网络化智能传感器教材

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1、网络化智能传感器 n概述 n基于Web的虚拟仪器 n嵌入式Internet的网络化智能传感器 nIEEE1451网络化智能传感器标准 一、概 述 n 网络技术和计算机总线技术的发展，再加上 测控任务的复杂化以及远程监测任务等迫切需求 ，促进了测控仪器向网络化的方向快速发展。 n 网络化仪器包括基于计算机总线技术的分布 式测控仪器、基于Internet/Intranet的虚拟仪器 、嵌入式Internet的网络化仪器、基于IEEE1451 标准的智能传感系统以及基于无线通讯网络的网 络化仪器系统等。 n 它们在智能交通，信息家电、家庭自动化、 工业自动化、环境监测及远程医疗等众多领域得 到越来越

2、广泛的应用。 二、 基于Web的虚拟仪器 基于Web的虚拟仪器概念 基于Web的虚拟仪器软件技术 基于Web的虚拟仪器发展 n 智能仪器在模拟仪器的基础上有了较大的发 展，应用了许多计算机方面的技术，如可以通过标 准的IEEE488接口连接到普通计算机，仪器内部一 般内置有处理器和存储器。 n 但是由于IEEE488接口传输速度有限，智能仪 器存在着实时性差、价格昂贵、扩展能力低以及开 放性差的缺点，而且智能仪器也是由厂商定义的， 用户通常是无法改变的。 n 虚拟仪器（VI）克服了上述缺点，而将Web和 虚拟仪器结合起来，使 VI拓展到真正的分布式网 络测试应用环境中去，可以丰富测试手段，提高

3、测 试效率，充分合理地利用有效的资源。 虚拟仪器与智能仪器的简要对比： 2基于Web的虚拟仪器概念 基于Web的虚拟仪器（ VI），简单说就是 把VI技术和面向Internet的Web技术二者有机 结合所产生的新的VI技术。 形象地说，VI的主要工作是把传统仪器的 前面板移植到普通计算机上，利用计算机的 资源处理相关的测试需求；基于Web的VI则更 进一步，它是把仪器的前面板移植到Web页面 上，通过Web服务器处理相关的测试需求。 VI的两大技术基础是计算机硬件技术和 软件技术. VI依靠计算机强大的处理能力，高性能 的显示技术，高速的存储系统，丰富的外部 设备；同时VI还有计算机丰富的软件

4、系统， 包括网络化的操作系统(如Windows NT)、应 用软件(如Internet Explorer)和网络性能 非常强的VI软件(如National Instrument公 司的ComponentWorks,G Web Server等)。所 有这些使VI系统本身具备了强大的网络能力 。 VI技术： VI和Web结合的基本模型 ： 图1 虚拟仪器与WWW结合模型 可以看出，在虚拟仪器的基础上，增加其登陆因 特网及网络浏览的功能，就可以实现基于Web的网 络化仪器了。从这一角度讲，基于Web的网络化仪 器是虚拟仪器技术的延伸与扩展。 3基于Web的虚拟仪器软件技术 ActiveX技术 Dat

5、aSocket服务器 Web服务器 ActiveX技术 ActiveX是由Microsoft公司定义并发布的 一种开放性标准。它能够让软件开发者很方 便、快速地在Internet、Intranet网络环境 里，制作或提供生动活泼的内容与服务、编 写功能强大的应用程序。 ActiveX优点主要有以下几个方面： n 利用现成的1000多个ActiveX Controls，可 以很容易开发出基于网络的应用程序。 n 可以开发出能够充分发挥硬件与操作系统功 能的应用程序与服务。这是由于所调用的ActiveX Controls与硬件及操作系统功能能够较紧密地结 合的缘故。 n 跨操作系统平台，支持Win

6、dows、Macintosh 、UNIX版本。 ActiveX最吸引人的地方之一，就是ActiveX Controls。 ActiveX Controls 就是基于OLE(Object Linking n 1994年3月，美国国家标准技术协会 NIST(The National Institute f Standard and Technology)和IEEE共同组织一次关于制 定智能传感器接口和制定智能传感器连接网络通 用标准的研讨会，从这以后连续主办了四次关于 这方面问题讨论的一系列研讨会场; n 直到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

7、。 IEEE1451.2的一种系统结构框图 传感器 处理器 TEDS STIM 应用处理软件 识别 校正 引擎 WEB 服务器 NCAPInternet 客户端 TII P1451.1工作组主要负责智能变送器的公共目标模型进行定义 和对相应模型的接口进行定义； P1451.2工作组主要定义TEDS 和数字接口标准，包括STIM 和NACP之间的通讯接口协议和管脚定义分配。 （1）智能变送器模块（Smart Transducer Interface Module，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（Networked apableApplic

8、ation Processor，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）智能独立接口（Transducer Independent Interface ，TII）。TII是NCAP和STIM之间的硬件接口。 （4）电子数据表格（Transducer Electronic Data Sheet， 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。 （5）校正引擎（Correction Engine，CE）。校正引擎是

9、 指应用特定的数学函数将来自一个或多个STIM的数据或 者来自其他途径的数据融合起来，应用数学公式或者存储 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。 （6）传感器类型。IEEE1451协议标准对传感器进行了分 类，主要分为6种类型：Sensor、Actuator、Buffered Sensor、Data Bufferred Sensor、Bufferred Data Sequence Sensor及Event Sequence Sensor。 IEEE1451网络化智能传感器模型 IEEE1451协议族体系结构 IEEE1451协议族各标准模型 1998底，技术委员会针

10、对大量的模拟量传输方式 的测量控制网络及小空间数据交换问题，成立了 另外两个工作组P1451.3、P1451.4。 P1451.3负责制定与模拟量传输网络与智能网 络化传感器的接口标准； P1451.4负责制定小空间范围内智能网络化 传感器相互之间的互联标准。 采用IEEE1451.4标准的主要目的如下 ： n 通过提供一个与传统传感器兼容的通用 IEEE1451.4传感器通信接口使得传感器具有 即插即用功能。 n 简化了智能传感器的开发。 n 简化了仪器系统的设置与维护。 n 在传统仪器与智能混合型（smart mixed- mode）传感器之间提供了一个桥梁。 n 使得内存容量小的智能传感

11、器的应用成为 可能。 虽然许多混合型 （即能非同时地以模拟和数字的 方式进行通信）智能传感器的应用已经得到发展，但 是由于没有统一的标准，市场接受起来比较缓慢。 一般来说，市场可接受的智能传感器接口标准不 但要适应智能传感器与执行器的发展，而且还要使开 发成本低。 因此，IEEE1451.4就是一个混合型的智能传感 器接口的标准，它使得工程师们在选择传感器时不用 考虑网络结构，这就减轻了制造商要生产支持多网络 的传感器的负担，也使得用户在需要把传感器移到另 一个不同的网络标准时可减少开销。 IEEE1451.4标准通过定义不依赖于特定控制网络的 硬件和软件模块来简化网络化传感器的设计，这也推

12、动了含有传感器的即插即用系统的开发。 1451网络传感器检测系统设计 对传感器进行自动识别、 学习，完成信息获取。 信息网 NCAP 1451智能传感器 构建的传感器网络演示系统示意图 远程温度监控系统的构建 以太网NCAP和温度STIM即插即用组成一个完整的网络化温度智能 传感器节点。节点可以与HUB直接相连，接入Internet网络 矿井安全监控系统 基于以太网络，通过光纤进行信息传输，构建地下信息高速公路 。系统不仅可以监测瓦斯、有毒气体等安全信息、控制井下设备 ，而且可以通过视频、音频等多媒体信息对井下进行监控 IEEE1451系列标准 的发展动 向 n IEEE和NIST还在着手制定

13、无线连接各种传感 设备的接口标准。该标准的名称为“IEEE P1451.5”。主要用于利用电脑等主机设备综合管 理建筑物内各传感设备获得的数据。如果这一过 程中的传送方式能得到统一，则有望降低无线传 送部分的成本。 该规格中还将包括把传感器获得的信息用于 WWW等外部网络的表述方式。 n IEEE1451中将包括自动进行传感器微调的 结构及实现通用即插即用（UPnP）的方法等，也 就是所谓的“智能传感器”的标准。此前制订的标 准主要是面向有线接入用途，但随着无线通信的 硬件及软件价格的降低，无线支持功能便被提上 了议事日程。 n IEEE P1451.5将对物理层的传送方式等问 题做出规定。正

14、在探讨IEEE802.15.1（蓝牙协议 ）、IEEE802.15.4（介于无线识别技术和蓝牙之 间的技术提案）以及IEEE802.11b等无线通讯协 议的使用问题。还将着手制定耗电量、传送距离 以及接收/发送部件的成本等方面的标准，推动无 线通讯网络化仪器的进步。 讨论IEEE1451系列标准，一定要注意到所有的 IEEE1451系列标准都能单独或相互使用。例如，一 个具有P1451.1模型的“黑盒子”传感器与一个 P1451.4兼容的传感器相连接就是符合P1451系列标 准定义的。 具有IEEE1451系列标准的智能传感器可以很好 地支持测量领域。这不仅有助于用更多的传感器设 计更大的系统

15、，还能同时实现高精度的测量。 随着无线通讯技术的发展，基于手机的无线通 讯网络化仪器以及基于无线Internet的网络化仪器 等新兴的网络化测试仪器正在改变着人类的生活。 韩国采用IEEE1451标准和相关技术对主要城市的基础设施进行 监测和监视。该项目由韩国的商业部门、工业部门以及能源部 门共同承担。图为韩国基于IEEE1451标准构建的无线传感器测 控网络，基本覆盖了韩国的整个国土。 DX 系列智能变送器 北京宇世通控制技术有限公司 1. Honeywell公司、法国 Humirel公司(全球知名的著名湿 度传感器专家 )、Mierosemi公司(功率半导体的先驱 )、 Agilent公司(美国安捷伦 )、Atmel公司(爱特梅尔半导体 )、 Veridicom公司、ADI公司、NSC公司、Telcom公司、 Philips公司、MAXIM公司、DALLAS公司、ST公司、 Motorola公司、Sensirion公司、HOLTEK公司、Rosemount 公司、Infineon公司、Murata Manufactuaring Co.，Lta公司