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?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，而并非 僅 僅 是 將 模 擬 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 為 數(shù) 字 信 號(hào) 。根 據(jù) EDC（Electronic Development  Corporation）的定 義 ，智能傳感器應(yīng)具備如下的特征：

• 可以根據(jù)輸入信號(hào)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(cè) 、自 修正和自保護(hù)功能

 所謂的智能傳感器并非是簡(jiǎn)單的單片機(jī)嵌入傳感器中將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，其實(shí)際所包括的內(nèi)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(nèi)涵不斷豐富的過(guò)程。 即使是傳統(tǒng)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(hào)處理電 路（濾 波 、放 大 、調(diào) 零 ）與 傳 感 器 設(shè) 計(jì) 在 一 起 ，輸 出0~5V電壓或4~20mA電流，這樣的傳感器即為當(dāng)時(shí)意義上 的“ 智能傳感器 ”；在80年代末期到90年代中后期，隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ，將單片微處理器嵌入傳感器中實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償 、修正 、校準(zhǔn)，同 時(shí)A/D變換器直接將原來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) ，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(shè)計(jì)方法上已開(kāi)始有所轉(zhuǎn)變，不再象以前是簡(jiǎn)單的硬件構(gòu)成 ，需要通過(guò)軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理 ，相應(yīng)輸出的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)；自“現(xiàn)場(chǎng)總線 ”概念提出以后，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的測(cè)量控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用， 相應(yīng)對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)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(dú)立使用的場(chǎng)合將越來(lái)越少 ，更多的是多傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的測(cè)量和多對(duì)象的控制。測(cè)量和控制信息的交換在底層主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)完成。數(shù)據(jù)交換主要是通過(guò)Internet等網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為 了 滿 足 這 種 多 傳 感 器 之 間 的 信 息 交換 ，傳感器設(shè)計(jì)上軟件占主要的地位，通過(guò)軟件將傳感器內(nèi)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(duì)象不再是以前的單個(gè)對(duì)象，而是整個(gè)系統(tǒng) ，其輸出的數(shù)字信號(hào)是符合某種協(xié)議格式的。從而可以實(shí)現(xiàn)傳感器與傳感器之間 、傳感器與執(zhí)行器之間、傳 感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)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(tǒng)的結(jié)構(gòu) 從原理結(jié)構(gòu)上看來(lái)，智能傳感器結(jié)構(gòu)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(biāo)定等 ，即使是單物理量測(cè)量傳感器，也必須有標(biāo)準(zhǔn)的接口獲取所 ，加 上輸出顯示單元 ，這種單智能傳感器系統(tǒng)已經(jīng)涵蓋了傳統(tǒng)的儀表概念。

基于分布式智能傳感器的測(cè)量控制系統(tǒng)是由一定的網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)控制節(jié)點(diǎn) 、傳 感器節(jié)點(diǎn)及中央控制單元共同構(gòu)成。其中傳感器節(jié)點(diǎn)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量并將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)；控制節(jié)點(diǎn)是根需要的信息（如溫度 、濕度等）以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物理量的標(biāo)定和校準(zhǔn)。在很多場(chǎng)合下?lián)枰獜木W(wǎng)絡(luò)中獲取所需要 的數(shù)據(jù)并根據(jù)這些數(shù)據(jù)制訂相應(yīng)的控制方法和執(zhí)行控制輸出。在整個(gè)系統(tǒng)中 ，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)是相互獨(dú)立且能夠自治 ?？刂乒?jié)點(diǎn)和傳感器節(jié) 點(diǎn)的數(shù)目可多可少，根據(jù)要求而定 。網(wǎng)絡(luò)的選擇可以是傳感器總線 、現(xiàn)場(chǎng)總線，也可以是企業(yè)內(nèi)部的Ethernet，也可以直接是 Internet。一個(gè)智能傳感 器節(jié)點(diǎn)是由三部分構(gòu) 成：傳統(tǒng)意義上的傳感器 、網(wǎng)絡(luò)接口和處理單元。根 據(jù)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(cè)量物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)微處理器的數(shù)據(jù)處理（濾波 、校準(zhǔn)）后將結(jié)果傳送給網(wǎng)絡(luò)，與 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換有網(wǎng)絡(luò)接口模塊完成。

控制節(jié)點(diǎn)由微處理器、網(wǎng)絡(luò)接口及人機(jī)接口的輸入輸出設(shè)備組成。用來(lái)收集傳感器節(jié)點(diǎn)所發(fā)送來(lái)的信息，并反饋給用戶和輸出到執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)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(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用，必須保證網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)能夠滿足共同的協(xié)議 。無(wú)論是硬件還是軟件都必須滿足一定的要求 ，只 要符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)都能夠接入系統(tǒng)。因 此為了保證這種即插即用的功能 ，智能傳感器的節(jié)點(diǎn)內(nèi)部必須包含微處理芯片和存儲(chǔ)器 。一方面用來(lái)存儲(chǔ)傳感器的物理特征：偏移 、靈敏度 、校準(zhǔn)參數(shù) ，甚至傳感器的廠家信息（維護(hù)等）， 另一方面用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和補(bǔ)償，以及輸出校準(zhǔn) 。由于這些功能的實(shí)現(xiàn)是在每個(gè)傳感器內(nèi)部完成 ，相應(yīng)的內(nèi)部參數(shù)在傳感器出廠的時(shí)候已經(jīng)寫(xiě)入內(nèi)部寄存器中固定的單元，因此在更換和增加新的節(jié)點(diǎn)時(shí)候 ，無(wú)須對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定 、校準(zhǔn)。

在很多的情況下，微處理器需要根據(jù)實(shí)際的需要對(duì)傳感器的輸入進(jìn)行處理和變換。設(shè)計(jì)方法和智能傳感器的研究領(lǐng)域 智能傳感器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是在傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù) 、信號(hào)處理 、網(wǎng)絡(luò)控制等技術(shù)的基礎(chǔ)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(duì)網(wǎng)絡(luò)化傳感器系統(tǒng)所涉及的一些問(wèn)題進(jìn)行分析。

其次，信號(hào)處理方法。在網(wǎng)絡(luò)化使用環(huán)境中，即插即用是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備最基本的要求。但是由于每個(gè)被測(cè)物理量通過(guò)傳感器時(shí)輸入輸出的關(guān)系是不定的，有些是線性的，但更多的是非線性的 ，必須保證系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別被測(cè)對(duì)象，一方面要能夠確定探測(cè)器信號(hào)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(cè)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(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)時(shí)涉及到的標(biāo)定問(wèn)題，但是不完全一樣。因?yàn)橐话銈鞲衅髟O(shè)計(jì)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(yīng)用來(lái)說(shuō)，其一般使用在 自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量控制級(jí)，相互之間需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接在一起。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合， 現(xiàn)在已經(jīng)有很多不同的總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 。要保證所設(shè)計(jì)的傳感器完全滿足這些協(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(qū)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(duì)象主要局限在傳感機(jī)理 、材料 、結(jié)構(gòu) 、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(chǔ)上通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)其價(jià)值的，軟件在智能傳感器中占據(jù)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(jì)算機(jī)平臺(tái)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(yīng)用。軟件開(kāi)發(fā)工具包括設(shè)計(jì) 、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(xiàn)，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(xiàn)傳感器模型建立 、標(biāo)定參數(shù)建立 、最佳標(biāo)定模型選擇等。盡管智能傳感器的構(gòu)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(yīng)用中 ，其相對(duì)與傳 統(tǒng)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)法抗拒的。在大多數(shù)情況下 ，智能傳感器價(jià)格便宜 、使用方便 、性能優(yōu)越 、維護(hù)簡(jiǎn)單 、功能擴(kuò)展容易的優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)的傳感器所無(wú)法比擬的 。特別是在一些應(yīng)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(cè)量控制領(lǐng)域中系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命一般都有幾十年，盡管傳統(tǒng)所使用的測(cè)量控制主要是模擬量傳輸?shù)?，而符合現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感器有很多優(yōu)點(diǎn) ，但是更換這些傳感器執(zhí)行器需要花 費(fèi)很多的時(shí)間和增加很大的投資，這種系統(tǒng)還會(huì)存在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。過(guò)去這類(lèi)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展比較困難 ，因此多種系統(tǒng)共存的局面將維持一段時(shí)間。  - END -