（电机与电器专业论文）网络化智能传感系统的研究与设计.pdf

iv abstract the sensor is mankinds sense of touch of finding out the nature. it offers the condition and basis that people know and control the corresponding target .with the development of science and technology, the future trend of develop is digital, intelligent and networked. the combination of technology of the computer, communication and sensor forms the networked smart sensor technology. it opens up a new direction for the development of the technology of the sensor. the networked smart sensor and distributed measurement and control system organized by it will change the traditional wiring way and message treatment technology. it can not only economize a large number of wires distributed in the scenes, but also realize the on-the-spot information sharing. it will influence detecting and controlling field greatly. a kind of networked smart sensor system is designed in this paper on the basis of study of the theory and practice of traditional sensor system and the intelligence sensor system, and is used in the granary temperature detecting and controlling system. the main contents in this dissertation include: a view that the future direction of the sensor is networked and smart is proposed by the study of the development of sensor. a kind of networked smart sensor system is designed in this paper. it regards the gateway as to the interface of smart sensor and internet, and it realizes the transmission of the data by way of wireless. the hardware circuits of the temperature gathering and wireless data communication are designed, and some corresponding software is designed. more overall anti-interference measures are used in the sensor system, this guarantees the stability and reliability of the system. keywords: sensor, wireless transmission module, granary temperature 郑州轻工业学院硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 21 世纪是人类全面进入信息电子化的时代随着人类探知领域和空间的拓展使 得人们需要获得的电子信息种类日益增加需要信息传递的速度加快信息处理能力增 强因此要求与此相对应的信息采集技术-传感技术必须跟上信息化发展的需要它是 人类探知自然界信息的触觉为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据作为现代 信息技术的三大核心技术之一的传感技术 将是二十一世纪世界各国在高新技术发展方 面争夺的一个重要领域 传感器是流程自动控制系统和信息系统的关键基础之器件其技术水平直接影响 到自动化系统和信息系统的水平自动化技术水平越高对传感器技术依赖程度越大 在信息社会中 人们为了推动社会生产力的发展 需要用传感器来检测许多非电量信息 如力压力流量速度温度湿度以及生物量等等不难看出传感器技术是涉及 国民经济及国防科研各领域的重要技术 信息技术由信息获取信息处理信息传输三大基本技术组成近年来随着计 算机和网络技术的发展,信息处理和信息传输技术已获得了长足的进步而信息的源头 信息获取的现状离这一要求还有相当大的差距对于物质信息获取技术来说,其实 就是传感技术使得整个信息系统中出现了信息处理技术发达信息采集技术薄弱的局 面严重的制约了信息技术和自动化技术的发展因此尽快提高传感器的技术水平是 当前测控领域急需研究解决的重点课题 1.1 传感器的发展 1.1 传感器的发展 传感器是一种检测装置能感受到被测量的信息并能将检测感受到的信息按一 定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出以满足信息的传输处理存储 显示记录和控制等要求13 34它是实现自动检测和自动控制的首要环节作为现代信 息技术三大核心技术之一的传感器技术的发展经历了三个阶段 即 聋哑传感器dumb sensor智能传感器smart sensor和网络传感器networked sensor聋哑传 感器又称为传统传感器它是一种模拟式传感器这种传感器一般由传感元件和信号 调理与转换电路组成传感元件获取被测量并输出与其有确定关系的电参量信号调理 与转换电路将该电参量经简单调理后转换为模拟信号输出 模拟量的幅值及极性代表了 郑州轻工业学院硕士学位论文 2 被测量它采用模拟电子电路组成只能进行信号调理基本不具备信息处理和自我管 理能力 这就决定了传感器不同程度的存在着输入输出特性具有一定的非线性且随时 间漂移参数易受环境条件的影响而漂移信噪比低而易受噪声干扰交叉灵敏度难以 克服而且选择性及分辨率不高等问题导致传感器性能不稳定可靠性差精度低并 且由于传感器不具备自我管理能力一旦发生故障测控系统难以判别其输出信号的真 伪从而影响到整个系统的可靠性 为了改善传感器的传输性能人们应用频率调制技术研制了频率式传感器如感应 同步器等这种传感器的输出不再是模拟量而是频率量它的信号调理与转换电路把 由传感元件获得的电参量转换为某种周期信号即频率量输出 该信号的幅值恒定而频率 则随被测量按确定的函数关系变化频率量传输具有较强的抗干扰性提高了信噪比 用于计算机测控系统中时可以取消模数转换通过测频率测周期方法转换为数字量 容易由计算机实现但频率量转换为数字量需要较长的时间频率量的传输同样要求单 独的信号线系统没有得到简化致使性能没有得到大的改观仍属于传统传感器 传统的传感器完全是由硬件组成 因此研究内容主要在探测机理 材料 制造工艺 以及传感器的补偿方法通过外部电路来研究实现传感器的校准温度补偿改善传感 器的漂移 线性和稳定性等方面 这给测量系统中所使用的传感器数量带来一定的限制 且性能上同样受到后续处理电路滤波调零补偿等制约这种硬件上的限制使 得单个系统中传感器的使用数量有限无法实现一些相关量的测量且其中的电路也只 是专用的 无法将其直接移植应用到其他的传感器中去 增加了传感器开发人员的工作 使得传感器的价格昂贵同时其维护和修理同样需要专门的技术人员来完成代价较 高无疑也增加了系统的维护成本 随着测控系统自动化智能化的发展要求传感器准确度高可靠性高稳定性好 而且具备一定的数据处理能力并能自检自校自补偿传统的传感器已不能满足这 样的要求 78 另外为制造高性能的传感器光靠改进材料工艺也很困难硅微电子 技术的成熟使得在单个芯片中实现复杂结构的微电子机械系统成为现实采用 ic 技术 将信号处理和控制电路集成到单个芯片中实现了传感器的智能化智能化传感器是指 以专用微处理器控制的具有双向通信功能的先进传感器系统 微处理器能按照给定的程 序对传感器实施软件控制把传感器从单功能变成多功能包括自补偿自校正自诊 断远程设定状态组合信息存储和记忆等功能传感器的智能化不仅改变了传感器 的加工制造方法并且使得传感器的设计和测量控制系统的设计及构成变得简单容易 与传统的系统相比更加可靠便宜并且扩展性更好由于在传感器内部嵌入微处理 郑州轻工业学院硕士学位论文 3 芯片这种传感器可以在内部实现对原始数据的加工处理并可以通过标准的接口与外 界实现数据交换 更为重要的是这种智能化传感器可以根据实际的需要通过软件控制来 改变设计给系统的扩展带来了很大的发展余地减少了研发费用 与传统的设计相比不同的应用系统无须采用不同的传感器可以在单一的传感器 基础上通过软件设计来改变传感器的功能以满足不同客户的需求这样低成本大 批量的智能传感器可以快捷低成本的实现系统的设计维护或功能扩展更加方便用 户的使用扩大其应用范围 智能传感器系统是在传统传感器技术基础上发展起来的 和传统传感器相比具有以 下优点 84041 1精度高 智能传感器有多项功能来保证它的高精度如通过自动 校零去除零点与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定对整体系统的非线 性等系统误差进行自动校正 通过对采集的大量数据的统计处理以消除偶然误差的影响 等这样保证了智能传感器的高精度2可靠性与稳定性好 智能传感器能自动补 偿因工作条件与环境参数发生变化后所引起的系统特性的漂移如温度变化产生的零 点和灵敏度漂移当被测参数变化后能自动改换量程能实时自动地对系统进行自我 检验分析判断所采集的数据的合理性并给出异常情况的应急处理(报警或故障提 示)3信噪比高分辨力强 由于智能传感器具有数据存储记忆与信息处理功能 通过软件进行数字滤波相关分析等处理可以去除输入数据中的噪声将有用信号提 取出来通过数据融合神经网络技术可以消除多参数状态下交叉灵敏度的影响,从 而保证在多参数状态下对特定参数测量的分辨能力4自适应性强 智能传感器具有 判断分析与处理功能,它能根据系统工作情况决策各部分的供电情况和高 /上位计算 机的数据传送速率使系统工作在最优低功耗状态和传送效率优化的状态5价格性 能比低 智能传感器所具有的上述高性能 不是像传统传感器技术用追求传感器本身的 完善对传感器的各个环节进行精心设计与调试进行手工艺品式的精雕细琢来获 得的而是通过与微处理器/微计算机相结合采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强 大的软件来实现的因此其价格性能比低 自现场总线概念提出以后基于现场总线的测量控制系统得到了广泛的应用 相应对传感器的设计又提出了新的要求 103344 从发展的角度看未来单个传感器独立 使用的场合将越来越少 更多的是多传感器系统的应用以实现多参数的测量和多对象的 控制测量和控制信息的交换在底层主要是通过现场总线来完成数据交换主要是通过 intranet 等网络来实现 为了满足这种多传感器之间的信息交换 传感器设计上软件占 主要的地位 通过软件将传感器内部各个敏感单元或与外部的智能传感器单元联系在一 郑州轻工业学院硕士学位论文 4 起软件对象不再是以前的单个对象而是整个系统其输出的数字信号是符合某种协 议格式的从而可以实现传感器与传感器之间传感器与执行器之间传感器与系统之 间的数据交换和共享因此智能网络化是传感器的未来发展方向 网络化智能传感器是传感器在现场级实现网络通信协议使现场测控数据就近登录 网络在网络所能及的范围内适时发布和共享设计网络化传感器的目标是采用标准的 网络协议,同时采用模块化结构将传感器和网络技术有机地结合起来敏感元件输出的 模拟信号经 a/d 转换及数据处理后,由网络处理装置根据程序的设定和网络协议将其封 装成数据帧,并加上目的地址,通过网络接口传输到网络上反过来,网络处理器又能接 受网络上其它接点传给自己的数据和命令,实现对本接点的操作 从原理结构上看来网络化智能传感器结构可以用图 1-1 所示框图来表示 图 1-1 网络化智能传感器原理框图 敏感元件可以直接感受被测量并输出与被测量有确定关系的电量信号调理电路 能把敏感元件输出的电信号进行滤波放大等处理后再经过模-数转换,送到微控制器 中微控制器是传感器的核心,它不但可以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敏感元件进行调节 由于微控制器充分发挥各种软件的功能, 可以完成硬件难以完成的任务,从而大大降低传感器制造的难度,提高传感器的性能,降 低成本传感器参数表是传感器产品的基本信息数据表注明了传感器的名称型号 量度精度生产编号等传感器系统通过网络接口连接到网络上通过网络可以很方 便地了解传感器的基本数据 随着智能传感器技术与现场总线技术的快速发展 多个智能传感器/执行器联网组成 的测控系统在测控领域逐渐表现出明显的成本优势和性能优势 传感器开发者与用户都 在大力发展网络化的智能传感器 1-34243 但传感器种类繁多 他们之间的兼容与接口问 题以及网络互操作性问题日益突出 而且目前现有的各种传感器总线或现场总线网络协 议都是针对具体应用而设计的专有协议它们之间互不兼容且各自为政短期内难以实 敏 感 元 件 信 号 调 理 a/d 转 换 微处理器 智能算法 传感器参数表 网 络 接 口 智能传感器 郑州轻工业学院硕士学位论文 5 现统一这就给开发传感器网络接口带来了巨大的困难从 1993 年 9 月开始,美国国家 标准技术研究所和 ieee 仪器与测量协会的传感技术委员会联合组织了一系列专题讨论 会来商讨智能传感器通用通信接口问题和相关标准的制定,这就是被称为 ieee 1451 的 智能变送器接口标准迄今为止针对变送器工业各个领域的需求,共有 5 个工作组先 后被建立来开发接口标准的不同部分,并取得了显著的进展制定 ieee 1451 的目标是 在控制网络与传感器之间定义一个标准接口使传感器的选择和控制网络的选择分开 从而使用户可以根据自己的需要选择不同的厂家生产的智能传感器而不受限制 实现真 正意义上的即插即用 然而现存的几种互不兼容的现场总线即使通过专用网络接口与其他网络或总线互 联但是从成本投资和系统集成等方面都给用户带来了不便从商业上看各大现场总 线技术厂商不愿放弃已有的产品和市场不愿寻求统一这种各自为政的局面在短期内 难以改变对广大用户不利从应用范围上看现场总线主要用于各类自动化领域在 一些地域分布范围广的测控领域如水文勘测环境检测等方面受到一定的限制随着 网络时代的到来和信息化要求的不断提高 特别是 internet 的不断普及和 intranet 在 企业中日益增多将计算机网络技术和智能传感器技术相结合就有必要和可能基于 tcp/ip协议的网络化智能传感器由此而生它将传感器技术通信技术和计算机技 术融合从而实现信息的采集 传输和处理真正统一和协同 除了基于ieee 1451标准开发智能变送器网络接口外,工业以太网现在是测控领域的 新热点ethernet 是一种经济的通信媒体,具有分布式 i/o 能力广泛的开放性通用 性与软硬件支持,现在已经迅速进入传感器网络应用领域 计算机网络的飞速发展,尤其 是 internet 的日益普及和网络技术的日益完善,使得采用 internet 所具有的开放性互 联通信标准,组建基于现有 internet 的通用测试网络成为可能,这同时也促进了人们对 网络化智能传感器的研究 1.2 网络化智能传感器的国内外研究现状1.2 网络化智能传感器的国内外研究现状 具有 internet/intranet 功能的网络化智能传感器的实质是在智能传感器的基础上 实现网络化和信息化其核心是使传感器本身实现 tcp/ip 网络通信协议 46-60 目前 国内外对网络化智能传感系统的研究大体上可分为两大类一类是直接在智能传感器 上实现 tcp/ip使之直接连上 internet另一类是智能传感器通过公共的 tcp/ip 转接 口(或称网关 gateway)再与 internet 相连 对于第一类网络化智能传感器 它是通过软件方式或硬件方式将 tcp/ip 协议嵌入到 郑州轻工业学院硕士学位论文 6 智能化传感器中 不管是以软件方式实现具有 internet/intranet 功能的网络化智能传 感器 (即将 tcp/ip 协议嵌入到 rom 中 )还是以硬件方式实现 (即直接使用 tcp/ip 芯片 ) 都应要求所研制的具有 internet/intranet 功能的网络化智能传感器具有高可 靠性低功耗低成本和微体积等特点关键是网络接口的实现即如何把 tcp/ip 协 议与一般智能传感器融合在一起把 tcp/ip 以软件方式嵌入到 rom 中是一种方法另 外目前已有 tcp/ip 芯片(如美国 seikolnstruments 公司生产的 ichips7600a 芯片) 可直接用作网络接口 有一点要指出的是由于现场级的智能传感器的软硬件资源毕竟有限要使传感 器象 pc 机那样成为一个全功能的 internet 节点显然是不可能的也是没有必要的 因此就要在研究只有internet/intranet功能的网络化智能传感器的基础上同时研制与 之配套的通信策略这要根据传感器自身具备的特定功能和使用场合而定对于类似粮 仓温度测控这样的大型数据采集系统测试点比较多所以以第一类传感器网络化的模 式在每一个传感器的处理单元实现网络通信协议将会使系统连线较多布线复杂 使系统成本加大而且系统干扰很大于是考虑采用第二类网络化智能传感器系统 它是多个传感器通过公共的网关接口再与 internet 连接这将有效地解决第一类网络 化智能传感器系统用于大型数据采集系统所存在的问题 一网络化智能传感器的国外研究现状 自 ieee 和 nist 组织制定网络化智能传感器接口标准 ieee 1451 以来美国一些大 公司积极参与 ieee 1451 标准的制定 并多次在国际传感器博览会上进行了网络化智能 传感器的演示和实验 在 isa98 博览会上惠普公司及其合作伙伴使用 ieee 1451.2 和 ieee 1451.1 来创 建一个使用以太网的储液罐控制方案演示了在传感器级的即插即用展示了分布式智 能层的基于 ieee 1451.1 对象模型的视图演示例子是一个连续处理控制系统它包括 了局部控制和基于网络的监控 储液罐的控制方案演示了使用网关适配器来移植传统的 设备 阀门的控制是通过 grayhill 公司的支持 ieee 1451.2 标准的满足 4-20ma 的工业 输入输出来实现的 另外惠普公司设计的一个流量测量的信息传感器模型它是 ieee 1451 接口标准 的一个典型应用 该传感器模型是采用 bfoot-66501(一种带有定制 web 页的嵌入式以太 网控制器)来设计的stim(智能变送器接口模块)用以连接传感器ncap(网络适配器) 用以连接 ethernet 或 internetstim 内含一个支持 ieee 1451 数字接口的微处理器 ncap 通过相应的 ieee 1451.2 接口访问 stim每个 ncap 网页中的内容通过 pc 机上的 郑州轻工业学院硕士学位论文 7 浏览器可以在 internet 上读取 stim 和 ncap 接口有专用的集成模块问世 如 edii520 plcc-44这就使在片上系统实现只有 internet/ethernet 功能的网络化智能传感器成 为可能 在 1997 年的 isa 展示会上摩尔公司的 jim moore 将 ieee 1451 校正引擎技术用于 传感器模型来提高测试的精确度这种校正算法能够克服一些非线性传感器特征采用 这种方式制造厂商能生产出高质量的智能变送器moore 还演示了应用 ieee 1451.2 标准来有效的补偿多变量的微分和线性压力传感器以及温度传感器 这些传感器的校正 计算是在 stim 中进行的 moore 还提供了一个一阶的取消了温度和其他环境影响的压力 测试模型 在机器运行过程中 为减少损耗 需要持续冷却机器的温度 在 isa98 上 nist(美 国国家技术标准局)使用了基于 java 和 internet 的网络化智能传感器实现了对机器 温度的远程监控一个基于 ieee 1451.2 的 stim 和基于 ieee 1451.2 的 ncap 应用到了 一个高速运行的机器温度监控系统并成功的在 internet 上发布这个演示通过一个 操作者使用 java applet 程序来对机器冷却温度的循环控制进行监控任何一个 internet 上的节点都可以访问这个系统 除了这些公司积极参与 ieee 1451 标准的制定 并多次在国际传感器博览会上进行 了网络化智能传感器的演示和实验外 还有部分公司推出了网络化智能传感器系统开发 工具但是几年过去了基于 ieee 1451 标准的产品问世不多惠普公司在 2000 年 初曾推出了支持 ieee 1451 标 准 的 bfoot1150166501 和 66502 系列 ncap 芯片 但到 2000 年底就宣布不再生产了也就是说目前的市场还没有完全接受并推广使用 这个新的网络化智能传感器标准 目前已知的基于 ieee 1451 的网络化智能传感器主要有 美国 crossbow 公司开发出 的基于蓝牙技术并采用了 ieee1451.2 标准的无线传感器网络产品agilent technologies 和 telemonitor 联合开发的 tmi1451.2-kc 网络传感器 它严格遵守 ieee 1451.2 标准实现了嵌入式服务器功能利用电话线就可以把它连接到 internet 上 此时 tmi1451.2-kc 就成了 internet 上的一个独立节点,并具有网络节点的组态性 configuration和可操作性(interoperability)利用 tmi1451.2-kc 已有的图形界 面,操作人员可以在离被监测点很远的地方来监控被监测设备的工作analog devices 已经推出了基于该标准的 microconverter 系列产品 第二类传感器系统的典型代表是美国国家仪器公司开发的 gpib-enet 控制器模块 它包含一个 16 位微处理器和一个可以将数据流的 gpib 格式与 ethernet 格式相互转换 郑州轻工业学院硕士学位论文 8 的软件将这个控制器模块安装上传感器或数据采集仪器就可以和 internet 互通了 二网络化智能传感器的国内研究现状 自美国组织制定网络化传感器接口标准 iee 1451 以来国内有一些单位如标准化 所中国科学院合肥智能机械研究所合肥工业大学中国电子学会敏感技术分会和重 庆大学等都已注意到这个标准已认识到差距开始了跟踪研究国内一些关于 ieee 1451 传感器接口标准的综述文章已经在一些期刊中出现但基于 ieee 1451 标准的网 络化智能传感器的应用研究成果还未见报道也没有大公司宣布支持 ieee 1451 标准 在国内第二类传感器系统的典型代表是中国单片机公共实验室基于 emit(嵌入式 微互联网技术)软件提出的 bol-ist 方案在国内相关研究中有一定优势emit 采用桌面 计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关 称为 emgateway 上面支持 tcp/ip 协议并运 行http服务程序 形成一个用户可以通过网络浏览器进行远程访问的服务器 emgateway 通过 rs-232rs485can红外及射频等通信方式与多个嵌入式设备联系起来每个嵌 入式设备的应用程序包含一个独立的通信任务称为 emmicro监测嵌入式设备中预先 定义的各个变量并将结果反馈到 emgateway 中同时 emmicro 还可以解释 gateway 的 命令修改设备中的变量或进行某种控制emmicro 和 emgateway 一起为嵌入式设备 中的传感器/执行器提供了 internet/intranet 功能 1.3 研究网络化智能传感系统的意义 1.3 研究网络化智能传感系统的意义 以计算机应用为中心,是当今各种技术领域实现自动化发展的潮流,可是计算机仅是 一种信息处理机,如果没有各种各样性能优良的传感器为它提供可靠的信息,那么计算 机的作用就会大大受到限制实际上由于传感器涉及的知识面和技术领域太宽,目前的 发展现状远比计算机落后因此大力发展传感器技术已是当务之急现代信息技术的三 大基础是信息的采集传输和处理技术,即传感器技术通讯技术和计算机技术它们 构成了信息技术系统的感官神经和大脑信息采集系统的主要部件是传感 器,且置于系统的最前端 仅此而言,传感器也称得上是尖端技术 在美 日等发达国家, 传感器也倍受重视,而且将传感器列为尖端技术有人认为:征服了传感器就等于征服 了科学技术最近 20 年,发达国家对传感器在信息社会中的作用有了新的认识和评价, 俄国的军事航天计划将传感器列为重点,日本把传感器技术列为十大技术之首我 国的八五规划也将传感器技术列为重点发展的新技术传感器的重要性还表现在它 应用的广泛性例如在自动化的生产中,用各种传感器监视和控制生产过程中的各个参 数,以便使设备工作在最佳状态,产品达到最好的质量 传感器在军事中的应用也日趋重 郑州轻工业学院硕士学位论文 9 要,尤其是在海军和空军的装备上更能显示出来 例如在航空航天技术领域,各种航天器 上都配备有多种检测与控制系统,传感器能准确地测量出航天器的飞行参数姿态和发 动机工作状态的各个物理量,将其传送给各自动控制系统,并进行自动调节,使航天器按 人们预先设计的轨道正常运行 随着高科技的发展,传感器在现代高技术战争中的应用, 是国防科技现代化的重要标志之一,也是我国面临的重要研究课题 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(mems)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 网络化智能传感系统就是把模拟或数字的传感器单 元与微控制存储器接口电路和网络控制器进行整合, 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监控能力强 本课题的研究具有普遍的意义不仅可以用于粮仓温度测量还可以应用于工业控 制智能建筑远程医疗环境及水文检测以及农业科技应用等领域对于进一步研究 开发低成本高可靠性配置灵活适用范围广的工业监控网络系统具有普遍的意义和 实用价值因此研究网络化智能传感系统对于提高企业远程监控水平实现管控一体 的综合自动化有着重要的意义对于提高自身的科研水平也有很大的益处 郑州轻工业学院硕士学位论文 10 第 2 章 网络化智能传感系统的总体设计 第 2 章 网络化智能传感系统的总体设计 2.1 课题背景 2.1 课题背景 传感器技术 通信技术和计算机技术作为现代信息技术的三大基础分别完成对信息 的采集传输和处理 60-622021 其中计算机技术和传感器技术的结合产生了智能传感 器为传感器的发展开辟了全新的方向计算机技术和通信技术的结合产生了计算机网 络技术它使人类真正进入了信息化时代而计算机网络技术和智能传感器的结合产生 了网络化智能传感器它使传统测控系统的信息采集数据处理等方式产生质的飞跃 各种现场数据直接在网络上传输发布和共享而且使测控系统本身也发生了质的飞 跃可在网络上任何节点对现场传感器进行在线编程和组态 使测控系统的结构和功 能产生了重大变革 网络化智能传感系统是由一定的网络将各个控制节点 传感器节点及中央控制单元 共同构成其中传感器节点是用来实现参数测量并将数据传送给网络中的其他节点控 制节点是根据需要从网络中获取所需要的数据并根据这些数据制订相应的控制方法和 执行控制输出在整个系统中每个传感器节点和控制节点是相互独立且能够自治控 制节点和传感器节点的数目可多可少根据要求而定网络的选择可以是传感器总线 现场总线也可以是企业内部的 ethernet也可以直接是 internet一个智能传感器 节点是由三部分构成传统意义上的传感器网络接口和处理单元根据不同的要求 这三个部分可以是采用不同芯片共同组成合成式的也可以是单片式的 控制节点由微处理器网络接口及人机接口的输入输出设备组成用来收集传感器 节点所发送来的信息并反馈给用户和输出到执行器以实现一定的输出将所有的传 感器连接在一个公共的网络上为保证所有的传感器节点和控制节点能够实现即插即 用必须保证网络中所有的节点能够满足共同的协议无论是硬件还是软件都必须满足 一定的要求只要符合协议标准的节点都能够接入系统因此为了保证这种即插即用的 功能智能传感器的节点内部必须包含微处理芯片和存储器一方面用来存储传感器的 物理特征偏移灵敏度校准参数甚至传感器的厂家信息维护等另一方面用 来实现数据的处理和补偿以及输出校准由于这些功能的实现是在每个传感器内部完 成相应的内部参数在传感器出厂的时候已经写入内部寄存器中固定的单元因此在更 换和增加新的节点时候无须对传感器进行标定校准 郑州轻工业学院硕士学位论文 11 对于大型数据采集系统而言(特别是工厂级的数据采集系统)由于其中的传感器/ 执行器数以万计特别需要减少其中的总线数量最好是能够统一为一种总线或网络 这样有利于简化布线既节省空间又降低了成本而且在系统维护方面也大为方便另 一方面现有工厂和企业大都建成企业内部网 intranet基于 intranet 的信息管理系 统成为企业运作的公共信息平台为工厂现代化提供了有力的保障intranet 和 internet 具有相同的技术原理都基于全球通用的 tcp/ip 协议使数据采集信息传 输等都能直接在 intranet/internet 上进行既统一了标准又使工业测控数据能直接 在 intranet 和 internet 上动态发布和共享供相关技术人员管理人员参考这样就 把测控网和信息网有机地结合了起来使得工厂或企业拥有一个一体的网络平台从成 本管理维护等方面考虑都是一个最佳的选择 粮食温度检测是粮食储备库防止粮食霉烂进行保质存放的重要环节 23-32 通常粮 温测控系统主要以热敏电阻数字式温度传感器pn 结型温度传感器作为温度传感器 采用热敏电阻作为温度传感器的粮温测控系统的硬件由上位机通信接口电路智能分 机温度分线器测温电缆和通风控制器组成其系统结构图如图 2-1 所示 图 2-1 粮温测控系统结构图 在上位机上运行粮温测控系统软件对检测到的温度数据进行分析决定是否需要 通风或降温通信接口电路完成两种通信协议之间的衔接转换功能智能分机温度分 线器和通风控制器之间均采用单根多芯电缆连接 采用数字温度传感器的粮温测控系统 的结构不同之处在于用测控单元替代了测控分机 智能分机是由数字电路和模拟电路组 上位机 通信转换电路 测控单元 测控单元 测控单元 扩充 连接器 通风 控制器 扩充 连接器 通信总线 接通风机械 接测温电缆 郑州轻工业学院硕士学位论文 12 成而测控分机仅由数字电路组成使测控单元的设计更为容易 国内粮情测控系统的通信方式主要采用 rs485 总线技术和现场总线技术rs485 是 使用较为广泛的双向有补偿传输线标准其最大每段总线长度为 1200 米每段最多支 持 32 个节点采用单组双绞线双向通信当总线加长和节点增多时需要使用中继器 连接全网络最多支持 256 个节点rs485 通信技术应用时间较长软硬件实现较为容 易因此是国内粮情测控系统采用较多的通信方式由于 rs485 总线技术不支持多主结 构系统容量通信距离等方面具有很大的局限性所以随着现代化大型粮食储备库的 逐年增多使用 rs485 通信方式愈来愈少 现场总线技术是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议 它的 出现为自动化控制和仪器仪表工业带来了巨大的变革它代表着未来的发展方向目前 国内粮情测控系统采用了两种现场总线 lonworks 和 can lonworks 的技术特点是总线 开放互操作性强可靠性高最高通信速率可达 1.25mbit/s,最大通信距离可达 2700 米最多节点数为 32000 个由此可以看出它在性能上比 rs485 总线好的多can 总线 技术在粮情测控系统中的应用比 lonworks 总线技术更为广泛它的特点是支持多主结 构通信距离远价位低可靠性高容量大现场总线是一个全新的通信技术它的 采用使系统的性能大大提高 粮仓温度测控系统在我国的应用已相当普及 从以上的分析可以看出目前我国大型 粮库的粮温测控系统主要采用由 pc 电脑和单片机组成的主从式的多机联网系统单片 机作为下位机负责粮仓现场各温度点的选通和采集作为上位机的 pc 机则负责粮 仓温度的集中显示和管理记录pc 机与单片机之间的通讯方式一般为 rs485 接口标准 因此主控室与各粮仓之间要架设电缆对于粮仓多分布散的大型粮库安装与维护 这种多机联网系统是一项较大的工程其次要解决因电缆而引起的雷击问题也决非一 件易事随着现场总线的出现将现场总线应用于粮仓温度测量虽然节省了许多信号 电缆但由于是有线通信由线缆引起的安装复杂需要布线和改线容易遭到破坏 一但遭到破坏故障的诊断和修复比较麻烦等困难仍然存在为此我们将所研究的网 络化智能传感系统用于粮温测控将会使上述问题得到很好的解决 2.2 系统总体结构 2.2 系统总体结构 本课题研究的网络化智能传感系统用于粮仓温度测量 其系统总体结构如图 2-2 所 示 郑州轻工业学院硕士学位论文 13 图 22 系统总体结构图 2.3 工作原理及特点工作原理及特点 该系统采用分布式结构由一个网关和多个下位机系统组成它以 ds18b20 为传感 器下位单片机系统以 at89s8252 为控制核心 at89s8252 采用 atmel 的高密度非易失性存储器技术制造与工业上标准的 80c51 的指令系统及引脚兼容它提供了 8kb 的可向下装载 flash2kb 的 eeprom256b 的 ram32 条 i/o 引线可编程程序控制定时器双数据指针3 个 16 位定时器/计数器 网 络 化 智 能 传 感 系 统 客户机浏览器 crt 显示键盘 打 印 机 局域网 网 关 无线收发模块 无线收发模块 无线收发模块 下位机系统 1 下位机系统 n 单片机 输入输出接口 输出接口 lcd 显示键盘 传感器 报警装置及制冷通风装置 下 位 机 系 郑州轻工业学院硕士学位论文 14 7 向量 2 级中断1 个全双工串行口片内振荡器和时钟电路等标准功能全静态操作 024mhz 该芯片与其他 mcs-51 系列单片机的不同之处在于具有 2kb 的 eeprom 和可编 程程序控制定时器由于粮仓温度测控系统是一个大型的数据采集系统需要大量的数 据存储特别是每个传感器的 64 位序列号需要掉电保护而单片机系统本身含有 2kb 的 eeprom所以就不用另外扩展数据存储器使系统性能更加稳定可编程程序控制 定时器可以监视系统程序是否正确执行对于提高微控制器的抗干扰能力增强程序的 安全性有着非常重要的作用 单片机本身集成了可编程程序控制定时器就可以使系统不 用另外扩展外增强了系统的稳定性 ds18b20 是美国 dallas 半导体器件公司在其前代产品 ds1820 的基础上推出的单线 数字化智能集成温度传感器它采用一根信号线实现信号的双向传输具有接口简单 节省 i/o 连线便于扩展和维护等优点它既可以由单线总线供电也可选用外部电源 供电本系统采用外部电源供电由于整个粮仓的测温点比较多于是采用 ds18b20 的 i/o 数据线通过多路开关和驱动电路与单片机相连 键盘及显示部分可以用来设定报警温度上下限和显示传感器的当前温度值等 键盘 采用 44 键盘显示采用液晶显示由于单片机引脚数目所限采用 74ls164 扩展并 行口与 74ls164 连接的串行口用单片机的并行口通过软件模拟当测量温度值超出报 警界限后输出温度控制信号经驱动电路后驱动固态继电器通过改变致冷通风系 统的工作状态可实现对粮仓温度的控制 单片机通过无线收发模块 ptr2000 与网关交换信息ptr2000 可直接接单片机的串 口或 i/o 口连接时ptr2000 无线 modem 的 di 端应接单片机串口的发送端,do 端应接 单片机串口的接收端利用单片机的 i/o 可以控制模块的发射控制频道转换和低功耗 模式 网关采用华恒 hhcf5249-r3华恒 hhcf5249-r3 套件是一套完整的基于摩托罗拉 mcf5249 处理器的嵌入式开发平台核心板和底板配合即构成一个最小的完整应用系 统系统具有体积小耗电低处理能力强网络功能强大等特点能够装载和运行嵌 入式 linux 操作系统用户可以在这个系统平台上进行自主软件开发并进行测试和 评估也可在保持核心板不变的情况下针对具体的应用通过对底板的更改来实现自己 的应用系统 本系统的主要特点是以无线方式实现了数据传输现场安装调试方便可靠性高, 扩充维护方便 郑州轻工业学院硕士学位论文 15 2.4 本文的主要工作 2.4 本文的主要工作 本文在对传统的传感器系统和智能传感器系统的理论及实践进行研究的基础上 设 计了一种网络化智能传感系统并将它用于粮仓温度测试 主要内容如下 1.本文首先介绍了传感器的发展重点介绍了网络化智能传感器的发展现状指出 目前网络化智能传感器的两种形式 一种是直接在智能传感器上实现 tcp/ip 使之直接 连上 internet另一种是智能传感器通过公共的 tcp/ip 转接口(或称网关 gateway)再 与 internet 相连 2. 基于前一种网络化智能传感器在大型数据采集系统中应用时存在着很多不足 于是提出了一种基于 tcp/ip 协议的网络化智能传感系统的设计方案并将其用于粮仓 温度测控系统将会使粮仓温度测控系统的现状得到很大的改观 3.设计了温度采集部分显示部分和无线数据通信部分的硬件电路和相应的软件 4.对系统进行了较全面的抗干扰设计保证了系统的稳定性和可靠性 郑州轻工业学院硕士学位论文 16 第 3 章 硬件电路设计 第 3 章 硬件电路设计 以粮仓温度为测试对象网络化智能传感系统的结构如图 2-2 所示该系统采用分 布式结构由一个网关和多个下位机系统组成在该系统中温度传感器采用 ds18b20, 单片机系统以 at89s8252 作为控制核心具有温度采集显示报警等功能单片机系 统将采集到的温度信号以无线方式传输给网关网关将其进行协议转换然后将其发布 到网上 管理人员可以随时随地通过相应的网页察看系统的温度变化 在该系统中 无 线收发模块采用 ptr2000 网关采用华恒 hhcf5249-r3下面介绍本系统各主要部分 的电路设计 3.1 温度检测电路设计温度检测电路设计 温度是表征物体冷热程度的物理量 18 温度不能直接测量只能借助于冷热不同的 物体之间的热交换 以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性加以间接测 量人们根据热平衡观点设计出各种接触式测量仪表选择某一物体与被测量物体接 触并进行热交换当两者达到热平衡状态时选择物体与被测物体温度相等于是 可以通过测量选择物体的某一物理量得出被测物体的温度数值当然为了得到温度 的精确测量要求用于测温的物体的物理性质必须是连续单值地随温度变化并且在 现性好由于温度测量方法的上述特点就决定了温度测量方法和仪表的多样化总的 来讲可以把他们分作两类即接触法测温和非接触法测温接触式测温方法是测温 敏感元件直接与被测介质接触使被测介质与温度敏感元件进行充分的热交换而完成 温度测量的非接触式测温方法是测温仪表的敏感元件不直接与被测对象接触而通 过辐射或对流实现热交换以达到测温的目的 温度测量首先是由温度传感器来实现的 测温仪器通常由温度传感器和信号处理两 部分组成 温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它 形式的信号,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来温度传感器随 着温度变化而引起变化的物理参数有:膨胀电阻电容热电动势,磁性能频