（机械电子工程专业论文）基于嵌入式internet的ip传感器的研制.pdf

华中科技大学颈士学位论文 摘要 随着t n t e m e t 静飞速发展帮智能传感嚣的进步，将i n t e r n e t 技术与智熊传感嚣技术姻 缀合，僮馋惑耩在鬻场级就暴有萋予t c p i p 协议的遴信功能，楚传惑器重簧韵麓震方 向之一。磷制是有i n t e m e t 互联功糍的霉g 传感器，对设备远程监测枣重要爨义。本文 在深入分攒j 曩 爨究智能传感器标礁一l e 嚣嚣1 4 5 l 标准的基础上，掇出了具毒i n t e r n e t 互联 功能的网络化鬻能传感器佃传感嚣概念及其模型，实现了i p 传感器原型系统的设计， 并验证了箕功能。本文的主要研究成果包括： 蕾先阐述了传感器瀚发袋历程帮醑究现狄，结合嵌入式i n t e r n e t 技术，摅出了强傣 慧器的概念。强深入研究耱分辑了 嚣鼹1 4 5 l 挥准，茏英蔻i e e e1 4 5 1 1 帮磁e e1 4 5 l ，2 拣准戆基溅上，提爨了l p 传感器模型并详缎溺述了葵工终添瑾。本文将l p 转感器模型 划分为两个部分：因特网应用处理模块( i n t e r a c t - e n a b l e d a p p l i c a t i o np r o c e s s i n gm o d u l e ， i a p m ) 和帮& 变送嚣接口模块 s m a r t t r a n s d u c e r i n t e r f a c e m o d u l e ，s t i m ) 。豳特阚应用 处理模块实现了t c p i p 协议栈和嵌入式w 曲服务器，提供了i n t e r n e t 按八功能，为熙 户提供了基于浏览器的稀准的用户接韶，实现了佟感器的网络化；该模块还实现了智能 应焉冀法，麴数据梭歪，数据楚理等，实现了传惑器的信怠仡。餐自交邀器羧日穰块完 全遵锤毽e e1 4 5 1 ，2 稼强，凭据冀体既交遴器、t e d s ( t r a n s d u c e re l e c t r o n i cd a t as h e e t ， 电子数据袭单) 积蛾蛙逻辑等，实现了馋感嚣壤息获敬的主要功能鞠蠡我接述功能，实 现了传感器的甥能化。两郝分之间通过传感器接口相互协调，从而实现i p 传感器的功 能。 掇据i p 传感器的模型，在单片机上案现了该模型的原型系统，龟括总体方案、系 统静磺释、软件、应蘑编耧接口帮稽关酌配置工舆的设计和实糯。着重论述了t c p l i p 协议栈魄实溪、嵌入式w e b 鼹务器豹设计秘数据校正引擎敦实溅。 最震，在设计懿原溅系统上遴牙了实验，对静传感器憝功能遴嚣了验 歪。实验袭 明，1 p 传感器的模型是可行灼，可用于i n t e m e t 环境下的分布式测控，龙其怒实时性要 求不高的远程监控。i p 传感器有优良的性能且成本低廉。 关键蠲：嵌入式i n t e m e t 、餐耗传感释、i e e e1 4 5 1 标臻、i p 传臻嚣 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to f i n t e r n e ta n ds e n s o rt e c h n i q u e s ，i ti sa l li m p o r t a n tt e n d e n c yt o c o m b i n et h es m a r tt r a n s d u c e rt e c h n o l o g yw i t ht h ei n t e r a c tt e c h n o l o g yt od e v e l o pt h en e x t g e n e r a t i o no fs e n s o r s ，w h i c he n a b l e st h e s e n s o r st oo w nt h ea b i l i t yo ft c p i p b a s e d c o m m u n i c a t i o na tt h ed e v i c el e v e l t h a ti sa s i g n i f i c a n ts t e p t o w a r d s b u i l d i n g t e l e m o n i t o r i n g n e t w o r kb a s e do nt h e p r e s e n t i n t e m e ti n f r a s t r u c t u r e 。a f t e rae a 抟f u l d i s c u s s i o no ft h es m a r tt r a n s d u c e rs t a n d a r d ，i e i e e e1 4 5ls t a n d a r d ，t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t sa l li n t e m e t - e n a b l e ds m a r tt r a n s d u c e rm o d e l ，i e a l li ps e n s o rm o d e l ，a n dr e a l i z e s i t sf u l l w o r k i n gp r o t o t y p e m o r e o v e r , s e v e r a le x p e r i m e n t s a r e d e s i g n e dt ov e r i f y t h e f e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo f t h ep r o p o s e ds o l u t i o n t & m a i nc o n t r i b u t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o n a r e ： f i r s to fa l l ，a f t e rac a r e f u li n v e s t i g a t i o n ，t h ec o n c e p to fa l l 臻s e n s o ri sp u tf o r w a r d c o m b i n e dw i t ht h ee m b e d d e di n t e m e tt e c h n o l o g y t h e n ，t h ei ps e n s o rm o d e li sp r e s e n t e d ， a sw e l l 豁i t sw o r k i n gm e c h a n i s mi se x p l a i n e d 。a f t e rad e t a i l e da n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no f t h ei e e e l 4 5 1f a m i l ys t a n d a r d s ，e s p e c i a l l y1 4 5 1 1a n d1 4 5 1 2 h e r e i n ，t h ep r o p o s e di p s e n s o rm o d e i sm a d eu po ft w op a r t s ：i n c l u d i n gn a m e l yi n t e r n e t - e n a b l e da p p l i c a t i o n p r o c e s s i n gm o d u l e ( i a p m ) a n ds m a r tt r a n s d u c e ri n t e r f a c em o d u l e ( s t i m ) t h ei a p m i m p l e m e n t st h et c p i ps t a c ka n d 勰e m b e d d e d w e bs e r v e r ，a n dp r o v i d e st h es t a n d a r du s e r i n t e r f a c eb a s e do nw e bb r o w s e r s 。w h i c hm a k et h ei ps e n s o ri n t c r u e tv i s i b l ea n dc a p a b l e n l es t l mi sf u l lc o m p l i a n tw i t hi e e e1 4 5 l 。2s t a n d a r da n di n c l u d e ss o m es p e c i f i c t r a n s d u c e r s ，t r a n s d u c e re l e c t r o n i cd a t as h e e t ( t e d s ) ，a d d r e s s i n gl o g i c ，e t c i to w n st h e f u n c t i o n st oa c q u i r ed a t aa n do t h e ra b i l i t i e s ，f o ri n s t a n c es e l f - d e s c r i p t i o n 。c o o p e r a t i n gw i t h e a c ho t h e r t h r o u 【g h at r a n s d u c e r i n t e r f a c e ，t h e t w op a r t sa f o r e m e n t i o n e dr e a l i z et h e f u n c t i o n so ft h ep r o p o s e di ps e n s o m o r e o v e r , a f l l l l w o r k i n gp r o t o t y p e ，b a s e d o n s i n g l ec h i p s ，i si m p l e m e n t e d i n a g r e e m e n t w i t ht h ep r o p o s e di ps e n s o rm o d e l ，i n c l u d i n gt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h eh a r d w a r e ，t h et c p i ps t a c k ，t h e a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e s a n dr e l e v a n t c o n f i g u r a t i o nt o o l s + s e v e r a li s s u e sr e l a t e dt ot h ei m p l e m e n t a t i o no f t h et c p i ps t a c k ，t h e e m b e d d e dw e bs e r v e ra n dd a t ac o r r e c t i o ne n g i n ea r ed i s c u s s e di nd e t a i l f i n a l l y , s o m ee x p e r i m e n t so r em a d e t ov e r i f yt h ef u n c t i o n so ft h ep r o p o s e di ps e n s o r t h er e s u l t se x p e r i m e n t a l l ys h o wt h a tt h ep r o p o s e di ps e n s o ri sf e a s i b l ea n ds u i t a b l ef o r i n t e m e t - b a s e da p p l i c a t i o n s 。e s p e c i a l l yf o rt h en o n - c r i t i c a lr e a l t i m ea p p l i c a t i o n ss u c h 黼 r e m o t em o n i t o r i n g e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e so f t h ep r o p o s e di ps e n s o ra r ea l s oo b t a i n e d k e y w o r d s ：e m b e d d e di n t e r a c t ，s m a r tt r a n s d u c e r ，i e e e1 4 51 s t a n d a r d ，i ps e n s o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师攫鼯下进聋于的礤究王俘及取德 的磷究戏粱。尽我所知，除文中已经标明弓 鞴的两容井，本论文不包含任馋其 也 个人或蔡体已经发表戡撰写过的石丹究成果。对本文的硪究做出爨献鲍个人和集 体，均已在文中以掰确方式标弱。本a 完全惩 i 到，奉声明的法律结果国本人承 担。 学位论文作者签名：挪样 墨勰：翮年毒零，9 瓣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者究全了解学校肖美僳留、傻鲻学位论文的溉定，印：学校有 权谦留并向酋家有关部门或机构送交论文的复印彳牛和电子版，允许论文被聋阅和 搭阁。本久授投华中科技大学可以将本学位论文静全都或部分渴容编天帮关数嚣 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密詹适用本授权书。 本论文属于不保密 ， ( 请在以上方框肉打“4 ”) 学位论文作者签名；善 甥 弱雾洳零年辛胃f 霞 缀导激炳签名：筻弱 蕃 | j 期：撕年￥月芦 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 绪论 1 1 1 课题来源 本学像论文得到以下项匿舱联合资助： 国家8 6 3 计划项目“基于嵌入式网络的设备蟹能维护系统”，批准号： 2 0 0 1 a a 4 1 3 3 1 0 ： 国家自然科学基金项目“面向芯片封装的高加速度运动系统的精确定位和操 纵”，批准号：5 0 3 9 0 0 6 3 。 。2 课题熬提出 在自动化领域，现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 将逐步取代一般 分布式控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，自8 0 年代提出现场总线概念阱来， 这种趋势已| j 趋明显。与此相适应，各种基于现场总线的籍能传感器技术也迅速地发展 起来。但裔前市场上多种现场总线并存的现象，使得基于现场总线的传感器接口协议标 准各彝，难戳统一。较为流行静现汤总线备有齑身优势和遁用范围，狠难在短期内走向 统一。 焉对予太爨工犍魂场设备翡监控系统两言，由于冀中翡传感嚣、执行器数以万记， 特烈煮要躐少英中敬总线数量，最好是能够统一为一转总线或溺络，这榉有利于篱讫毒 线，暖节省空阙又降低了成本，焉星在系统维护方嚣瞧大为方便。贯一方蘑，现鸯工厂 郓企业大都建成企、业内部嘲( i n t r a n e t ) ，基于i n t r a n e t 螅售怠譬理系绞( m i s ) 成为企 业运馋的公共信息平台，为工厂现代化提供了凌力的儇障。i n t r a n e t 和i n t e m e t 具考耀燃 的技术原理，都基于全球通用的r c p i p 协议，使数据采集、信息传输麓都娆直接在 i n t r a n e t i n t e m e t 上进行，既统一了标准，又使工业测控数据能强接在i n t r a n e t y i n t e m e t 上 动态发南和共享，供相关技术人员、管理人员参考，这样就把测控网( i n f r a n e t ) 和信息 网( i n t r a n e t ) 有机地结合了起来，使得工厂或企业拥有一个一体化的网络平台，无论从 成本、管理、维护等方面考虑，都是个最佳的选择。 使传感器在现场级实现t c p i p 协议，使现场测控数据就近登临网络，在网络所能及 的范围内适时发布和共享，正避具有i n t e m e t i n t r a n e t 功能的网络化智能传感器口传感 华中科技大学硕士学位论文 器的研究胬标所在，也是弱前国肉外竞相抢占制高点的前沿技术之一。 本论文以“基于嵌入式i n t e m e t 的l p 传感器的研稍”为题，在深入分析和讨论i e e e 1 4 5 1 标准静基磁上，提出了l p 传藩器的模型，并详缁论述了l p 僚感器酌研制过程的。 1 2 传感器的发展及研究现状 传感嚣是人类探熊垂然界信惑静憋角，它哥将久们需要探鲡静各耪菲灌量信意转亿 成可测魄邀量信患，是获驭镶患载重要工暴，是镑惠系统匏第一遂f l 槛，海太们认识鞍 控剑掇应的对象撼供条 牛期铱据，在工农业生产、垦醛建设、墨鬻生潘露褪学技术等镶 域发撂羞臣大作用。瞻羞工业现代化魄飞遮发展，测控系统基动化、智能化戆技术进步， 要求传感器准确度赢、可靠性赢，稳定性强，具备一定的数据处理能力，磐能皇捡、爨 校和自补偿功能，并且具铸网络互联功能。把多个传感器联网可以组成毫精度、功能强 大的测控网络，而且可靠性高、成本低、安装配置、升级和维护方便”。 变邀器单元 信号调理单元 模拟网络接口 + 数字化盘b 理 数据处理中心 变送器单元 售号调理单元 数字化处理模块 数字网络接口 一- 士士士士一 上上上 i 数据处理中一t l , i 变送器单元 信号调理单元 数字化处理模块 数据处理模块 智能控制模块 独立网络接口 嶷送器单元 售号调理单元 数字化处理模块 数据处理模块 智能控制模块 i n t e r n e t 接口 ( a ) 模拟蒋感嚣( b ) 数字传感器( c ) 智能传感器( d ) i p 传感嚣 圈1 1 传感器的演变过程及其结构图 自二十毽纪5 0 年代以采，从智能化、网络化和信息化角度来看，传感器的发液己经 经历了模叛僚感器( a n a l o gs e n s o r ) 、数字传熬器( d i g i t a ls e n s o r ) 、智能传感器( s m a r t s e n s o r ) 靛发震历程，正逐步囱买有i n t e m e t 功能的智能传感器发箴。强然它们都“感受 援定的被测量并按照一定翡撬律转换袋可耀输密锗号”( g b 7 6 6 5 。8 7 ) ，僵在结构芹西功 能上己发生巨大变化，如图l ，l 爨示，虚线框中是提赢传戆器的缀成都分。 旱期的嫫拟终感嚣( a n a l o gs e n s o r ) 功能、络梭比较篱单，如图1 1f a ) 辑示，主要 圭 变送嚣单元、继号调理单元和模拟网终接翔单元缌成，竣燃是霹用于瞧测霪煞愿始信号 如模拟电攫或电、漉信号，然后透过传感器网终烬数据发送到数据处理中心，进行处理， 再交给测控平台或保存起来。模拟传感器输出的馋号没经过处理，由予没有智能单元， 因此不具备智能化，更谈不上信息化，功能单一，性熊差。这萼申传感器通过模拟网络接 口与测控祭统互联，采用点到点传输的接口规范，比如二线制4 2 0 r m a 电流和1 5 v 电压标准。由于采用模拟信号传输，因此具有布线复杂、成本昂贵，抗干扰性差的缺点。 2 华中科技大学硕士学位论文 随着集成电路技术的度震，将信号处联电路集成到传感器中，对传感器输出的信号 避行数字纯疑淫，再谶午亍数字纯佟输，觚褥提高传感器酌性能，这藏怒数字佟感嚣，茹 匿1l ( b 鼷示，与模掇传感器楣跷，它增热了数字纯处理模块帮数字纯网络接口。这种 传感嚣有了一逛懿数撂处瑷能力， 亟智能化较弱。数字佟感器采爱数字遴蓿标准r s * 2 3 2 ， r s 一4 2 2 ，r s 一4 8 5 进行数撂传输，扶缓大黎凄上解决了信号载运程传输闷怒，为实觋分 枣式远程测控提供了拨本基磷。1 9 8 3 年i n t e l 公司推嶷了短总线技术( b i t b u s ) 和8 0 4 4 擞控制器，该蹶技术主要烽低速嚣向过程的埝入竣出邋道与毫速数计算捉总线分裹，垮 i o 扳从计算机内转移到现场，计算规和现场设镰之闻以双绞线为物理传辕媒体，以 r s 4 8 5 为数据通信标准，通过远瑕访阀命令( r e m o t e a c c e s sc o m m a n d ，今天被拣为通傣 协议的用户层) 而实现数据通傣和信息传输。荫次实现了用传感器总线取代直接电缆迄 线来连接传感器和执彳亍器。位总线技术奠定了现场总线技术的雏形。 1 9 8 2 年，w e nh k o 和c l i f f o r dd f u n g 首先撼出了智能变送器( i n t e l l i g e n t t r a n s d u c e r s m a r tt r a n s d u e e r ) n 概念【2 】。智能变送器，即镭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 制器的本她微控制器进行攘合，使变遴器舆有一定程度的智能。智能传感器包含了智能 控制单元，也就是微控制器或微处理器。它能够充分裥用徽处理器的计算和存储能力， 对传惑器的内部行为避行调节，馒输粥的数据达到最佳疆j 。智能佟感器其有信号处理， a i d 转换，数据凳理畈及螽校螽稔富 偿等功能。徽楚理器是智魏传戆器的核心，它不 毽可以对传感器测量的数据进行 卡算、存储和处理，逐可戳透过囊馈圈路对传感器进行 谓节。交予微处理器充分发挥各释软件功能，酉戮宠盛矮件难戳完残豹任务，簸蔼大大 降羝了传感器熬制造难度，提商传感嚣的性能，黪低了残本。 2 0 世纪八十年饯寒至九十年代初，力逶应工数测羧网络熬霉要，入 | 、】接出了璇场慈 线( f i e l d b u s ) 技术。现场总线是连续智佬觋场设磐积主控系绞之阈全数字、开款式、双 向通信网终。犍觋场总线技术应用于铿能健感器，大大减少了传感器与主控系统的连线 以及通信带宽，有效降低了系统成本与复杂度，特肖的分层体系结构实现了分毒式蟹能。 现场总线最初的目的魑形成单标准的控制网络协议，但是，一方面由于商业剥盏的驱 动，各开发商根据不同的工业需求开发出不同总线协议的产晶，从而在目前形成了多种 现场总线协议并存的局面，比较有影响的现场总线有：c a n 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、 f f 和w o r d f i p 等；由于应用领域不同，备种总线都有其定的优势，在现存的现场总 线中，仅一种总线协议恐怕难予应付箨种工业控制要求。所以，每个厂商的产品一般都 支持几种现场总线标凇，与此同时，每个最终用户为满足不同的工业自动化需求，也可 能会选择几种不同协议的现场总线。结桑，在一个企渡中，可能有几种现场总线并存于 华中科技大学硕士学位论文 工业现场，需要解决不问标准系统之间的互连接和互操作的阔繇。矗j 予现场总线标准各 异，相互之间互不兼容，互操 乍往差，各葶孥产菇既不链互遥互换，连不能统一缓惫，给 系统的扩蕊、维护等带来不利豹影桶。为了降低传感器静成本，覆子系统翻集减，4 急需 一个开教式静称准接蜀泉解决僮感器与各耱鼹络程连的润题。妇侮成功联接吾释终感嚣 并支持各丰串不爨的网络佟议，憝壤极謇挑战性静工作。一个邋爱靛传感嚣接| ：= 标准哮 之教出唑t e e e1 4 5 l 椽准便应运 瑟生了。 i e e es t d1 4 5 1 ，2 - 1 9 9 7 针对传感器网络化蛇震要对智2 伎感器邀幸亍了重叛定义：一静 变送嚣，除了必须够提供正确表示传感鬟或控制量的功能外，还& 够提供其谴功能， 尤其是显著簿化把传感器执行器集成到网络环境应用中的功眇1 。蟹传感器的撅念就 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，并熊够支持 分布式处理与决策。根据i e e es t d1 4 5 1 2 1 9 9 7 定义的智能传感器的功能框图如图1 1 ( c ) 所示。i e e e1 4 5 1 1 标准定义了一个信息模型，使智能传感器具有独立的网络接口 6 1 。自 从i e e e1 4 5 1 标准推出以来，国外在这方面的研究取得了较大的进步。a g i l e n tt e c h n o l o g y 还研制了n c a p 芯片b f o o t 。l c a m a r a 等用3 2 位的m c u 实现了蘩于c a n 总线的 n c a p ，用8 值的m c u 实现了s t i m ，从而实现了温度的远程测量p j 。d a r o l dw o b s c h m l 研制出了符合i e e e l 4 5 t 2 标准的n c a p ，实现了8 种基于串行口通信的传感器接口： r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 m o d b u s 和t i i ( i e e e1 4 5 1 2 标准酌交送器独立接口t r a n s d u c e ri n d e p e n t d e n t i n t r f a c e ) 等涔 。a n a l o gd e v i c ei n c 毪推密了毽e e l 4 5 l s m a r tt r a n s d u c e ri n t e r f a c e 鹃芯蜀“ a d u c 8 1 2 9 1 。嚣前一些餐畿传惑器的商韭化产豁，大多数只实现了1 4 5 l 。2 部分，尽管实 瑗了t i i ，僵并没蠢提供蹦络夏联功憨。主要艨因豫了现场总线仍然占圭替遗位，制逸 厂囊不愿搜是i e e e l 4 5 t 。l 标溅辨，更蓬要懿是n c a p 模型过于复杂，具体实现毙较爨 难，尤其对于对于低螋产品来说，更怒如此。 i n t e m e t 技术的飞速发展改变蛰社会的方方厦藤，将i n t e m e t 技术与智能健感器蠼缝 合，使传感器具存i n t e r n e t 接口，作为一个网络结点直接与i n t e m e t 豆联，这就是图l 、l 捌) 所示的i p 传感器( i es e n s o r ) 。i p 传感器与智能传感嚣不同之处在于，前磺网络接口是 i n t e r n e t 接口，能够直接与i n t e m e t 互联，实现信息共事。i p 传感器低层物理接口采用i e e e 8 0 2 3 标准一以太嘲标准，实现t c m p 协议及其它高层协议。 传统观念认为，以太网是为办公自动化设计的，并没考虑工业应用要求，比如缺乏 确定性( d e t e r m i n i s m ) 、鲁棒性( r o b u s t n e s s ) ，作为传感器网络是脆弱的，存在不可预见性。 这主要是盛| 以太网协议本身造成的，阻太网采用带有冲突梭测的载波侦听多路访问协议 ( c s m a c d ) ，这跫一种菲确定性的总线访问机制。当网络重载时，信息传递产生冲突 的可麓性增大，使信息不能够按要求正常传递，响应时间舆有不确定性，不能满足实时 4 华中科技大学硕士学位论文 往要求。 以太嘲技术发罹到今天，这些阔题已得到解决。首先，以太网漪通信速率逐步提高， 已经由l o m b p s 掇舞蓟1 0 0 m b p s 1 0 0 0 m b p s ，黼样的遭信鬟，通信速率的提高意味着嗣 终受祷涎减轻，焉减辍溷终受蘅剽意凑着掇高确定性。有入 乍过试验，在涡络负荷不怒 过3 6 静憾况下，以太弱发生碰撞蠹哿可能拣极小，瞧就意味着确定性韵提离。其次，交 换技术的快速发震也从根本上漕除了镕息传递产生冲突懿哥2 性，交换技术使褥透信变 为全双工，网上每个设簦独占令曜黢，嚣恕上基于连接的滤控剩方法| l m ，幢褥多个嘲 上没冬之蚓同时进萼亍避售越不会有冲突发生，消除了不确定因素。此夕 ，快速以太网在 信息优先级和q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 方西的改善，使得信息熊在4 m s 内进行传递和礁 认【】，这为过程自动化应用提供了足够的响应时间，使褥以太网有足够的能力 乍为传 感器互联网络。所有这一切，都消除了以太网应用于测控领域的障碍，为以太网作为传 感器网络铺平了道路。 将以太网作为传感器网络将具有如下优点：首先，由于应用t c p i p 协议的以太网已 经成为企业信息管理层最流行的分组交换局域网技术，以太网在传感糕网络中的应用， 必将使得獭4 控系统更加集成化，从而使得“从会议室到传感器”的信息集成成为现实。 其次，以太网的高带宽使褥信息传输瓶颈集中在现场级的问题得到解决，与现场总线相 比，阻太阏其有更高的传输效率f 1 2 l 。f t a m m i n i 等入将两种现场总线( p r o f i b u s d p 和 c a n b u s 2 o b ) 接口的传感嚣与以太两接口僚感器的性能进行了比较，结采表明在数据传 输散率、扩展性、开放往帮可集成往方面，后者比前者更优越”。此外，成熟的技术、 低豢懿网络产黠、丰富静开发工具帮软硬徉支持以及荔与i m e m e t 集畿，这些鄹楚戮太 慰比其它专用控制网终更攘优越款体现。| 三圭太潮运有一个馕褥指警懿缆点，那就麓在阉 一条鹂络上，霹以镬髯许多传辕掺议寒进季亍数据传辕鞍信患交按h “。 l p 传感嚣藻于嵌入式i n t e m e t 技术梅遣，程智女传感器载纂础上实褒了嵌入式w e b 服务器，支持h t t p t c p ，u d p p 等通信协议，并采用以太网撅撼接蹦，实现了戏场设 备和i n t e r n e t 的直接通信 15 1 ，在i n t e m e t 上遇过i e 浏焚器就可以妻接对其进l 亍缌态穗维 护管理。i p 传感器真正实现了智能化、网络化和僚息化。 i p 传感器充分利用了以太网高效率的通讯特性和智能传感器技术的最新研究成果， 使所有的信息通过以太网进行透明传输。i p 传感器构成的分布式网络，结构简单，也不 存在测控网络和信息网络之分，它使网络成为透明的、覆盖整个企业范围的应用实体， 使得测控阚络的体系结构得到了最大程度的简化，顺应了控制网络和信息网络逊一步 “扁平化”集成的趋势。每个传感器结点实现了基于以太网和t c p e p 协议的通信功能， 具有内嵌的w e bs e r v e r ，可以就近直接连接到企、业信息网络中，并和i n t e m e t 上的远程 华中科技大学硕士学位论文 用户遗行赢接通信。每个i p 传感器是一个完整的i n t e m e t 节点，实现真正的群插即用。 利蔫撑传感器可以实现真正意义上的远程监控、维护和管理。 对于i p 传藩嚣静研究蘑舞取稽了定涤遗震。a g i l e n tt e c h n o l o g y 实现了一种基予 i e e e l 4 5 1 2 标准豹传薅器工作模型，其中包攒连接传感器静s t i m 帮连接e t h e m e t 酌 n c a p ( n e t w o r kc a p a b l ea p p l i c a t i o np r o c e s s o r ，网络应爱悠理器) 两个部分，离含嵌入式 w e b 黢务器，遴程翔户露戮接照溅楚嚣透过i n t e m e t 访润英孛静霹夏。a g i t e m t e c h n o l o g y 帮t e l e m o n i t o r 公司联合推如了基于网络设备鼹务器的t m i1 4 5 1 2 - k c t m 】。t m i 1 4 51 2 * k c 由鼹部分组成：n c a p ( n e t w o r k c a p a b l ea p p l i c a t i o np r o c e s s o r ) 、s t t m 。n c a p 和s t i m 之间通过t i i ( t r a n s d u c e ri n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 进行通信，采用i e e e1 4 5 1 ，2 协议，对外界信号( 例如温度、压力、速度等) 进行采集和处理，它还实现了w e b 服 务器。n i s t 有一个w e b 站点提供了一个演示系统，该系统实现了对机器运毒亍温度的远 程监控i i7 1 。一个基于i e e e1 4 5 1 2 的s t i m 和基于i e e et 4 5 1 1 的n c a p 应用到了一个 高速运行的机器温度盟控系统，并成功的在i n t e r n e t 上发布。操作者使用j a v a a p p l e t 程 序来对机器冷却温度的循环控制进行麟控。任何一个i n t e m e t 的节点上都可以访问这个 系统。p a u lc o n w a y 等研制出了遵循i e 髓1 4 5 1 标准的智能传感器，n c a p 基于以太阚 实现，s t i m 实现了两个通道，实现对温度和一个电扇的远程操作与控制u ”。p f e r r a r i 等研制了种其有i n t e m e t 功熊的低成本的智能传感器w e b s t i m ，实现了i e e e1 4 5 1 2 标准规定的数据结构，开发了t c p i p 协议和w e b 服务器，在w e b 服务器上用软件的搿 式实现了标准新裁定的w i 的功髓h 霹。f t a m m i n i 等人实现了w e bs e n s o r ，通过实戮嵌入 式w e b 鼹务器，便传罄器矮有逶过t n t e r n e t 于远程客户进行交互静功髓 2 0 t 。 髫肉瓣i p 传感器妻冬磷究迄取褥了一定鲍进震。中謦荤片枕公共实验室b o l 扮髫特溺 售感嚣技术( i s t , i n t e m e ts e n s o r t e c h n o l o g y ) 在这方甏的簪 究淑褥了较大鲍遴震。童涮檬 等应用了i e e e1 4 5 1 的一些突出特点，磅制了网络化智能桃器人手瓜键感器系统，可以 通过i n t e m e t 对手瓜的绩感器售息积状态进萼亍远程聚集秘监控【2 “。华中科技大学譬能维 护技术中心对i p 传感器的发展也做了奄盏的擐索田- 2 5 1 。 无线传感器的研究也裔很大的进展。无线传感器邋过射频取代电缆连线收发数据。 对于许多任务，比如军事侦察，气候监测筹，如果用套线传感器网络将是十分昂贵、笨 重甚至是不可能实现的。而使用无线传感器网络将会使问题迎刃而解。常使用的无线网 络技术是无线以太n ( w i r e l e s se t l l e m e t ，i e e e8 0 2 1i x ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术和通用分缱 无线业务g p r s ( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ) 等。美国c r o s s b o w 公司已经开发出了基 于蓝牙技术的无线传感器产品并采用了i e e e1 4 5 1 2 标准1 2 6 】。 随着传感器技术与嵌入式网络技术的发展和融合，微机电技术、集成电路技术和信 6 华中科技大学硕士学位论文 号处理技术的避步，新材料、新工蕊的发现以及久工智能和神经网络等方法的应甬，传 感器将避步巅徽鍪纯、簪麓讫、弼络亿和信意纯方淘发震。鏊于i n t e m e t e t h e r n e t 的分 布式醋络褥是镑感器潮络的下一个标准；秘灞w e b 鼹务器可瞵为用户撼供标准的雳户接 蜀，剩嗣久工餐能、丰孛经翳络等应髑算法实现多黄感器静髂怠融合，遴一步提蓠黄感嚣 懿餐旋纯帮信崽纯。这些方瑟都是铸感器发展鳆趋势，迄怒当蕊磷竞的热点。 1 3 本文的主要工作 本文在深入分摄和掇讨i e e e l 4 5 1 撂准麴基础土，结合嵌入式i n t e m e t 技术，提逛了 i p 传感器的模型，并实现了该模型的愿型系统。包援功能模块的划分和软硬 牛实现，黧 点分析了嵌入式t c p i p 协议栈的实现、嵌入式w e b 服务器技术以及i p 传感器的数据校 正技术等。本文研制的i p 传感器，结构简单，功能强大，成本低廉，对于远程监控、 构建分布式测控网络以及设备的智能维护都有踅要的意义。 第一章，综述了传感器的发展及研究现状，提融了基于嵌入式i n t e r n e t 的i p 传感器 的概念。 第二章，在分析和讨论i e e e1 4 5 1 标准的基础上，提出了i p 传感器模黧，并详细讨 论了i p 传感器的工作原理及冀特点。 第三章，阐述了i p 传感器总体实现方案。包括功能模块翔分、传感器接口设计、疆 件实现方案和关键技术分析等。 第滔章，论述了i p 传蒋器静软件浚诗与实现。怠括软件设计辩臻传蒜器应麓犏程 接瑟设计以及糟关醚登工英懿设计。蓉重讨论了基予擎片瓿翡t c p i p 镑议棱稻嵌入式 w 痨鼹务器以及数据棱正弓l 擎熬竣诗与实现。 第五耄，农实现鲮琢型系绞上缴了实验，验证了i p 传感爨黪功能，并给出了应用实 铡。实验表明，i p 佳感器舆有i n t e m e t 互联功能，一| 生优良，适用于实时性要求不严撩 的远程监控。 最羼对全文进行了总结并指出了进一步研究的方向。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 i p 传感器模型 i n t e r n e t 的毖琰，绘人类生活和工农业生产带米了划时代的进步。将i n t e m e t 技术与 传感器技术相结合，使传感器在现场级实现t c p i p 协议，是傣感器实现信息化的主要 研究目标和方向。本章在深入讨论和分析镏能传感器标准一i e e e l 4 5 1 标准的基础上， 结合i n t e m e t 技术，提出了i p 传感器模型，对其组成和工作原理做了详细的分析，并讨 论丁i p 传感器的特点。 2 l e e e1 4 5 1 标准 制定r e e e1 4 5 1 2 ”的目标就是要定义一整套通用的通信接口，使变送器能够独立 于网络，与现有基于微处理器的系统、仪器仪表和现场总线网络相连，并最终实现变遴 器刚网络的互换谴与互操作往。它由五个部分组成，即1 4 5 1 1 、t 4 5 1 2 、p 1 4 5 l3 、p 1 4 5 1 ，4 和1 4 5 15 。i e e e1 4 5 l 标准可以分为面向软件的接口与面向硬件的接嗣两大部分。软件 接口部分倍劫蕊商对象模羹来描述网络纯智能变送器的行为，定义了一套便智能交送器 颓澍接入不同溺控溺络的软 牛接磊援范。它提供了一个简肇、哥扩震、系统韵编程模螫， 封装了变邀器疆 牛实袋帮不同网络捺议实现憝缨节，辫一系列功畿模块宽翔i o 囊臻硬 件麴象等寒支持各耱各样数交送嚣。这矮工作已终完成著躐为i e e es 堪1 4 5 1 ，l 一1 9 9 9 ， 即网终应用处理爨售怒模型州( n e t w o r kc a p a b l ea p p f i c a t i o np r o c e s s o r ( n c a p ) i n f o r m a t i o nm o d e l 。rs m a r tt r a n s d u c e r s ) 。； ! | 予传感器应用领域广泛，戮此针对具体的应 用需求，硬件接口部分包含许多分支，它们分别是i e e e1 4 5 l 。2 、i e e ep 1 4 5 l + 3 、i e e e p 1 4 5 1 。4 和i e e e1 4 5 1 5 。i e e e1 4 5 1 2 趋第一个被i e e e 通过并颁布的接口标准，即i e e e s t d1 4 5 1 2 1 9 9 7 ，变遴器与微处理器通信协议和t e d s 变送器电子数据表格式p 1 ( t r a n s d u c e rt om i c r o p r o c e s s o rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n dt r a n s d u c e re l e c t r o n i cd a t a s h e e t ：t e d sf o r m a t s ) 。它具体定义了t e d s 数据格式和一个1 0 线数字接口 t i i ( t r a n s d u c e r ，i n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 以及变送器与微处理器间通信协议，使智能传感器 执行器模块具有了即插即用能力，铡控网络也可以通过访问t e d s 来监测和配首传感 器执行器信道。 i e e ep 1 4 5 1 3 建议标准诤翻，即分布式多点系统数字通信与t e d s 格式( d i g r n c o m m u n i c a t i o na n dt r a n s d u c e re l e c t r o n i cd a t as h e e t ( t e d s ) f o r m , sf o rd i s t r i b u t e d l v l u l t i d r o ps y s 靶m s ) ，还在开发中。它餐用扩展颓谱调制技术在单一传输媒体上实现多个 时间嗣步熬、离带宽的传黪器数据信遒，主要稻予点对多点分布式智能传懑器系统的问 步数搭采集与遭藩。 华中科技大学硕士学位论文 使变遴器，尤箕是大量观裔的传统模拭变遴器其有内置的标识和出厂资料( 标定，功 麓扩震等) 近年来篷现整繇盛的需求。i e e ep f 4 5 1 4 建议称准 3 2 - 3 5 ，即混合模式通信协 议与t e d s 格式( m i x e d - m o