智能传感器网络研究与发展 (1)

A Survey on Smart Sensor Nework

SONG Guangming1,2GE Yunjian2

1.Dept.o f Automation,Unive rsity o f Science&Technology of China,He f ei230026,P.R.China;

2.Institute o f Intelligent Machin e,Chinese Academy o f Sciences,He f ei230031,P.R.China

Abstract:The history of smart sensor network,the development of IEEE1451family of standards for smart transducer interface and future hot research issues on smart sensor network will be discussed respectively.

Key words:Smart sensor;transducer;sensor network;IEEE1451

智能传感器网络研究与发展y

宋光明1,2葛运建2

(1.中国科学院合肥智能机械研究所,合肥230031; 2.中国科学技术大学自动化系,合肥230026)

摘要:综述了智能传感器网络研究的历史、现状和发展趋势,并对智能传感器网络发展历程、IEEE1451智能变送器接口标准和智能传感器网络未来研究热点进行了重点阐述。

关键词:智能传感器;变送器;传感器网络;IEEE1451

中图分类号:TP212.6文献标识码:A文章编号:1004-1699(2003)02-0107-06

随着传感器技术和计算机网络技术的进步,包括微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems, ME MS)以及相关的接口、信号处理技术的发展,开发具有网络接口的智能传感器,并把它们组网用于分布式测量与控制已成为可能并逐步升温。把多个智能传感器联网可以组成高精度、功能强大的测控网络,而且成本低、安装配置、升级和维护方便[1]。智能传感器网络(Smart Sensor Network)更加完备的监控能力使其广泛应用于军事、工业过程控制、卫生保健、环境监测等。

一个传统的传感器测量一个物理、生物或者化学参数,例如位移、加速度、压力、温度、湿度、氧气或一氧化碳含量,并把它转换成一个电压或电流信号[2]。1982年,Wen H.Ko和Clifford D.Fung首先提出了智能变送器(intelligent transducer/smart transduc-er)的概念[3]。智能变送器,即智能传感器与智能执行器的总称,就是把模拟或数字的传感器或执行器单元与集成了处理器、存储器、接口电路和网络控制器的本地微控制器进行整合,使变送器具有一定程度的智能。IEEE Std145112-1997针对传感器网络化的需要对其定义为:一种变送器,除了必须能够提供正确表示传感量或控制量的功能外,还能够提供其他功能,尤其是显著简化把传感器/执行器集成到网络环境应用中的功能[4]。智能传感器的概念就是这个定义的传感器版本,其核心就是智能传感器能够增加数据的信息量,并能够支持分布式处理与决策。根据IEEE Std145112-1997定义的智能传感器的功能框图如图1所示。由此可见,区别于传统传感器,智能传感器内集成或安装了微控制器或微处理器,使其能够在现场对采集到的原始传感信息进行必要的处理,如信号放大、调理、A/D转换等,最后转换成某种标准的数字格式并通过现有的标准通信协议发送给用户[5,6]。

2003年6月传感技术学报第2期

y收稿日期:2003-01-28.

基金项目:国家自然基金(60175027);国家863计划(2001AA423300).

作者简介:宋光明(1974-)男,博士生,研究领域为智能传感器、传感器网络,robotsensor@;

葛运建(1947-)男,研究员,博士生导师,研究领域为信息获取与处理,机器人传感器.

图1 IEEE 1451定义的智能传感器功能框图

传感器在航空航天、汽车、工业过程控制、制造业等工业领域中具有广泛的需求与应用。随着人们对工业产品低成本和高质量要求的不断提高,工业自动化生产系统越来越复杂与精密。传感器系统开发者和最终用户因此一直在努力紧跟最先进的数字与微电子技术,以期赋予智能传感器更高的智能,开发出更高效的系统[7]

。传感器以前一直以点对点或多路复用的方式与仪器或计算机系统相连。这样就需要大量连线使整个系统十分笨重且成本昂贵,难以建立和维护。随着计算机网络技术的出现及近年来的迅猛发展,传感器开发者都在努力寻求各种方

法把计算机网络技术应用于传感器中,把多个同种或异种传感器联接成测控网络,就像现在的PC 机互相联接组成当前最流行的以太网一样,使其在测控领域发挥巨大作用。

传感器网络是由一定数量的传感器节点通过某种有线或无线通信协议联结而成的测控系统,这些节点由传感、数据处理和通信等功能模块构成,都安放在被测对象内部或附近,通常尺寸很小,具有低成本、低功耗、多功能等特点。典型的传感器网络结构如图2所示。主控计算机通过传感器总线控制器与

传感器总线上的多个节点通信并实现上层监控和决

图2 传感器网络典型结构

策功能。每个节点包含一个或多个传感器/执行器

以及总线接口模块,节点间的通信方式可以是对等的(Peer -to -Peer)或主从的(master -slave)。传感器总线控制器主要管理总线上的通信,比如设置节点上传感器的采样速率以及周期性的诊断与检测传感器工作状态等。传感器总线是一种标准的双向数据与控制总线,针对过程控制和家庭自动化等不同的具体应用而种类繁多,常被称作设备级控制网、现场总线以及现场网络等,早期比较成功的例子有MPS (Michigan Parallel Standard)总线和IS 2

(Integrated Smart Sensor)总线等,现在业界首推的典范则是C AN (C ontrol Area Network)总线和以太网(Ethernet)

[8]

。传感器网络与通常的计算机网络最大的不同在于,一个传感器网络节点由它的空间位置和传感器类型来共同确定,而一个普通的计算机网络节点只由一个唯一标识符(unique identifier)确定。而且传感器网络具有更好的容错性、实时性和对环境变化的自适应能力

[9]

。与传统传感器和传统测控系统相

比,传感器网络具有明显的优势。它采用点对多点(multidrop)的传感器总线甚至无线连接,大大减少了电缆连线,在传感器节点端即合并了模拟信号调理、数字信号处理和网络通信功能,节点具有自检功能,系统性能与可靠性明显提升而成本明显缩减

[10,11]

。

108 传 感 技 术 学 报 2003年