智能传感器技术问题探讨

规定了智能传感器与 目前正蓬勃兴起的物联网间的通信 接 口 标准 人
们在这方面开展了大量工作并取得了丰硕成果 例如： 人们研究 出了 种基 于 Ｉ Ｅ Ｅ Ｅ １ ４ ５ １标准 的智 能传感器结构 ．提出 了即插 即用 Ｗｅ ｂ 智能传感器 的一 种基于 Ｗｅ ｂ服务方 法 ． 实现 了一种基 于 Ｃ Ａ Ｎ协议 的 温度智能传感器 ． 探索出了一种智能传感器无线网络组织结构 协议和 种基于 Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 无线通信 技术的智能传 感器无线接 口设计方案等 通信模块以软件硬件方式实现 ． 它一般与智能传感器 的信号处理模块 集成在一起。 实现智能传感器 目前主要有 ３种方 式 一种方式是将 信号感 知与 调理模块 、 信号处理 模块 、 通信 模块等通过 导线等方式组 合在一起 即 可． 这种实现方式适合于智能化如化 工厂等用户原有传统传感器 的场 合： 另一种方式 乃利用微机 械加工 、 微 电子加工等技 术将 这些模块集 成在一片芯片上 ． 实现了智能传感器的微型化 这是商 品化智能传感 器的最佳选择 ， 这种智能传感器使用 方便 、 性能稳定 、 可靠 。还有 一种 方式乃将这些模块集成在两片或多片芯片上 ． 然后 由这些芯片构成智 能传感器 ， 这是 目前商品化智能传感器的一种较好 选择
１ ． 信 号 感知 与调 理技 术
智能传感 器一般 通过信号感 知模 块 中的敏感元件将 待测量最 终 转换成模拟 电压信号 。 目前能感知 的量很 多． 有物 体位移 、 速度 、 加 速 度等运 动量 ， 温度 、 湿度 、 压力ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ过程 量 ， 光强 、 波长 、 偏振 度等光 的特 性量 ， 流量 、 浓度 、 ｐ Ｈ 值等液体特性量 ， 成分 、 浓度等气体特性量 ， 葡萄 糖、 尿素 、 维生素等化学成分等 智能传感器 中的敏感元件有些如传 统 传感器一样单 个存在 的 ， 有些借助 于微机械技 术 、 硅集成 等技术 以阵 列方式存在 ， 以提高测试 精度与可靠 性 ． 有些 将多种敏感 元件 以一 定 的方式 复合 分布在感 知模块 中以感知多种待 测量感知模 块 出来 的信 号一般含有来 自 于外界 的干扰 ． 需要 “ 净化 ” 处理 以确保测试精度 另 外． 该信号一般 比较小 ， 有时甚至非 常微弱 ． 通 常需 要利用 电桥等 电路 进行信号放大 。 这些功能一般通过具有 滤波 、 放大 等功 能的 ． 如测试 放 大器等调理电路予 以实现 。感知模块与调理 电路有 时分开放置 ． 有 时 集成在一个模块上 。
一 一
２ ． 信 号 处 理 技 术
２ ． １ 信号感知（ 粗信号处理 、 有些待测量可根据其定 义利用单个调理信号 直接获得 ．如温度 、 位移 、 交流 电流有效值等 ； 有些待测量则需要多种 调理 信号 ． 如交流 电 力的视在功率 、 有功功率等性能指标 ． 本文称这些方法为定义法 还 有 些待测量只能通过与之相关 的各物理量 的综合分析才 能便捷 、 可靠地 测出 ， 如混合气体的成分和各成分的浓度 、 人体摔倒 等 ． 本文称之为综 合法。 研究表明 。 利用定义法可获得 的很多待测量 ． 借助于数字信号处 理技术也可 以获知 ， 如交流 电力 电压／ 电流 的有效值 、 交流 电力 的功 率 等， 本文称之为分析法 。 综合法 、 分析法则充分体现 了智能传感器 的特 质。 基于数据融合技术 ， 综合法主要用于传统方法获取 比较 困难 、 精度 不高 、 测试 不可靠 ． 甚至不能测试 出待测量的信号 例 如： 对于一氧化 碳、 氢气 、 甲烷 、 乙炔等有 毒 、 有害 、 可燃性气体 的种类与浓度 ， 传统 的 色谱法测试不连续 、 繁琐 、 时 间长 ． 单一 响应快 的气 敏元件其选择性 能 差。为此 ， 人们探索出 了采用气敏阵列理论 的多种综 合法较好地克服 了这些问题。 气敏阵列理论 的基本思想就是利用多种 能较好感知不 同 气体的气敏元件构成 阵列 ， 借助 于模式识别理论计 算出混合气体 中气 体的成分和各种气体 的浓度 又如 ． 摔倒是 老年人 身体健康 的一个 主 要危害 。 单个被动式红外传感器或具有通信与运 动探测功能 的腕式穿 戴设备或照相机均难于完成人体摔倒 的 自动 、 可靠 侦测 人们利用红 外集成热 图像传感 器 ， 综合应 用运动识别 、 运动估计 、 运动跟踪 、 基于 目标的推理 、 分类等技术 ， 较好地实现 了对老年人摔倒 的 自动 、 可靠侦
◇ 科技之窗◇
科技 目向导
２ ０ １ ５ 年０ ３ 期
智能传感器技术问题探讨
郭恺 程 （ 杭州职业技术学校 浙江 杭 州 ３ １ ０ ０ ０ ０ ）
【 摘 要】 智能传 感器已成为当今传 感器技 术的一个主要发展 方向。 高性能 、 高可靠性的 多功能复杂 自动、 测控 系统以及基 于电子标签 即射
频识别（ Ｉ Ｌ Ｆ Ｉ Ｄ） ￣术 以“ 物” 的识别 为基础 的物联 网的兴起 与发展 ， 愈发 凸显 了具 有感知 、 认知 能力的智能传 感器的重要性及其 大力 、 快速发展的 迫切性 。智能传感 器首先借助 于其传感单元 ， 感知待测 量， 并将之 转换成相应 的电信号 。该信号通过放大 、 滤波等调理后 ． 经过 Ａ／ Ｄ 转换 ． 接 着 基 于应 用算 法进行信 号处理 ， 获得待 测量大小等相 关信息。然后 ， 将 分析结果保存起 来， 通过接 口 将 它们交给 现场用户或借 助于通信将之告知 给 系统或上位机等 。 【 关键词 】 智能传 感器： 信 号调理 ： 信 号处理
础上 ． 利用循序多项式插值探 索出了一种适 合于智能传感器的 自 适应 自校正算法。 ３ ． 通 信 技 术
Ｉ ＥＥ Ｅ １ ４ ５ １系列标准乃智 能传 感器通用通信标准 ． 该标准支持 多 种现场总线 、 以太网等现有 的各种 网络技 术 Ｉ Ｅ Ｅ Ｅ １ ４ ５ ｌ 第七部分 则