網(wǎng)絡(luò )化的智能傳感器

什么是智能傳感器

一般來(lái)說(shuō) ，智能傳感器是能夠實(shí)現對傳感器的原始數據進(jìn)行加工處理，而并非 僅 僅 是 將 模 擬 信 號 轉 換 為 數 字 信 號 。根 據 EDC（Electronic Development  Corporation）的定 義 ，智能傳感器應具備如下的特征：

• 可以根據輸入信號值進(jìn)行判斷和制定決策
• 可以通過(guò)軟件控制作出多種的決定
• 可以與外部進(jìn)行信息交換 ，有 輸入輸出接口
• 具有自檢測 、自 修正和自保護功能

 所謂的智能傳感器并非是簡(jiǎn)單的單片機嵌入傳感器中將模擬信號轉換為數字信號，其實(shí)際所包括的內容要廣泛得多。從智能傳感器的概念產(chǎn)生和發(fā)展歷史來(lái)看， 其經(jīng)歷了一個(gè)內涵不斷豐富的過(guò)程。 即使是傳統意義上的智能傳感器也并不具備這種功能。正如上面所提到的 ，在80年代 ，將信號處理電 路（濾 波 、放 大 、調 零 ）與 傳 感 器 設 計 在 一 起 ，輸 出0~5V電壓或4~20mA電流，這樣的傳感器即為當時(shí)意義上 的“ 智能傳感器 ”；在80年代末期到90年代中后期，隨著(zhù)單片機技術(shù)的發(fā)展 ，將單片微處理器嵌入傳感器中實(shí)現溫度補償 、修正 、校準，同 時(shí)A/D變換器直接將原來(lái)的模擬信號轉換為數字信號 ，這樣一來(lái)將“ 智能傳感器” 所包含的含義推進(jìn)了一步。這種類(lèi)型的傳感器在設計方法上已開(kāi)始有所轉變，不再象以前是簡(jiǎn)單的硬件構成 ，需要通過(guò)軟件對信號進(jìn)行簡(jiǎn)單處理 ，相應輸出的信號是數字信號；自“現場(chǎng)總線(xiàn) ”概念提出以后，基于現場(chǎng)總線(xiàn)的測量控制系統得到了廣泛的應用， 相應對傳感器的設計又提出了新的要求。從發(fā)展的角度看，未來(lái)單個(gè)傳感器獨立使用的場(chǎng)合將越來(lái)越少 ，更多的是多傳感器系統的應用以實(shí)現多參數的測量和多對象的控制。測量和控制信息的交換在底層主要是通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)完成。數據交換主要是通過(guò)Internet等網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現。為 了 滿(mǎn) 足 這 種 多 傳 感 器 之 間 的 信 息 交換 ，傳感器設計上軟件占主要的地位，通過(guò)軟件將傳感器內部各個(gè)敏感單元或與外部的智能傳感器單元聯(lián)系在一起。軟件對象不再是以前的單個(gè)對象，而是整個(gè)系統 ，其輸出的數字信號是符合某種協(xié)議格式的。從而可以實(shí)現傳感器與傳感器之間 、傳感器與執行器之間、傳 感器與系統之間的數據交換和共享。因此智能網(wǎng)絡(luò )化是傳感器的未來(lái)發(fā)展方向。 智能網(wǎng)絡(luò )化傳感器及其系統的結構 從原理結構上看來(lái)，智能傳感器結構可以用下圖所示框圖來(lái)表示。

例如上圖所示的靈敏度、零點(diǎn)漂移 、標定等 ，即使是單物理量測量傳感器，也必須有標準的接口獲取所 ，加 上輸出顯示單元 ，這種單智能傳感器系統已經(jīng)涵蓋了傳統的儀表概念。

基于分布式智能傳感器的測量控制系統是由一定的網(wǎng)絡(luò )將各個(gè)控制節點(diǎn) 、傳 感器節點(diǎn)及中央控制單元共同構成。其中傳感器節點(diǎn)是用來(lái)實(shí)現參數測量并將數據傳送給網(wǎng)絡(luò )中的其他節點(diǎn)；控制節點(diǎn)是根需要的信息（如溫度 、濕度等）以實(shí)現對被測物理量的標定和校準。在很多場(chǎng)合下?lián)枰獜木W(wǎng)絡(luò )中獲取所需要 的數據并根據這些數據制訂相應的控制方法和執行控制輸出。在整個(gè)系統中 ，每個(gè)傳感器節點(diǎn)和控制節點(diǎn)是相互獨立且能夠自治 ?？刂乒濣c(diǎn)和傳感器節 點(diǎn)的數目可多可少，根據要求而定 。網(wǎng)絡(luò )的選擇可以是傳感器總線(xiàn) 、現場(chǎng)總線(xiàn)，也可以是企業(yè)內部的Ethernet，也可以直接是 Internet。一個(gè)智能傳感 器節點(diǎn)是由三部分構 成：傳統意義上的傳感器 、網(wǎng)絡(luò )接口和處理單元。根 據不同的要求，這三個(gè)部分可以是采用不同芯片共同組成合成式的 ，也可以是單片式的 。首先傳感器將被測量物理量轉換為電信號，通過(guò)A/D轉化為數字信號，經(jīng)過(guò)微處理器的數據處理（濾波 、校準）后將結果傳送給網(wǎng)絡(luò )，與 網(wǎng)絡(luò )的數據交換有網(wǎng)絡(luò )接口模塊完成。

控制節點(diǎn)由微處理器、網(wǎng)絡(luò )接口及人機接口的輸入輸出設備組成。用來(lái)收集傳感器節點(diǎn)所發(fā)送來(lái)的信息，并反饋給用戶(hù)和輸出到執行器，以實(shí)現一定的輸出。將所有的傳感器連接在一個(gè)公共的網(wǎng)絡(luò )上。為保證所有的傳感器節點(diǎn)和控制節點(diǎn)能夠實(shí)現即插即用，必須保證網(wǎng)絡(luò )中所有的節點(diǎn)能夠滿(mǎn)足共同的協(xié)議 。無(wú)論是硬件還是軟件都必須滿(mǎn)足一定的要求 ，只 要符合協(xié)議標準的節點(diǎn)都能夠接入系統。因 此為了保證這種即插即用的功能 ，智能傳感器的節點(diǎn)內部必須包含微處理芯片和存儲器 。一方面用來(lái)存儲傳感器的物理特征：偏移 、靈敏度 、校準參數 ，甚至傳感器的廠(chǎng)家信息（維護等）， 另一方面用來(lái)實(shí)現數據的處理和補償，以及輸出校準 。由于這些功能的實(shí)現是在每個(gè)傳感器內部完成 ，相應的內部參數在傳感器出廠(chǎng)的時(shí)候已經(jīng)寫(xiě)入內部寄存器中固定的單元，因此在更換和增加新的節點(diǎn)時(shí)候 ，無(wú)須對傳感器進(jìn)行標定 、校準。

在很多的情況下，微處理器需要根據實(shí)際的需要對傳感器的輸入進(jìn)行處理和變換。設計方法和智能傳感器的研究領(lǐng)域 智能傳感器系統的實(shí)現是在傳感器技術(shù)、計算機技術(shù) 、信號處理 、網(wǎng)絡(luò )控制等技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的 ，并隨這些技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展 ，但不是這些技術(shù) 的簡(jiǎn)單合成。無(wú)論是微處理器還是網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，都不是原來(lái)一般技術(shù)的簡(jiǎn)單合成 ，下面針對網(wǎng)絡(luò )化傳感器系統所涉及的一些問(wèn)題進(jìn)行分析。

其次，信號處理方法。在網(wǎng)絡(luò )化使用環(huán)境中，即插即用是對網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)設備最基本的要求。但是由于每個(gè)被測物理量通過(guò)傳感器時(shí)輸入輸出的關(guān)系是不定的，有些是線(xiàn)性的，但更多的是非線(xiàn)性的 ，必須保證系統能夠準確識別被測對象，一方面要能夠確定探測器信號的位置，另一方面要能夠確定傳感器輸入輸出之間的關(guān)系以及物理量（一般被測物理量和傳感器輸出物理量不一定一樣。例如電容式壓力傳感器輸入為壓力， 輸出為電容）。這類(lèi)似于傳統傳感器設計時(shí)涉及到的標定問(wèn)題，但是不完全一樣。因為一般傳感器設計中無(wú)須考慮輸入輸出物理量，僅僅只考慮它們之間的關(guān)系。

再次，需要考慮外部接口。從網(wǎng)絡(luò )化智能傳感器的應用來(lái)說(shuō)，其一般使用在 自動(dòng)化現場(chǎng)的測量控制級，相互之間需要通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)連接在一起。對于不同的應用場(chǎng)合， 現在已經(jīng)有很多不同的總線(xiàn)標準協(xié)議 。要保證所設計的傳感器完全滿(mǎn)足這些協(xié)議比較困難，這就必須考慮接口問(wèn)題。這是智能網(wǎng)絡(luò )化傳感器與普通傳感器最大的區別。

最后 ，軟件工具的開(kāi)發(fā)。由于過(guò)去傳感器完全是由硬件所組成， 因此研究 的對象主要局限在傳感機理 、材料 、結構 、工藝等物理方面。而智能傳感器的智能性則是在硬件的基礎上通過(guò)軟件實(shí)現其價(jià)值的，軟件在智能傳感器中占據了主要的成分 。而且智能化的程度是與軟件的開(kāi)發(fā)水平成正比的 ，相 信在不久的將來(lái)， 基于計算機平臺完全通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)的虛擬傳感器會(huì )有十分廣泛的應用。軟件開(kāi)發(fā)工具包括設計 、管 理和通訊管理等不同方面。目前這類(lèi)工具已經(jīng)開(kāi)始出現，一般 C，LabView，ActiVeX等工具軟件都可以完成。軟件的功能主是與軟件的開(kāi)發(fā)水平成正比的，用以實(shí)現傳感器模型建立 、標定參數建立 、最佳標定模型選擇等。盡管智能傳感器的構成方法并非在所有 的場(chǎng)合使用都是合理的 ，但是在許多的應用中 ，其相對與傳 統傳感器的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)法抗拒的。在大多數情況下 ，智能傳感器價(jià)格便宜 、使用方便 、性能優(yōu)越 、維護簡(jiǎn)單 、功能擴展容易的優(yōu)點(diǎn)是傳統的傳感器所無(wú)法比擬的 。特別是在一些應用傳感器較多的場(chǎng)合 ，無(wú)疑智能傳感器將是最為合理的選擇。

目前來(lái)說(shuō) ，考慮到投資因素，由于在過(guò)程測量控制領(lǐng)域中系統設計壽命一般都有幾十年，盡管傳統所使用的測量控制主要是模擬量傳輸的，而符合現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準的智能傳感器有很多優(yōu)點(diǎn) ，但是更換這些傳感器執行器需要花 費很多的時(shí)間和增加很大的投資，這種系統還會(huì )存在相當長(cháng)的一段時(shí)間。過(guò)去這類(lèi)系統功能的擴展比較困難 ，因此多種系統共存的局面將維持一段時(shí)間。  - END -