网络化传感器

网络化传感器第一页，共八十六页，2022年，8月28日1网络传感器提出背景

现代信息技术的三大基础：传感器技术：信息的采集“感官”通信技术：信息的传输“神经”计算机技术：信息的处理“大脑”三大技术的结合给信息化带来了巨大的促进作用。

2第二页，共八十六页，2022年，8月28日三大技术的结合第一种结合：计算机技术＋传感器技术智能传感器第二种结合：计算机技术＋通信技术计算机网络技术第三种结合：计算机网络技术＋智能传感器网络化传感器技术使传统检测系统的信息采集、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、发布与共享；检测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。3第三页，共八十六页，2022年，8月28日检测系统采用分布式结构：计算机智能传感器智能传感器计算机智能执行器智能执行器路由器压力温度阀门继电器其它网络系统网络总线网络化传感器：传感器在现场级实现TCP/IP协议，使现场检测数据就近登录网络，在网络所能及的范围内实时发布和共享。4第四页，共八十六页，2022年，8月28日物理层数据链路层网络层传输层应用程序层TCP/IP协议5第五页，共八十六页，2022年，8月28日各层协议功能如下●物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。（简单低能耗）●数据链路层负责数据成帧，帧检测和媒体访问以及差错控制。（MAC协议）●网络层负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机。●传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。●应用层包括一系列基于检测任务的应用层软件6第六页，共八十六页，2022年，8月28日网络化传感器基本结构如下图所示：敏感元件信号调理A/D转换物理层数据链路层TCP/IP协议层用户层智能算法微处理器传感器参数表智能传感器网络接口网络通信介质7第七页，共八十六页，2022年，8月28日通用智能化传感器的接口标准

——IEEE1451标准

采用通用的A/D或D/A转换装置作为传感器的I/O接口，将应用的各种传感器的模拟量转换成标准规定格式的数据，连同一个小存储器——传感器电子数据表TEDS与标准规定的处理器目标模型NCAP连接，这样数据就可以按网络规定的协议登临网络。采用通常的数模转换器和处理器，不限用于特定的传感器，也不限用于特定的网络，具有标准化接口的传感器，使各个传感器成为网络的一个独立节点，并使其具有网络节点的组态性和互操作性。8第八页，共八十六页，2022年，8月28日有关术语：(1)STIM(SmartTransducerInterfaceModule，智能变送器接口模块)(2)NCAP(NetworkedCapableApplicationProcessor，网络适配器)(3)TII(TransducerIndependentInterface，传感器独立接口)(4)TEDS(TransducerElectronicDataSheet，传感器电子数据表格)9第九页，共八十六页，2022年，8月28日SensorsObject信号分析感知方法有线/无线连接10第十页，共八十六页，2022年，8月28日有线网络传感器敏感元件信号调理A/D转换网络适配器TEDSIEEE1451逻辑STIM网络11第十一页，共八十六页，2022年，8月28日任务管理中心Internet、卫星或移动通信网络等汇聚节点

什么是无线传感器网络？监测区域传感器节点12第十二页，共八十六页，2022年，8月28日无线网络传感器敏感元件信号调理A/D转换蓝牙模块网络适配器TEDSIEEE1451逻辑STIM网络蓝牙模块13第十三页，共八十六页，2022年，8月28日蓝牙技术概述蓝牙是一个开放性的无线通信标准，设计者的初衷是用隐形的连接线代替线缆。其目标和宗旨是：保持联系，不靠电缆，拒绝插头，并以此重塑人们的生活方式。它将取代目前多种电缆连接方案，通过统一的短程无线链路，在各信息设备之间可以穿过墙壁或公文包，实现方便快捷、灵活安全、低成本小功耗的话音和数据通信。14第十四页，共八十六页，2022年，8月28日具体地说，“蓝牙”技术的作用就是简化小型网络设备（如移动PC、掌上电脑、手机）之间以及这些设备与Internet之间的通信，免除在无绳电话或移动电话、调制解调器、头套式送／受话器、PDA、计算机、打印机、幻灯机、局域网等之间加装电线、电缆和连接器。15第十五页，共八十六页，2022年，8月28日蓝牙优点与USB比较USB在设计时，必须考虑到硬件外观上的设计，这可以说是有线设备共通问题，也就是说在硬件设计时，在外部必须要设计接头装置。相反的，在无线通讯设计上时就不需考虑这种问题。另外无线网络优于有线网络的最大优势，就在于没有连接线，对于计算机后方杂乱纠结的排线无计可施的人，这个说是最大的优点了。16第十六页，共八十六页，2022年，8月28日蓝牙优点与红外线（IrDA）比较：蓝牙：通讯范围内能自动辨识其它具有蓝牙功能的设备，而展开存取。非使用时则进入安眠省电状态，具有节约电力的特性。红外线：红外线装置只能针对特定的数据进行数据传输，因此没有互换性。而蓝牙则具有某种程度的互换性。移动中也可以构成无线网络（红外线只能针对静止的装置进行通讯）具有穿透障碍物的特性。具有双向通信的特性，也可以构成网络（PicoNet).17第十七页，共八十六页，2022年，8月28日传感器网络战场评估生活习性监测地震监测深海监控医疗状况监控目标跟踪和检测小区安全监控

无线传感器网络应用精细农业森林火灾监控18第十八页，共八十六页，2022年，8月28日无线传感器网络应用实例展示

医院病房电子巡检19第十九页，共八十六页，2022年，8月28日无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检

20第二十页，共八十六页，2022年，8月28日在病人身上安装带有射频标签的微型无线传感器，动态感知病人信息。21第二十一页，共八十六页，2022年，8月28日病房外的医生携带PDA等通讯设施。22第二十二页，共八十六页，2022年，8月28日得知病人病情后，医生将通知值勤护士或者急救人员前往病房救助。23第二十三页，共八十六页，2022年，8月28日

厂房设备及环境监控

精细农业种植

医院病房电子巡检24第二十四页，共八十六页，2022年，8月28日无线传感器网络应用举例—精细农业种植25第二十五页，共八十六页，2022年，8月28日农场监控中心实时监控农场信息，耕作者及时了解农场温度、光照度、土壤酸碱度等，以便对农作物的生长情况进行控制。26第二十六页，共八十六页，2022年，8月28日

厂房设备及环境监控

精细农业种植

医院病房电子巡检27第二十七页，共八十六页，2022年，8月28日无线传感器网络应用举例—厂房设备及环境监控28第二十八页，共八十六页，2022年，8月28日监控人员发现厂房设备及环境有异常情况时，通知相关负责人迅速到达故障地点。29第二十九页，共八十六页，2022年，8月28日IEEE1451的特点

标准化的接口和软硬件定义即插即用性，与具体网络无关自我表述和自识别能力30第三十页，共八十六页，2022年，8月28日

标准化的接口和软硬件定义 定义了传感器或执行器的软硬件接口标准. 使不同的现场网络之间可以通过应用IEEE1451定义的接口标准互连，可以互操作， 使传感器的厂家、系统集成者和最终用户有能力以低成本去支持多种网络和传感器家族，简化连线，降低了系统总的成本；31第三十一页，共八十六页，2022年，8月28日

即插即用性，与具体网络无关由于IEEE1451为传感器到微处理器、到网络建立了一个通用的接口标准，以及通过通用的TEDS，建立了一个面向对象的信息模型，简化了传感器到微处理器、网络的连接，使软件容易移植和维护，使得基于IEEE1451的传感器在多种现场网络的不同设备之间能够即插即用，与具体的网络无关。32第三十二页，共八十六页，2022年，8月28日自我表述和自识别能力TEDS是1451最重要的技术革新之一,它是一个的通用传感器模型，可以支持很多种类的传感器与执行器。使传感器具有了自我描述能力和自我识别能力。它可以充分描述传感器的类型、行为、性能属性和相关的参数。TEDS由一些域组成，它们被嵌入传感器，和传感器一起移动，这样一来，使用一个传感器所需的所有信息总是随时可得的。33第三十三页，共八十六页，2022年，8月28日传感器的发展主要体现在一下几个方面：1.利用新的物理效应、化学反应、生物效应作为传感器原理。2.利用新材料。3.利用新的加工技术。传感器的发展趋势：1.集成传感器的优势是传统传感器无法达到的。2.将辅助电路中的元件与传感元件集成在一块芯片上，使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能。2.7传感器的集成化和智能化技术34第三十四页，共八十六页，2022年，8月28日利用新的物理效应、化学反应、生物效应作为传感器原理。接近开关是一种开关型传感器。它既有行程开关、微动开关的特性，同时又具有传感器的性能，且动作可靠、性能稳定、频率响应快、使用寿命长，抗干扰能力强；而且具有防水、防震、耐腐蚀等特点。它不但有行程控制方式，而且根据其特点，还可以用于计数、测速、零件尺寸检测、金属和非金属的探测，液面控制等电与非电量检测的自动化系统中；还可以同微机或者其他逻辑元件配合使用，组成无触点控制系统。35第三十五页，共八十六页，2022年，8月28日电容式接近开关的应用——在物位测量控制中的使用演示36第三十六页，共八十六页，2022年，8月28日光纤式光电开关应用标志孔电路板标志检测

当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。光纤耦合器传输光纤出射光纤37第三十七页，共八十六页，2022年，8月28日2.7.1智能传感器计算机技术使传感器技术发生了巨大的变革。智能式传感器：微处理器(或微计算机)和传感器相结合而构成的，充分利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并能对它的内部行为进行调节，使采集的数据最佳。和传统的传感器相比，智能化传感器具有以下功能：①具有逻辑判断、统计处理功能。可对检测数据进行分析、统计和修正，还可进行线性、非线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应以及缓慢漂移等的误差补偿，提高了测量准确度。②具有自诊断、自校准功能。可在接通电源时进行开机自检，可在工作中进行运行自检，并可实时自行诊断测试，以确定哪一组件有故障，提高了工作可靠性。38第三十八页，共八十六页，2022年，8月28日③具有自适应、自调整功能。可根据待测物理量的数值大小及变化情况自动选择检测量程和测量方式，提高了检测适用性。④具有组态功能。可实现多传感器、多参数的复合测量，扩大了检测与使用范围。⑤具有记忆、存储功能。可进行检测数据的随时存取，加快了信息的处理速度。⑥具有数据通讯功能。智能化传感器具有数据通讯接口，能与计算机直接联机，相互交换信息，提高了信息处理的质量。39第三十九页，共八十六页，2022年，8月28日计算机软件在智能传感器中起着举足轻重的作用。由于“电脑”的加入，智能传感器可通过各种软件对信息检测过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，从而增强了传感器的功能，提升了传感器的性能。此外，利用计算机软件能够实现硬件难以实现的功能，因为以软件代替部分硬件，可降低传感器的制作难度。

40第四十页，共八十六页，2022年，8月28日智能传感器的结构框图智能式传感器系统一般构成框图如下图所示。其中作为系统“大脑”的微型计算机，可以是单片机、单板机，也可以是微型计算机系统。

41第四十一页，共八十六页，2022年，8月28日智能式传感器包括传感器的智能化和智能传感器两种主要形式。前者是采用微处理器或微型计算机系统来扩展和提高传统传感器的功能，传感器与微处理器可为两个分立的功能单元，传感器的输出信号经放大调理和转换后由接口送人微处理器进行处理。后者是借助于半导体技术将传感器部分与信号放大调理电路、接口电路和微处理器等制作在同一块芯片上，即形成大规模集成电路的智能传感器。智能传感器具有多功能、一体化、集成度高。体积小、适宜大批量生产、使用方便等优点，它是传感器发展的必然趋势。42第四十二页，共八十六页，2022年，8月28日智能式传感器的优点同一般传感器相比，智能式传感器是一个典型的以微处理器为核心的计算机检测系统。智能式传感器有以下几个显著特点：

（1）逻辑思维与判断、信息处理功能.由于智能式传感器具有信息处理的功能，因此通过软件不仅可以修正各种确定性系统误差（如传感器输人输出的非线性误差、温度误差、零点误差、正反行程误差等），而且还可以适当地补偿随机误差，降低噪声，从而使传感器的精度大大提高。

（2）稳定、可靠性好它具有自诊断、自校准和数据存储功能，对于智能结构系统还有自适应功能。

（3）可实现多传感器多参数复合测量43第四十三页，共八十六页，2022年，8月28日

（4）检测与处理方便它不仅具有一定的可编程自动化能力可根据检测对象或条件的改变，方便地改变量程及输出数据的形式等；具有数字通信接口，输出数据可通过串行或并行通讯线直接与远地计算机进行处理。便于信息管理。

（5）性价比高在相同精度条件下，多功能智能式传感器与单一功能的普通传感器相比，其性能价格比高，尤其是在采用比较便宜的单片机后更为明显。44第四十四页，共八十六页，2022年，8月28日传感器在生活中的应用45第四十五页，共八十六页，2022年，8月28日集成化传感器在现代汽车中的应用46第四十六页，共八十六页，2022年，8月28日汽车结构及工作过程概述

汽车类型繁多，结构比较复杂，大体可分为发动机、底盘和电气设备三大部分，可分成燃料系、点火系、传动系、轿厢系等几个系统，每一部分均安装有许多检测和控制用的传感器。47第四十七页，共八十六页，2022年，8月28日汽车发动机

发动机是汽车的动力装置，其作用是使吸入的燃料燃烧而产生动力，通过传动系统，使汽车行驶。汽油发动机主要由汽缸、燃料系、点火系、起动系、冷却系及润滑系等组成。汽车的工作过程均是在电控单元ECU控制下进行的。

48第四十八页，共八十六页，2022年，8月28日ECU结构a）外形b）ECU内部原理框图及输入/输出信号

49第四十九页，共八十六页，2022年，8月28日汽车ECU的应用

ECU用于控制方向盘的助力系统50第五十页，共八十六页，2022年，8月28日汽车ECU的应用

ECU用于防碰撞和控制安全气囊传感器将速度、距离等与碰撞有关的参数传送给ECU。51第五十一页，共八十六页，2022年，8月28日汽车避撞系统原理框图安全气囊52第五十二页，共八十六页，2022年，8月28日

ECU在接收到碰撞传感器的信号后，打开折叠式安全气囊。折叠式安全气囊53第五十三页，共八十六页，2022年，8月28日传感器在汽车ABS中的作用

当汽车紧急刹车时，使汽车减速的外力主要来自地面作用于车轮的摩擦力，即所谓的地面附着力。而地面附着力的最大值出现在车轮接近抱死而尚未抱死的状态。这就必须设置一个“防抱死制动系统”又称为ABS。ABS由车轮速度传感器、ECU以及电—液控制阀等组成。ECU根据车轮速度传感器来的脉冲信号控制电液制动系统，使各车轮的制动力满足少量滑动但接近抱死的制动状态，以使车辆在紧急刹车时不致失去方向性和稳定性。54第五十四页，共八十六页，2022年，8月28日汽车防抱死解决方案刹车装置55第五十五页，共八十六页，2022年，8月28日汽车防抱死使用效果及注意事项在用力紧急刹车时，ABS自动启动。使用ABS能改善刹车效果使用ABS前易发生“甩尾”56第五十六页，共八十六页，2022年，8月28日汽车防侧滑系统

汽车在行驶过程中必须保持驱动车轮在冰雪等易滑路面上的稳定性并防止侧偏力的产生，故在前后四个车轮中安装有车轮速度传感器（转速传感器）。当发生侧滑时，ECU分别控制有关车轮的制动控制装置及发动机功率，提高行驶的稳定性和转向操作性。安装防侧滑传感器前后比较57第五十七页，共八十六页，2022年，8月28日汽车在雪地中的安全行驶有赖于防侧滑系统

58第五十八页，共八十六页，2022年，8月28日传感器在机器人中的应用

机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；在工作时可以不依赖人的操纵。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。

59第五十九页，共八十六页，2022年，8月28日类别检测内容应用目的传感器件明暗觉是否有光，亮度多少判断有无对象，并得到定量结果光敏管、光电断续器色觉对象的色彩及浓度利用颜色识别对象的场合彩色摄影机、滤色器、彩色CCD位置觉物体的位置、角度、距离物体空间位置，判断物体移动光敏阵列、CCD等形状觉物体的外形提取物体轮廓及固有特征，识别物体光敏阵列、CCD等接触觉与对象是否接触，接触的位置决定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异常停止，寻径光电传感器、微动开关、薄膜接点、压敏高分子材料压觉对物体的压力、握力、压力分布控制握力，识别握持物，测量物体弹性压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料力觉机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩控制手腕移动，伺服控制，正确完成作业应变片、导电橡胶接近觉对象物是否接近，接近距离，对象面的倾斜控制位置，寻径，安全保障，异常停止光传感器、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器、霍尔传感器滑觉垂直握持面方向物体的位移，重力引起的变形修正握力，防止打滑，判断物体重量及表面状态球形接点式、光电旋转传感器、角编码器、振动检测器机器人传感器分类

60第六十页，共八十六页，2022年，8月28日传感器在机器人身上的分布

61第六十一页，共八十六页，2022年，8月28日能踢球的机器人62第六十二页，共八十六页，2022年，8月28日服务机器人机器人伴舞机器人奏乐63第六十三页，共八十六页，2022年，8月28日军事机器人我国引进的排爆机器人进攻型机器人64第六十四页，共八十六页，2022年，8月28日工业机器人核工业机器人汽车喷漆机器人65第六十五页，共八十六页，2022年，8月28日机械手在汽车加工中的应用机械手能按照程序焊接和安装汽车部件，是机器人的雏形。66第六十六页，共八十六页，2022年，8月28日激光焊接机械手67第六十七页，共八十六页，2022年，8月28日传感器在智能楼宇中的应用

自1984年美国建成第一座智能楼宇以来，智能楼宇在世界各国建筑物中的比例越来越大。智能楼宇或智能建筑（缩写IB）是信息时代的产物，是计算机及传感器应用的重要方面。智能楼宇包括五大主要特征：楼宇自动化（BA）、防火自动化（FA）、通信自动化（CA）、办公自动化（OA）、信息管理自动化（MA）。

68第六十八页，共八十六页，2022年，8月28日对智能化建筑的要求

人们对智能化建筑的要求包括以下几个方面：

1）高度安全性的要求，包括防火、防盗、防爆、防泄漏等；2）舒适的物质环境与物理环境；3）先进的通信设施与完备的信息处理终端设备；4）电器与设备的自动化及智能化控制。智能楼宇采用网络化技术，把通信、消防、安防、门禁、能源、照明、空调、电梯等各个子系统统一到设备监控站（IP网络平台）上。集成的楼宇管理系统能够使用网络化、智能化、多功能化的传感器和执行器，传感器和执行器通过数据网和控制网连接起来，与通信系统一起形成整体的楼宇网络，并通过宽带与外界沟通。

69第六十九页，共八十六页，2022年，8月28日智能化建筑中的传感器活动物体传感器烟雾传感器二氧化碳传感器温度传感器火焰传感器总线终端控制对象70第七十页，共八十六页，2022年，8月28日家居防盗71第七十一页，共八十六页，2022年，8月28日空调系统的监控

空调系统监控的目的是：既要提供温湿度适宜的环境，又要求节约能源。其监控范围为制冷机、热力站、空气处理设备（空气过滤、热湿交换）、送排风系统、变风量末端（送风口）等。

72第七十二页，共八十六页，2022年，8月28日供配电与照明系统监控

智能楼宇的最大特点之一是节能，而照明系统在整个楼宇的用电量中占有很大的比例。作为一个大型高级建筑物，灯光系统控制水平的高低直接反映了大楼的智能化水平。当传感器长期感应不到有人走动时，自动关闭该区域的灯光照明。

当楼宇内的供配电出现故障时，传感器和计算机必须在极短的时间里向监控中心报告故障的部位和原因，供电系统将立即启动自备发电机，向重要供电对象（例如计算机系统）提供电力，以免系统崩溃。

73第七十三页，共八十六页，2022年，8月28日楼宇低压成套配电柜74第七十四页，共八十六页，2022年，8月28日火灾监视、控制系统

火情、火灾报警传感器主要有感烟传感器、感温传感器以及紫外线火焰传感器。在重点区域必须设置多种传感器，同时对现场加以监测，以防误报警；还应及时将现场数据经控制网络向控制系统汇总。获得火情后，系统就会自动采取必要的措施，经通信网络向有关职能部门报告火情，并对楼宇内的防火卷帘门、电梯、灭火器、喷水头、消防水泵、电动门等联动设备下达启动或关闭的命令，以使火灾得到即时控制，还应启动公共广播系统，引导人员疏散。75第七十五页，共八十六页，2022年，8月28日火灾报警联动控制器

火灾报警联动控制器是一种大型的智能化报警系统，该系统是由多个微处理器组成，采用了先进的软件结构和智能化网络分布处理技术，具备火灾探测、消防联动等功能。

火灾报警联动控制器能将智能楼宇的灾情自动传送到消防部门的计算机系统中。76第七十六页，共八十六页，2022年，8月28日火灾感知传感器及玻璃球洒水喷头

烟雾传感器

当发生火灾时，温度升高使玻璃球爆裂，高压自来水自动喷出。烟77第七十七页，共八十六页，2022年，8月28日门禁、防盗系统

出入口控制系统又叫门禁管理系统，是对楼宇内外的出入通道进行智能管