙平面操作，其寫入速度的理論極限值為40 Mbyte/s。假設(shè)數(shù)據(jù)以40 Mbyte/s的速度寫入，完成第一組某塊的一頁(yè)寄存器操作后，該組將進(jìn)入200μs的等待時(shí)間，此時(shí)依次對(duì)chip1中的2組、chip2中的1組、chip2中的2組進(jìn)行寫入操作［8］。整個(gè)寫入時(shí)間為:

6 ×4 096 byte/40 Mbyte/s=585.9 μs＞200 μs

由此可見(jiàn)，在第四個(gè)組完成寫入寄存器操作后，第一個(gè)組的等待時(shí)間已經(jīng)結(jié)束，可以繼續(xù)從第一組開(kāi)始寫入。整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有等待時(shí)間。由于極限速度是40 Mbyte/s，本設(shè)計(jì)為了增加冗余，F(xiàn)PGA控制器對(duì)FLASH以30 Mbyte/s的速度進(jìn)行寫入操作。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)，在對(duì)節(jié)點(diǎn)的FLASH完成無(wú)效塊檢測(cè)后，采用30 Mbyte/s的速度對(duì)FLASH進(jìn)行交錯(cuò)雙平面寫入操作。寫入操作上位機(jī)截圖如圖7所示。最后將存入FLASH中的數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA經(jīng)由USB控制芯片(CY7C68013)讀取到上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖7 上位機(jī)寫入操作

使用遞增數(shù)對(duì)FLASH進(jìn)行寫入操作，遞增數(shù)的數(shù)據(jù)格式為:大幀=96×小幀(250 byte)，小幀格式為:遞增數(shù)(00-F6)、1位幀計(jì)數(shù)(從00開(kāi)始)和小幀幀標(biāo)志(EB 90);大幀格式為:當(dāng)記到96個(gè)小幀時(shí)，寫3位幀計(jì)數(shù)(從00 00 00開(kāi)始)和大幀幀標(biāo)志(14 6F)。圖8為上位機(jī)讀取的遞增數(shù)。

圖8 上位機(jī)讀取的遞增數(shù)

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)對(duì)聲音無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用交錯(cuò)雙平面頁(yè)編程操作實(shí)現(xiàn)了對(duì)FLASH的高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。有效地保證了節(jié)點(diǎn)因數(shù)據(jù)量大和傳輸速率受限而引起的數(shù)據(jù)不能及時(shí)處理和交互的問(wèn)題。通過(guò)試驗(yàn)表明，該存儲(chǔ)方式穩(wěn)定、可靠，為整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的正常工作和后續(xù)分析提供了有力的保障。

［1］趙海，趙杰，劉錚，等.一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，30(6):809-812.

［2］佟吉鋼，張振新，陳增強(qiáng)，等.基于FPGA的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，22(3):417-421.

［3］梁小滿，馬行坡.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)研究進(jìn)展［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2009，26(2):439-443.

［4］陸浩，王振占.高速大容量固態(tài)存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2011，37(15):226-231.

［5］吳萌，劉波.高速、大容量視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2009，32(3):638-642.

［6］李超，王虹現(xiàn)，邢孟道，等.高速大容量FLASH存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2007，36(1):83-88.

［7］Samsung Electronics K9XXG08XXM Data Sheet［EB/OL］.http://www.samsung.com，2006，12.

［8］趙海艦，甘萌.嵌入式系統(tǒng)中的FLASH編程技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2005，26(11):3006-3009.