吉大传感器原理及应用课件第7章 智能化网络化传感器技术

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1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。

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2二、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，如压力、温度和流量等。3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％。

智能压力传感器智能压力传感器4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。

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数据处理中心数据处理中心数字化处理

(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5二、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。6IEEE1451协议族体系结构

网络应用处理器(NCAP)NetworkedCapableApplicationProcessorIEEE1451.2IEEE1451.4IEEE1451.3IEEE1451.5模拟+数字数字点对点分布式多点总线无线TEDS变送器TEDS变送器TII接口TEDS变送器总线接口TEDS变送器无线接口现场网络IEEE1451.1通用对象模型IEEE1451.0通用功能与TEDSNetworkIndependent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IEEE1451.6CANTEDS变送器CANopen整个协议分为面向软件接口与面向硬件接口两大部分。7三、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。（7）UUID（全局统一标识符），UUID是全球唯一的标识符。8TII是NCAP和STIM之间的硬件接口。它基于SPI模型进行数据通信。TII的信号线和控制线如图。

TII独立接口操作分为触发和读写传感器两种事务，读写事务由NIOE发起，其操作是TII接口的主要功能，从NCAP的角度STIM可被看成一个存2．独立数字接口（TransducerIndependentInterface，TII）规范

DINDOUTDCLKNIOENTRIGNACKNINTNSDET+5VCOMMNetwork网络应用处理器NCAP智能变送器模块STIM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。93．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。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。

104．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（ChannelTEDS）：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（CalibrationTEDS）：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-IdentificationTEDS）：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-IdentificationTEDS）：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（EndUsersApplication-specificTEDS）：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。11四、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。

变送器输入/输出特性校正算法嵌入式JavaApplet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电源管理、热插拔控制单元嵌入式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TII智能独立接口以太网络执行器传感器TII智能接口12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（WiredorWireless）；建立了智能传感器的“即插即用”标准（PlugAndPlay）；（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）。13五、IEEE1451标准网络化智能传感器节点应用

TEDS存储单元外扩RAM微控制器扩展TII信号调理模数转换电路ADC信号调理湿度温度智能变送器模块在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IEEE1451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。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。14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,wirelesssensornetworks)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;也可能由工作的需要而被添加到网络中。152．典型的无线传感器网络的组成结构

N表示传感器节点，多个传感器节点构成一个Sink节点（称为汇点），多个汇点构成的传感器网络相当于网关节点。传感器节点被密集地投放于待监测区域获取第一手信息，而网关节点储备较多的能量或者本身可以进行充电,这样就可以将节点收集到的信息通过以太网、数字移动网或卫星与较远的信息平台进行交换或传输。16

无线传感器网络是一种以数据为中心的网络，具有小型化、低复杂度、低成本的特点。2000年12月，国际电子电气工程师协会成立IEEE802.15.4工作组,致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、低成本和低功耗的低速率无线连接技术标准。2002年8月由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司成立ZigBee联盟。ZigBee正是这种技术的商业化命名。这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag

形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。IEEE802.15.4标准一出现就引起了业界的广泛重视,短短一年多的时间内便有上百家集成电路、运营商等宣布支持IEEE802.15.4/Zigbee,并且很快在全球自发成立了若干联盟。推动了无线传感器网络在军事、环境监测、家居智能、医疗健康、科学研究等领域中的应用。

3．IEEE802.15.4/ZigBee

17二、IEEE802.15.4/ZigBee技术

1．主要技术特征

近距离无线通信协议:IEEE802.11b、IEEE802.15.1(蓝牙)IEEE802.15.4(ZigBee)技术特征类别特征描述复杂程度比现有标准低成本ZigBee协议免专利费，ZigBee无线芯片1.5-2.5美元工作频段、数据率、信道数868MHz:20kbps,1欧洲流行926MHz:40kps,10美国流行2.4GHz:250kps,16全球流行传输范围室内：10m/250kps室外：30m-75m/40kbps，300m/20kbpsZigBee网络容量一个ZigBee网络最多容纳254个从节点和一个主节点，一个区域可以同时存在最多100个ZigBee网络MAC控制方式星型网络、对等网络（孔型）安全性提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性通信延时≥15ms寻址方式64比特IEEE地址，8比特网络地址功耗≤45μA温度-40oc～85oc182．IEEE802.15.4/ZigBee协议栈简介

IEEE802.15.4满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。IEEE802.15.4协议主要负责制定物理(PHY)层和媒体控制(MAC)层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由ZigBee联盟(ZigBeeAlliance)负责。ZigBee协议栈层次结构如图。协议栈组成：应用层应用接口网络层数据链路层物理层193．ZigBee网络拓扑结构

IEEE802.15.4提供3种有效的网络结构和3种器件工作模式204.ZigBee的优点

▲省电：ZigBee节能技术可确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。

▲可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。▲成本低：模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5美元到2.5美元之间，由于ZigBee协议是免专利费的。▲时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道拉入时延为15ms。▲网络容量大：一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域可以同时存在最多100个ZigBee网络。▲安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。21三、ZigBee无线传感器网络节点

1．ZigBee无线传感器网络节点的基本结构ZigBee节点构成：微控制器MCU、无线射频收发器和天线22ZigBee无线传感器网络节点硬件结构

232．ZigBee无线芯片---CC2420无线RF收发器

243．ZigBee无线传感器网络节点的嵌入式操作系统

TinyOS是专门为无线嵌入式传感网络设计的操作系统,其目标是用最少的硬件支持网络传感器的并发密集型操作。TinyOS的特征是面向组件的结构,通过提供一套模块软件构造工具实现。设计者可以选择所需要的组件,这样就可以使嵌入式操作系统在代码实施要求非常严格的情况下做到尽可能的小,文件的大小甚至可以小到200字节。组件库包括网络协议、分布式服务、传感驱动器和数据采集工具,这些组件都可以作为进一步开发的基础。。TinyOS是用NesC编写的,NesC是一种专门的面向组件的语言,它是专门为嵌入式系统比如嵌入式传感器设计的。NesC具有一个与C语言类似的语法,支持TinyOS的并发模式以及命名,具有连接其他软件组件的机制。NesC定义了组件的模型,支持事件驱动系统。这种模型对于简单的时间流程提供了双向的接口,同时支持灵活的软硬件边界处理。NesC定义了一个简单的但是很有效的并发机制,这样可以让NesC的编译器在编译的时候发现竞争的数据,同时可以在资源很有限的情况下实现很好的并发行为。基于上面的这些性质,NesC设计时候具有如下的特点:NesC是一种扩展性的C语言,由于C语言具有高效性,几乎兼容所有的微控制器,并且C语言的可读性很强,同时C语言的掌握者也很多,有助于NesC技术的推广；NesC的程序易于整体的程序分析,NesC没有动态的内存分配,这一规定使整个系统调用非常简单准确；NesC支持并且反映着TinyOS的设计。25四、ZigBee无线传感器网络主要应用领域

1．军事领域的应用2．生态环境与灾害监测

3．智能交通管理

4．ZigBee

联盟预测的无线传感器网络主要应用

26第四节模糊传感器

一、模糊传感器的概念及其认识1．模糊传感器的产生

模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上，经过模糊推理与知识集成，以自然语言符号描述的形式输出测量结果的智能传感器。法国学者L.Foulloy指出,模糊传感器是一种能够在线实现符号处理的聪敏传感器，它集成了数值符号转换器，可直接应用于模糊控制；英国学者D.Stipanicer指出，模糊传感器是一种智能测量设备，将被测量转换为适于人类理解和感知的信号；英国学者K.Tukahashi认为,数值传感器是只见树木的微观传感器，而模糊传感器是一种“既见森林,又见树木”的宏观传感器,它在测量中的作用正日益增大。

272．测量的发展与模糊传感器

从测量仪器的发展趋势看,未来的测量仪器将是一个信息处理机,引入人工智能以实现智能测量,已是一种必然的趋势。智能表现出最大的特点是知识性。而知识的表示则在于符号而不是数值。智能测量中,无论是学习、推理、判断,还是自适应等功能都离不开符号,从这一个基本观点出发,测量应该包含定量、定性以及定量与定性综合集成信息的获取过程。把人的思维、思维的成果、人的知识及各种信息集成起来,获取定性或定量描述被测对象的高层逻辑信息。从测量要求看，人们要求测量结果接近人的习惯，而不是人去接近测量仪器。这包括三个方面：人们要求测量结果不但给出量值的显示，而且给出对结果的判断和最终结论,即对被测对象定性的描述；对于非统计方法可处理的误差，应立足于模糊集理论和区间值分析法，给出更切实际的不确定性；人类经过大脑加工处理后所产生的输出信息,不管是语言、动作、还是某种暂存于大脑中的决策，大都不是唯一最佳的，而是属于能解决问题的满意型的。28从测量信息处理方式演变过程来看,由传统的数据处理→以数学模型为主的数据处理→以人类经验和知识为基础的知识处理→数学模型和知识模型组合处理方式发展。其中,基于定性符号描述的知识的作用变得越来越重要。现代医疗仪器应该输出基于知识的诊断结果,为此要在相关物理量测试的基础上进行诊断。因此,刻划、模仿和实现人类的定性知识推理促成了符号化表示的研究。从测量结果的表示和处理来看,随着测量领域的扩大,现实世界的各种模糊对象及其联系决定了不可能完全采用常规的精确数值来表述这些信息。当人们寻