《传感器原理及应用》程德福 第七章 智能化网络化传感器技术

传感器
电源管理、热插拔控制单元
以太网络
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特点
（1）IEEE1451是一个开放、与网络无关的通信接口，用于将 智能传感器直接连接到计算机、仪器系统和其它网络 （Network-neutral）； （2）可以使得传感器制造厂商和系统集成商没有必要对很多 复杂的现场总线协议进行研究就可以完成各种现场总线测控系 统的集成（Vendor -independent）； （3）加速了智能传感器采用有线或者无线的手段连入测控网 络系统（Wired or Wireless）；建立了智能传感器的“即插即 用”标准（Plug And Play）； （4）使得智能传感器拥有TEDS，包含足够的描述信息，增强 了传感器“智能”； （5）定义了传感器模型，包括传感器接口模块（TIM）和网 络应用处理器（NCAP）。
基于IEEE1451.2标准的 温湿度智能变送器模块 总体设计方案如图。
湿度 信号 调理 模数 转换 电路 ADC 微控 制器 TEDS 存储 单元 外扩 RAM 扩展 TII
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温度
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信号 调理
第三节 基于ZigBee技术的无线传感器网络
一、无线传感器网络及其规范标准问题
无线传感器网络(WSN,wireless sensor networks)综合了传感器技术、 嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地实 时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信 息,并对这些信息进行处理, 传送到需要这些信息的用户。 1．WSN定义和术语 WSN是由一组传感器节点以自组织的方式构成的无线网络,其目的 是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中对象的信息,并 发布给观察者。 WSN节点：由内置传感器、数据采集单元、数据处理单元、无线 数据收发单元以及小型电池单元组成。 自组织网络：节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,节 点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。 动态拓扑Ad - hoc：WSN是一个动态的网络,节点可随处移动;一个 节点可能因电池能量耗尽或其他故障,退出网络运行;也可能由工作 15 的需要而被添加到网络中。
典型的智能传感器实例
美国Honeywell公司于1983年推出了首款商品智能传感器 组成：基本传感器、微处理器和现场通信器。它包含2个压力传 感器(差动压力传感器和静态压力传感器)和1个温度传感器。其 中静压和温度信号用于对差压进行补偿，经过补偿处理后的差 压数字信号再经D/A变成4～20mA的标准信号输出。也可经由 数字接口直接输出数字信号。 指标：量程比高达到400：1；精度在其满量程内优于0.1％。
自补偿功能 自诊断功能 信息存储和记忆功能 数字量输出或总线式输出功能 双向通信功能
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二、基本型智能传感器的软件算法
1．数字滤波技术 如尖脉冲之类的随机噪声干扰，数字累加平均；周期性的工频 (50Hz)干扰信号，采用积分时间等于20ms的整数倍的双积分A／ D变换器。 2．数字调零技术 零点漂移、增益偏差和器件参数不稳定等会影响测量数据的准确 性，必须进行自动校准。还可在系统开机时或每隔一定时间，自 动测量基准参数，实现自动校准。 3．非线性补偿 采用插值、查表等数据处理方法。 4．温度补偿 建立表达温度变化的数学模型(如多项式)，用插值或查表的数据 处理方法。 5．标度变换技术 在被测信号变换成数字量后，还要变换成人们所熟悉的测量值， 3 如压力、温度和流量等。
2．独立数字接口（Transducer Independent Interface，TII）规范
TII是NCAP和STIM之间 DIN Network 的硬件接口。它基于SPI DOUT DCLK 模型进行数据通信。TII 网络 NIOE 智能 的信号线和控制线如图。 应用 变送器模 NTRIG 处理器 TII独立接口操作分为触 块 NCAP NACK STIM 发和读写传感器两种事务， NINT 读写事务由NIOE发起， NSDE T +5V 其操作是TII接口的主要 COMM 功能，从NCAP的角度 STIM可被看成一个存 储设备，访问不同的功能地址和通道地址实现不同操作。触发由 NCAP置低NTRIG发起，STIM同样驱动NACK应答，根据触发通 道号对相应通道进行操作。 注意：触发事务和读写事务不能同时进行,并且在上电配置过程中, TII独立接口总线采用最低的默认通信速率进行数据传输,配置成 9 功之后,调整到TEDS中规定的最大值,这样可提高总线通信速率。
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四、IEEE1451.2网络化智能传感器模型及其特点
传感器节点：以太网络应用处理器模块NCAP和智能变送器接口 模块STIM。 工作模式：主动模式和被动模式。
敏感/执行单元 信号调理 数据转换 TEDS电子表格 其它应用软件 T I I智 能接口 TII智 能独 立接 口 变送器输入/输出特性 校正算法 嵌入式Java Applet静态 /动态网页 嵌入式实时操作系统 （任务管理调度） TII智能接口操作函数 单元 执行器 嵌入式TCP/IP以太网 通信协议 传感器自动识别、配 置程序 数据加密、压缩及网 络安全软件 电子邮件SMTP协议 处理单元
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五、IEEE1451标准网络化智能传感器节点应用
智能变送器模块在IEEE1451.2协议中规定，一个STIM可以拥有 多达255个通道的传感器或者执行器STIM由电子数据表格、ADC、 DAC、敏感元件或者执行单元以及标准的地址逻辑构成。传感器 /执行器（组）为物理传感器或执行器，IEEE1451.2标准仅仅定 义了接口逻辑和标准TEDS数据格式，其它部分由各传感器制造 商自主实现，以保持各自在性能、质量、特性与价格方面的竞争 力。同时IEEE 1451协议还提供了一个连接STIM和NCAP的10线 标准接口TII，使得传感器制造商可以把STIM应用到多种网络和 应用系统中去。
变送器单元
信号调理单元 模拟网络接口 变送器单元 信号调理单元 数字化处理 模拟网络接口 数字化处理 数据处理中心 数据处理中心 变送器单元 信号调理单元 数字化处理 数据处理模块 智能控制模块 独立网络接口
IEEE1451标准网 络化智能传感器
(a) 模拟传感器
(b)数字传感器
(c)现场总线智能传感器 (d)标准网络化智能传感器
标准中定义的控制命令具有2字节长度。控制命令0和1对所有的 通道有效；控制命令2到4是STIM的可选命令；控制命令5到7对 STIM中的事件连续传感器有效；控制命令9到10对STIM中的连 续传感器或者缓存式数据连续传感器有效。
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4．电子数据表格规范TEDS
电子数据表格是IEEE1451标准的精华所在，创新之处在于它支持所 有种类的传感器，是一个通用的电子数据表格。IEEE1451.2标准共 规定了六种不同的电子数据表格： （1）总体TEDS（Meta-TEDS）：包含了这个STIM的总体信息， 如TEDS数据结构、最坏情况下的时序参数、通道数等。 （2）通道TEDS（Channel TEDS）：包含了该通道的具体信息， 如上、下限，物理单位、预热时间、有无自检测、不确定度等。 （3）校正TEDS（Calibration TEDS）：它包含了最新的标定数据、 标定间隔以及支持多段标定模型的所需全部参数。 （4）总体识别TEDS（Meta-Identification TEDS）：提供了人工 可读的描述符信息，包含制造厂商、类型号、日期和产品的描述。 （5）标定识别TEDS（Calibration-Identification TEDS）：它提供 了每个通道标定相关的一些人工可读信息。 （6）终端用户应用TEDS（End Users Application-specific TEDS）： 每个STIM可以有多个这样的电子描述表格，也是可选和人工可读 的。包含一些维护电话等信息。
现 场 网 络
网络应用处理器 (NCAP) Networked Capable Application Processor
IEEE1451.4 数字 点对点 IEEE1451.2 分布式 多点总线 IEEE1451.3
IEEE 1451.1 通用对 象模型
IEEE 1451.0 通用功 能与 TEDS
3．接口命令规范
网络应用处理器NCAP可将智能变送器模块STIM看成一个外部 存储单位，每次STIM的访问都需要对应的地址，其地址分为 功能地址和通道地址。 通道地址最多可以达到255个，通道0地址不针对某个通道，而 是针对整个STIM。
功能地址表示对STIM操作的具体功能，其中最高位为读写方 向位。功能地址为1时，表明NCAP要向STIM发送控制命令。
第七章 智能化网络化传感器技术
智能传感器 IEEE1451标准网络化智能传感器 基于ZigBee技术的无线传感器网络 模糊传感器
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第一节 智能传感器
一、基本型智能传感器的含义与功能
两种结合方式：传统的传感器和微处理器（含采集单 元）独立的，可组合在一起，应用维护更换相对方便 把微处理器嵌入到传感器中，半导体类传感器与微处 理器集成在同一块芯片上，如用于地震勘探的加速度 传感器。
IEEE1451协议族体系结构
整个协议分为面向软件接口与面向硬件接口两大部分。
Network Independent 模拟+数字 TEDS 变送器 TII 接口 总线 接口 TEDS 变送器 TEDS 变送器 TEDS 混合模式 变送器 智能变送 器接口模 块(STIM) 变送器总 线接口模 块(TBIM) 无线 变送器
无线 IEEE1451.5 CAN IEEE1451.6 CAN open TEDS 变送器
无线 接口
变送器
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三、IEEE1451.2网络化智能传感器接口标准
1．协议中涉及的相关术语 （1）智能变送器模块（STIM）。一个STIM可以拥有多达255通 道的传感器或执行器。 （2）网络应用处理器(NCAP)。NCAP是介于STIM和现场网络之 间的控制模块。STIM工作时通过NCAP连接到通信网络。NCAP 可以对来自STIM或者客户端的原始数据进行校正和补偿。 （3）电子数据表格(TEDS)。它描述了STIM总体和传感器各通道 的相关参数，是IEEE1451协议的精华之一。 （4）校正引擎（CE）。是指应用特定的数学函数将来自一个或 多个STIM的数据或者其他途径的数据融合起来，应用数学公式 或存储的多项式系数为校准通道校正出一个精确的数据，体现了 传感器智能。 （5）传感器类型。分为6种类型。 （6）物理单位。标准采用10字节长度的二进制表示物理单位，单 位定义基于7个国际单位标准，任何单位通过这7个SI单位得到。 8 （7）UUID（全局统一标识符），UUID是全球唯一的标识符。
智能压力传感器
智 能 压 力 传 感 器
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第二节 IEEE1451标准网络化智能传感器
一、网络化智能传感器演变与标准提出
智能传感器能完成自识别、自测试、自适应校准、有噪声数据的 滤波、发送和接收数据、进行逻辑判决等。众多不兼容的工业网 络或现场总线。IEEEl451系列“用于传感器和执行器的智能换能 器接口标准”的目标涵盖了网络化智能传感器的各个方面：从接 口到换能器本身直到高层次需求，反映目标建模的性能、特征以 及数据通信，以确保换能器与网络的互操作能力和互换能力。
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二、 IEEE1451网络化智能传感器标准概述
1993年开始构造一种通用智能传感器的接口标准，在1993年9月， IEEE第九次技术委员会（传感器测量和仪器仪表技术协会）决 定制定一种网络化智能传感器通信接口的协议。 1995年4月，成立了两个专门的技术委员会：P1451.1工作组和 P1451.2工作组。P1451.1定义智能变送器的公共对象模型和相应的 接口；P1451.2定义TEDS和数字接口标准，包括STIM和NCAP之 间的通信接口协议和引脚分配。 1997年和1999年投票通过了IEEE1451.2和IEEE1451.1两个网络化 智能传感器标准，同时成立IEEE1451.3、IEEE1451.4、 IEEE1451.0和IEEE1451.5新的工作组。 2004年IEEE1451.3和IEEE1451.4通过IEEE组织审议。 IEEE1451.0和IEEE1451.5标准还在审议之中。 到目前为止，IEEE1451标准还没有得到传感器生产厂商的广泛 支持，没有大量的IEEE1451标准传感器推出，IEEE1451标准还 6 没有成为真正的传感器接口标准，原因:标准本身还需要完善。