第11章 智能化网络化传感器技术

11.5.2、无线传感器节点构成
一个传感器节点一般由五个主要部分组成：
1、控制器。控制器处理所有的相关数据，具有通信功能。还具有丰富的 电源管理功能，这对节点的功耗控制是重要的。两种低功耗的微控制 器：TI公司的MSP430系列和Silicon labs公司的C8051F9xx系列单片机。 2、存储器。存储器存储数据和中间节点。通常，程序和数据使用不同类型 的存储器。 3、传感器和执行器。它们是与外围设备的真正接口：该设备可以观测和控 制环境的物理参数。 4、通信。为了将节点联网，需要一个可以在无线信道上发送和接收消息的 设备。通常采用的是将收发功能合为一体的无线收发机.
EIbus
Merlin Gerin(France)
Germany
家庭自动化
Smart House Smart House LP
CEBus
I2C
EIA
Philips
大学开发的网络协议
Michigan Delft University of Michigan
Michigan
Integrated
University of Michigan
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11.3、传感器智能化方法
11.3.1、非集成智能传感器的实现方法
经典传感器+信号调理电路+带数字总线接口的微处理 器组合为一个整体而构成，如图11-3所示。
进行滤波、放 大、模数转换
带总线接口的微处理器对传 感器测量数据进行计算、存 储、数据处理，还可以通过 反馈回路对传感器进行调节 。
Delft University of Technology University of Wien, Austria
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几种总线比较： I2C总线与D2B总线相比，它的布局相当简单，对硬件 的要求最低。只有将最基本的功能放到总线中执行，通讯 协议却异常严格。 新的集成智能传感器总线IS2与I2C总线类似，但其协议 却高度简化。IS2总线要求双路通讯，即时钟线和数据线。 IS2总线的一个重要特点是没有定义数据域长度。数据传 输可由数据控制器结束，也可由数据传感器结束。 另一个总线是控制器局域网（CAN），最初的目的是 简化汽车配线，此后其应用扩展到工厂自动化、建筑自动 化、铁路车辆和轮船。CAN总线为过程数据、服务数据、 网络管理、同步、定时标记和紧急呼叫信号提供了标准化 的通讯对象。
SERCOS
IPCA HP-IB(IEEE-488) Arenet WorldFIP Filbus
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建筑及办公自动化
BACnet IBIbus Building Automation Industry Intellegent Building Institute
Batibus
比特率、循环冗余码校验（CRC）
等许多参数。表11.1给出了智能 传感器独特的网络协议。
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工业
Hart DeviceNet, Remote I/O Smart Distributed Systems SP50 Fieldbus Lon Talk /Lon Works Profibus DP/PA ASI Bus InterBus-S Seriplex Rosemount Allen-Bradley Honeywell ISP+World FIP=Fieldbus Fieldbus Foundation Echelon Corp DIN(Germany), Siemens ASI Association InterBus-S Club, Phoenix Automated Process Control(API Inc) VDW(German tool manufacturers assoc) Pitney Bowes Inc Hewlett-Packard Datapoint WorldFIP Gespac
11.1、智能传感器的分类
11.1.1、初级形式 敏感元件+（智能）信号调理电路。(如简单的自动校零、非线性的自
动校正、温度自动补偿功能，这些简单的智能化功能是由硬件来实现的，所以
称为智能信号调理电路。)
11.1.2、中级形式 非集成智能传感器，即传感器+微处理器构成。将敏感元件、信号调
理电路封装在一个外壳里形成一个完整的传感器系统，传感器的输出信
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传感器节点与汇聚节点的区别:
传感器节点处理能力、存储能力、通信能力有限，由电 池供电。 汇聚节点处理能力、存储能力、通信能力较强，连接传 感器网络与Internet等外部网，实现两种协议栈之间的 通信协议转换，同时发布检测任务，收集数据发送到
外网。
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能够自动补偿因工作条件或环境参数的变化而引起的系统特性的漂移； 能根据被测参数的变化自动选择和更换量程；能实时、自动进行系统的 自我检验，分析、判断所采集到的数据的合理性，并在异常情况下做出 适当的紧急处理（如报警或故障提示）。所有这些都提高了传感器的可 靠性和稳定性。
第11章 智能化网络化传感器技术
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无线传感器网络是新一代的传感器网络，将会给人类 的生活和生产的各个领域带来深远影响。 如美国，非常重视无线传感器网络的发展，美国 的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更 是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商 业周刊》 预测的未来四大新技术中，无线传感器网络 也列入其中。
传感器网络，这是第二代传感器wenku.baidu.com络。
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上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络， 各节点通过传感或控制参数实现与环境的交互，节点的关 联性是通过无线通信实现，节点的组成和功能包括传感单 元、处理单元、通信单元、电源四部分无线传感器网络逐 渐形成。
现场总线:指现场装置与控制室内的自动装置之间的 数字式、串行、多点通信的数据总线。 简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统420mA模拟信号及普通开关量信号的传输。
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8、自适应性强 智能传感器的判断、分析与处理功能使其具备根据系统 工作环境和内容决定各部分的最佳工作状态，如确定与上位 机的数据传输速率、最低功耗状态、测量量程选择等。 9、超小型化、微型化 随着微电子技术的迅速推广，智能传感器正朝着短、小、 轻、薄的方向发展，以满足航空、航天及国防尖端技术领域 的需要，并且为开发便携式、袖珍式检测系统创造了有力条 件。 10、微功率 降低功耗对智能传感器具有重要意义，这不仅可简化系 统电源和散热电路的设计，延长智能传感器的使用寿命，还 为进一步提高智能传感器的集成度创造了条件。
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11.2.2、智能传感器的功能
智能传感器一般都有下列全部或部分功能：
1、具有自校零、自标定、自校正；
2、具有自动补偿功能； 3、能够自动采集数据，并对数据进行预处理； 4、能够自行进行检验、自选量程、自寻故障； 5、具有数字存储、记忆与信息处理功能；
6、具有双向通讯、标准化数字输出或符号输出功能；
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11.4.1、传感器总线和网络协议
传感器网络协议 开发商
在许多不同协议中，每种都有 其自己的接口要求。这些要求规 定了诸如标题、数据字长和类型、
汽车
J-1850, J-1939(CAN) J1567 C2D J2058 CSC SAE J2106 Token Slot CAN VAN A-Bus D2 B MI-Bus SAE SAE(Chrysler) Chrysler SAE(General Motors) Robert Bosch GmbH ISO Volkswagen AG Philips Motorola
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大量传感器通过数据总线与中央计算机相连构成传 感器网络。
工作过程:当一个传感器被激活向中央计算机发送信
息时，这个传感器的地址便被选中，传感器切换到数字 数据线路。中央计算机能够对不同种类的测试进行初始
化和重新校准，每个传感器都和同一数据总线连接。而
专用传输协议可以保证灵活的不受干扰的数据流传输。 不同生产厂家(开发商)有不同总线,不同总线有不同协 议,很难协调.
号经处理和转化后由接口送至微处理器部分进行运算处理。 11.1.3、高级形式
传感器部分+信号预处理电路+输入输出接口+微处理器等集成在同
一块芯片上，形成大规模集成电路智能传感器。
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11.2、智能传感器的构成、功能与特点
11.2.1、智能传感器的构成
图11-2 智能传感器的组成框图
5、高分辨力 通过软件进行数字滤波和数据融合、神经网络技术等相关 分析可以消除多参数状态下交叉灵敏度的影响，保证对特定 参数测量的分辨能力。 6、高信噪比 通过软件进行数字滤波和相关分析处理，可以去除输入 数据中的噪声，提取有用数据，大大提高传感器的信噪比。 7、高性价比 采用廉价的集成电路工艺、芯片以及软件来实现其高性能， 因此，与传统的传感器相比，在相同精度条件下，可以取得 较高的性能价格比。
7、具有判断、决策处理能力。
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11.2.3、智能传感器的特点
1、高精度 通过自动校正实现自动调零；自动进行非线性系统误差的校正；
通过对采集的大量数据进行统计处理以消除偶然误差的影响。
2、宽量程: 智能传感器的测量范围很宽，具有很强的过载能力。 3、多功能
能进行多参数、多功能综合测量，扩大测量与使用范围，而且其输 出可以多种形式，如RS232串口输出、SPI(Serial Peripheral Interface--串 行外设接口）串口输出、I2C串口输出以及模拟量输出等，这些都是智能 传感器的特色。 4、高可靠性和高稳定性
第11章 智能化网络化传感器技术
第11章 智能化网络化传感器技术
第11章 智能化网络化传感器技术
概
况
智能传感器构成:传感器、A/D转换器、信号处理器、存
储器（或寄存器）和接口电路。并且它是在硬件的基础
上通过软件来实现测试功能，其智能化程度也取决于软 件的开发水平。
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叉敏感效应，得到混合气体的组成信息，同时提高气敏传感器的测量
精度；或将不同量程的传感元集成在一起，根据待测量的大小在各个 传感元之间切换，在保证测量精度的同时，扩大传感器的测量范围；
3、对不同类型的传感器进行集成，例如集成有压力、温度、湿度、流量、
加速度、化学等敏感单元的传感器，能同时测到环境中的物理特性或 化学参量，用来对环境进行监测。
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11.5.1、WSN的网络结构
WSN包括传感器节点（sensor
node）、会聚节点（sink node） 和管理站（manager station）。
节点通过自组织方式构成 网络,传输的数据可能被 多个节点处理,经多跳变 路由到汇聚节点
发布任务,收集数据传给 互连网或卫星,到达管理 站
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11.5、无线传感器网络
在某些应用场合，利用现有的有线网络技术可以简单
构造传感器网络。但在很多情况下，将所有的传感器连 接起来是一个非常困难的事情： 主要原因：配线价格昂贵，尤其是设备数量很大时；配 线存在维护问题；利用配线组网是不可移植的；配线会 对传感器造成障碍等。因此，在许多应用中，传感器间 的无线通信成为一个必然选择。它被称为无线传感器网 络(wireless sensor network 即WSN)。
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11.4、传感器网络
发展历史:
早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点
对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，称 为第一代传感器网络。 随着相关学科的的不断发展和进步，传感器网络同 时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过
与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的
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11.3.2、集成智能传感器的实现方法
传感器的集成化主要有3中情况： 1、将多个功能完全相同的敏感单元集成在同一个芯片上，用来测量被测 量的空间分布信息，例如压力传感器阵列或CCD器件。 2、对多个结构相同，功能相近的敏感单元进行集成，例如将不同气敏传 感元集成在一起组成“电子鼻”，利用各种敏感单元对不同气体的交