智能信息感知技术 课件 第四章 智能传感器及网络接口标准

2024-07-231智能传感技术——第四章

智能传感器及网络接口标准目录智能传感器概述智能传感器网络智能传感器网络接口标准多传感器网络信息的融合2024-07-2324.1智能传感器概述2024-07-234.1.1智能传感器的定义智能传感器在发展的同时，其功能、内涵得到不断的加强和完善，所以智能传感器至今尚无统一、确切的定义。但是，业界普遍认为智能传感器是利用传感技术和微处理器技术，在实现高性能检测的基础上，还具备记忆存储、信息处理、逻辑思维、推理判断等智能化功能的新型传感器。智能传感器与人类智能相类似，其传感器相当于人类的感知器官，其微处理器相当于人类大脑，可进行信息处理、逻辑思维与推理判断，存储设备存储"知识、经验"与采集的有用数据。简化的概念对比图可以参照图4-1。4.1智能传感器概述4.1.1智能传感器的定义图4-1

智能传感器与人类智能的对比2024-07-234.1智能传感器概述2024-07-234.1.1智能传感器的定义有以下几个定义被普遍应用：①、智能传感器是能够调节系统内部性能以优化对外界数据获取能力的传感器系统。在这一定义中，对环境的适应及补偿能力是智能化传感器的核心。②、智能传感器是将敏感元件及信号和处理器组合在单一集成电路中的器件。在这种定义中，对信号处理器的最低要求不是很明确。一般来说，系统中应包括基本的集成电路组件（信号调理、A/D转换器）、微处理器、逻辑功能以及得出结论的功能。4.1智能传感器概述2024-07-234.1.1智能传感器的定义有以下几个定义被普遍应用：③、智能传感器是可提供比正确表达被测对象参量更多功能的传感器，符合这个定义的传感器通常也称为灵巧传感器。典型的例子就是可集成到网络环境中应用的传感器。尽管有很多不同的定义，但是智能传感器的主要组成部分是基本相同的。智能传感器的基本单元包括：①敏感元件或敏感元件阵列；②激励控制单元；③放大；④模拟滤波；⑤信号转换；⑥补偿；⑦数字信号处理；⑧数字通信。从其组成部分可以看出，这种智能传感器已经远远超出了普通概念上传感器所具有的功能。因此，智能传感器更像是一个具有敏感元件、数据获取、处理及传输功能的完整系统。4.1智能传感器概述4.1.1智能传感器的定义图4-2

智能传感器的基本结构框架图2024-07-234.1智能传感器概述2024-07-234.1.1智能传感器的定义如图4-2所示，智能传感器主要由传感器、微处理器及相关电路组成。传感器将被测物理量、化学量等转换为相应的电信号，送到信号调理电路中，经过滤波放大、数模转换等信号预调处理后送到微处理器。微处理器对接收的信号进行计算、存储、数据分析和处理后，一方面通过反馈回路对传感器与信号调理电路进行调节以实现对测量过程的调节和控制，另一方面将处理后的结果传送到输出接口，经过接口电路的处理后按照输出格式输出数字化的测量结果。其中微处理器可以是微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)、数字信号处理器(Digital

Signal

Processing,DSP)、专用集成电路(Application-Specific

Integrated

Circuit,ASIC)、现场可编程逻辑门阵列(Field-Programmable

GateArray,FPGA)、微型计算机。4.1智能传感器概述USB等接口与微型计算机进行数字化双向通信。2024-07-234.1.2智能传感器的特性首先，通过图4-3所示的智能称重传感器系统来认识智能传感器技术的功能特点。称重传感器将被测目标的重量转换为电信号，经过模-数转换为数字信号后输入单片机，此时测量的目标重量电信号受温度、非线性等因素的影响，并不能较准确地反映目标的真正重量。所以，智能称重传感器可以加入温度传感器测量环境温度，同样通过模-数转换为电信号输入单片机。存储设备中存储有用于非线性校正的数据。称重传感器测得的目标重量数据经过单片机进行计算处理、消除非线性误差，同时根据温度传感器测得的环境温度进行温度补偿、零点自校正、数据校正，并将处理后的数据存人存储设备中，还可以在显示设备上显示，以及通过RS-232，4.1智能传感器概述4.1.2智能传感器的特性图4-3

智能称重传感器系统原理图2024-07-234.1智能传感器概述2024-07-234.1.2智能传感器的特性可见，由于智能传感器引入了微处理器进行信息处理、逻辑思维、推理判断，使其除了传统传感器的检测功能外，还具有数据处理、数据存储、数据通信等功能，其功能已经延伸至仪器的领域，具有如下功能特点。①

补偿功能这是智能传感器最突出的功能。由于智能传感器内部集成有可用于对信号进行数字化处理的嵌入式微处理器，因此可实现对传感器性能的多方面补偿，如零点补偿、增益补偿、线性补偿、温度漂移补偿等。智能传感器利用微处理器对测量的数据进行计算，采用多次拟合、差值计算或神经网络方法对漂移和非线性等进行补偿，从而获得较精确的测量结果。此外智能传感器还可以判断某传感器的信号是否在合理范围内、是否与某相邻传感器的检测结果相符、输出信号的变化速度是否合理、输出信号的变化是否真的代表被测量量的变化等。4.1智能传感器概述2024-07-234.1.2智能传感器的特性②自校零、自标定、自校正、自适应量程功能这是智能传感器技术的重要功能之一。操作者输入零值或某一标准量值后，智能传感器中自动校准软件可以自动对传感器进行在线校准。智能传感器还可以通过对环境的判断自动调整零位和增益等参数，可以根据微处理器中的算法和EPROM中的计量特性数据与实测数据对比校对和在线校正。甚至，部分智能传感器可以根据不同测量对象自动选择最合适量程，以获取更准确的测量数据。③自诊断（自检）功能智能传感器在上电及工作工程中可以进行自检，利用检测电路或算法检查硬件资源(包括传感器和电路模块)和软件资源有无异常或故障。其中，传感器故障诊断是智能传感器自诊断技术的核心内容，对于传感数据异常、硬件故障需及时报警，并实现故障定位、故障类型判别，以便采取相应措施。4.1智能传感器概述2024-07-234.1.2智能传感器的特性④计算功能与数据存储记忆功能智能传感器可以实现多种层次的计算功能，包括信号调理（如模拟与数字滤波）、信号转换（A/D转换、V/F转换）、逻辑控制（如产生系统所需的各种脉冲信号，甚至采用数字合成方式输出稳定的激励信号）、数据压缩（如特征数据提取）、数据决策（如模式识别、数据分类）等；而且随着嵌入式微处理器系统功能的不断强化，许多复杂的算法，如模糊算法、基因算法等，都在智能传感器中有所应用。智能传感器也可以存储各种信息，如校正数据、工作日期等。4.1智能传感器概述4.1.2智能传感器的特性⑤双向通信和数字输出功能数字式双向通信是智能传感器关键标志之一。传统意义上的传感器系统是由专业人士对某特定应用设计实现的，这种方式的局限在于系统的集成度低（受设计者知识及能力所限制，每个系统中所能采用的传感器数目有限）、成本高及可拓展性差。智能传感器采用模块化标准化设计的方法解决这一问题，包括传感器电气接口的标准化以及传输协议的标准化，可实现传感器的即插即用乃至分布式、可重配置的传感器系统。基于各种通信网络协议的网络化智能传感器已经成为分布式测控技术的一个重要发展方向。正是有了通信功能，才可以构建网络化的智能传感器。智能传

感器的微处理器不仅能接收、处理传感器的测量数据，也能将控制信息发送至传感器，在测量过程中对传感器进行调节、控制。智能传感器的标准化数字输出接口可与计算机或接口总线方便连接，进行通信与信息管理，可以与计算机或网络适配器

连接2进024行-07-远23程通信与管理。4.1智能传感器概述2024-07-234.1.2智能传感器的特性⑥组态功能智能传感器中可设置多种模块化的硬件和软件，用户可通过微处理器发出指令，改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组合状态，完成不同的测量功能。由于智能传感器技术具有以上功能，使得它与传统传感器相比，具有如下特点。（1）、测量精度高智能传感器技术具有自校零、自校正、自适应量程、自补偿和数字滤波等多项新技术，可以有效修正各种确定性系统误差和一定程度补偿随机误差，降低噪声，大大提高了测量精度。4.1智能传感器概述2024-07-234.1.2智能传感器的特性（2）、可靠性和稳定性高集成式智能传感器消除了传统电路结构的某些不可靠因素，提高了抗干扰性能;同时，智能传感器技术能定时或不定时对软硬件资源进行自诊断，对于异常情况或故障能及时报警或处理，甚至自恢复，这些都大大提高了智能传感器的可靠性和稳定性。（3）、性价比高与普通传感器相比，智能传感器更容易实现，而且其使用低价的微处理器、集成电路工艺和编程技术实现，其具有更高的性价比。（4）、智能化、多功能化智能传感器技术由于采用微处理器及相关算法，使其具有某些与人类相似的智能思维与行为，实现多种提高测量性能、简化操作的功能。4.1智能传感器概述4.1.3常用传感器智能化方式实现传感器各项功能的智能化和建立智能传感器系统，是传感器克服自身不足，获得高稳定性、高可靠性、高精度、高分辨率和高适应能力的必由之路，这就是奠定智能化传感器实现基础的内容。就目前的发展情况看，实现传感器智能化有至少3种不同的途径：利用计算机合成（智能合成）利用特殊功能的材料（智能材料）利用功能化几何结构（智能结构）第一条智能合成途径是最常见的。它的一个典型应用是具有信息处理功能的传感功能合成，通常表现为传感装置与微处理器的结合，即使在设计完成后，亦可通过编程改变算法，从而表现出多功能的适应性。利用模拟电路或网络实现实时并行操作，并采用优化、简化的特性提取方法进行信息2处024理-07-，23这种合成称为计算型传感器。4.1智能传感器概述2024-07-234.1.3常用传感器智能化方式第二和第三条途径中，信号处理形式为模拟信号判别，即仅仅选择出有用的信号，对噪音或非期望效应则通过特殊材料或特殊的机械结构抑制。这样增强了信号的选择性。在第二条途径中，特有的目标材料与传感器材料的结合有利于实现几乎是理想的信号选择性。比如固定在生物传感器顶端的酶就是这种材料的一个典型例子。在第三条途径中，信号处理功能通过传感器传感装置的几何结构或机械结构实现。比如光波和声波的传递可通过不同媒体间边缘的特殊形状来控制；波的折射和反射可通过反射器的表面形状控制；而通过透镜或凹镜就是最简单的应用范例。只有来自目标空间的某一定点的发射光才能被集中在图像空间的一个定点上；而影响结果的散射光效应可在图像平面被滤除。4.2智能传感器网络2024-07-23网络化智能传感器是传感器技术和计算机通信技术相结合的产物。随着计算机技术、网络技术和通信技术的高速发展与广泛应用，出现了网络化的自动测试技术。网络化测试系统实现了大型复杂系统的远程测试，是信息时代测试的必然趋势。传感器作为信息采集必不可少的装置，也必然顺应网络化这一潮流，于是出现了网络化智能传感器的概念。网络化智能传感器技术致力于研究智能传感器的网络通信功能，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、传输和处理的真正统一和协同。它不仅实现了智能化，如自补偿、自校准、自诊断、数值处理、双向通信、信息储存、数字量输出等功能，而且还将敏感元件、转换电路和变送器结合为一体，并在自身内部嵌入了通信协议，直接传送满足通信协议的数字信号，从而具有强大的通信能力。4.2智能传感器网络2024-07-234.2.1智能传感器网络结构网络化智能传感器主要包括三种结构，即基于现场总线的智能传感器基于TCP/IP协议的智能传感器无线传感器网络4.2智能传感器网络2024-07-234.2.1智能传感器网络结构现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，其在控制现场建立一条高可靠性的数据通信线路，以此实现各个智能传感器之间及智能传感器与主控机之间的数据通信。智能传感器被赋予现场总线式通信功能之后。主控系统以现场总线为纽带，从而把单个智能传感器变成一个独立的网络节点。经过智能传感器预处理的数据通过现场总线汇集到主机上，进行更高级的处理，使系统由面到点、再由点到面。对被控对象进行分析判断，提高了系统的可靠性和容错能力。这样就把各个智能传感器连接成了可以互相沟通信息、共同完成控制任务的网络系统与控制系统。4.2智能传感器网络2024-07-234.2.1智能传感器网络结构传感器总线是现场总线技术在传感器领域的一个分支，网络标准和应用接口标准问题至关重要。现有的现场总线种类有数十种之多，由于各厂家通信协议标准不同，存在着智能传感器的兼容和互换性问题。影响了总线式智能传感器的应用。鉴于分布式控制和传感器间的通信(特别是无线通信)的需求越来越迫切，因此集传感、处理和通信为一体的智能传感器以及传感器的网络化，成为传感器技术发展的重要趋势。IEEE的仪表与测量技术委员会和美国国家标准与技术协会联合于1995年底制定出了一种简化控制网络和智能传感器连接标准的IEEE1451智能传感器接口标准方案。符合IEEE1451标准的有线网络化传感器的典型体系结构如图4-4所示。4.2智能传感器网络4.2.1智能传感器网络结构图4-4

基于IEEE

1451的网络化智能传感器体系结构IEEE1451为智能传感器与现在所有的各种总线提供了通用的接口标淮。这种接口的标准化有利于实现传感器的即插即用，也必将进一步推动网络化智能传感器的发展与应用。关于IEEE1451标准族在下面的相关小节有详细介绍，这里就不再展开论述。2024-07-234.2智能传感器网络2024-07-234.2.1智能传感器网络结构基于TCP／IP协议的网络化智能传感器是计算机网络技术与智能传感器相结合的产物。通过将这种传感器直接与Internet网络连接，使其与普通计算机一样成为网络中的独立节点，并具有网络节点的组态性和可操作性。这样的信息就能跨越网络所覆盖的任何区域，进行实时远程在线测试，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。各种现场数据可以直接在网络上传输、发布和共享。这也使测控系统本身发生了质的飞跃，可对网络上任何测控系统节点中的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。同时，通过研制特定的嵌入式TCP／IP软件。可使得测控网与信息网融为一体。基于TCP／IP协议的网络化智能传感器的基本结构如图4-5所示。4.2智能传感器网络4.2.1智能传感器网络结构图4-5

基于TCP/IP协议的网络化智能传感器体系结构2024-07-234.2智能传感器网络4.2.2智能传感器网络特点网络化智能传感器是以嵌入式微处理器为核心，集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元的新一代传感器。与其他类型的传感器相比，网络化有如下特点：①

嵌入式技术和集成电路技术的引入，使传感器的功耗降低，体积减小，抗干扰性和可靠性提高，更能满足工程应用需要。②

多敏感功能。智能传感器将原来分散的、各自独立的、仅能敏感单一参量的传感器集成为具有多敏感功能的传感器，同时测量多种物理量和化学量，全面反映被测量物质的综合信息。③

微处理器的引入使传感器成为硬件和软件的结合体，能根据输入信号值进行一定程度的判断和决策制定，实现自校正和自我保护功能。非线性补偿、零点漂移和温度补偿等软件技术的应用，使传感器具有很高的线性度和测量精度。④

网络接口技术的应用使传感器能方便的接入网络，为系统的扩充和维护提供了极大的方便，也改变了传统传感器与特定测控设备间的点到点连接方式，从而显著地降低了现场布线的20复24-0杂7-2程3度并减轻了电缆质量。4.2智能传感器网络2024-07-234.2.2智能传感器网络特点可见，网络化智能传感器或者说智能传感器网络使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展；从被动检测向主动进行信息处理方向发展；从孤立元件向系统化、网络化发展；从就地测量向远距离实时在线测控发展。而且，网络化智能传感器使传统测控系统的信息采集、数据处理等方式产生了质的飞跃——各种现场数据直接在网络上传输、发布与共享。这使得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。4.2智能传感器网络4.2.3有限智能传感器网络总线式和TCP／IP式网络化智能传感器通常都是有线式的传感器网络，目前尚处于不断发展与进步的阶段，在实际应用中还面临许多技术及理论方面的问题，主要体现在以下几方面：①现场总线标准不统一。基于现场总线的网络化智能传感器已经初步成为工业过程控制系统的主流仪表，但其国际标准的制定因技术、商业利益等原因进展缓慢。现场总线标准的不统一影响了总线式智能传感器的应用。由于各厂家通信协议标准的不同，存在着智能传感器的兼容和互换性问题。现有的现场总线智能传感器不售是采用何种通信协议，都不是统一的现场总线标准。这就决定了它们和控制系统之间的通信还是以模拟信号为主，其上叠加的数字信号由于传输速率低还不能充分发挥其作用。若完全采用数字通信，会带来诸202如4-07经-23

常变换仪表等麻烦，给现场总线智能传感器的灵活应用带来障碍。4.2智能传感器网络2024-07-234.2.3有限智能传感器网络②智能化水平低。现有的智能传感器虽然在响应速度、精度、控制检测等方面得到一定的应用，但离真正的智能化还有一段距离。常见的智能传感器只是利用微计算机进行数据处理，实现线性补偿、温度补偿及进行一些简单的判断和诊断，以增强功能，提高性能。这与人工智能行为还相差甚远，它仅仅是数据处理层次上的低级智能，其学习能力和对外界环境的分析判断能力还远不及人工智能。智能传感器应充分利用人工神经网络、人工智能、模糊理论、专家系统等技术，向接近或达到人类智能水平的方向发展，使其具有完善的学习思维等功能，在实践中不断积累经验，以完成更复杂的任务。这就对软件设计、微机械加工技术等领域提出了更高的要求。4.2智能传感器网络2024-07-234.2.3有限智能传感器网络③集成度低。目前实际应用的智能传感器产品有许多还是模块化、分离式结构的，有的还仅仅是将敏感元件和电子线路紧凑地安装在同一外壳内组成的所谓混合智能传感器。集成化程度低使得智能传感器无论在性能还是体积、质量方面都还没有充分发挥其优势。今后要充分利用传感器技术、微电子技术和微机械加工技术，制造高集成度的智能传感器，使敏感功能、控制功能及存储记忆功能在一个芯片上同时实现。近年来。无线传感器网络的研究得到了国内外研究人员的广泛重视，相对于有线式传感器网络而言，无线传感器网络的应用更为广泛，在很多有线式网络难以实现的场合，无线传感器网络都有用武之地，因此下面单列一节对无线传感器网络的相关技术进行概述。4.2智能传感器网络特的作用。2024-07-234.2.4

无线智能传感器网络无线传感器网络WSN(Wireless

SensorNetwork)是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式，相互传递信息，协同地完成特定功能的智能专用网络。它综合了传感器技术、嵌入式系统技术、网络技术、通信技术、分布式信息处理技术、微电子制造和软件编程等技术，可实时监测、感知和采集网络所监控区域内的各种环境或监测对象的信息，并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户。由于无线传感器网络具有广阔的应用前景和巨大的应用价值，近年来在国际上引起了广泛的重视，并投入了大量资金。国际上各机构组织对无线传感器网络及相关研究的高度重视，也大大促进了无线传感器网络的发展，使无线传感器网络在许多应用领域都开始发挥其独4.2智能传感器网络4.2.4

无线智能传感器网络无线传感器网络是一种“智能”网络，它有如下的特点：传感器节点数目大，密度高，采用空间位置寻址在一个无线传感器网络中．为保证网络可用性和生存能力，可能有成千上万的节点，因而其节点密度高，且由于传感器节点数目大，网络中一般不支持任意两个节点之间的点对点通信，因而在进行数据的传输中采用空间位置寻址。传感器节点的能量、计算能力和存储容量有限随着传感器节点的微型化，在设计中大部分节点的能量靠电池提供，其能量有限，而且由于条件限制，难以在使用过程中给节点补充能量或更换电池，所以传感器节点的能量限制是整个无线传感器网络设计的瓶颈，它直接决定了网络的工作寿命；另一方面，传感器节点的计算能力和存储能力都较低，使得其不能进行复杂的计算和数据存储。因而对于无线传感器网络的研究者们提出了挑战，必须设计简单有效的路由协议等，20以24-0适7-23用于无线传感器网络。4.2智能传感器网络2024-07-234.2.4

无线智能传感器网络无线传感器网络的拓扑结构易变化，具有自组织能力由于无线传感器网络中节点节能的需要，传感器节点可在工作和睡眠状态之间切换，传感器节点随时可能由于各种原因发生故障失效，或者可能为网络添加新的传感器节点，这些情况的发生都使得无线传感器网络的拓扑结构在使用中很容易发生变化。此外，如果节点具备移动能力，也必定会带来网络的拓扑变化。基于网络的拓扑结构易变化，无线传感器网络具有自组织、自配置的能力。传感器节点具有数据融合能力在无线传感器网络中，由于传感器节点数目大，很多节点会采集到相同类型的数据，因而，通常要求其中的一些节点具有数据整合能力，能对来自多个传感器节点采集的数据进行融合，再送给信息处理中心。数据融合可以减少冗余数据，从而可以减少在传送数据进程中的能量消耗，延长网络的寿命。4.2智能传感器网络2024-07-234.2.4

无线智能传感器网络跟无线Mesh(网状)网络相比，无线传感器网络的业务量较小，无线Mesh网络业务量较大，主要是Internet业务(包括多媒体业务)；无线传感器网络移动性较强，因而能源问题是无线传感器网络的主要问题，而无线Mesh网络是固定的，即使移动，其移动性也很小，所以可以直接由电网供电，故其节点能量不受限制。无线传感器网络是无线自组织(Ad—hoc)网络的一种典型应用，其必然具有无线自组织特征，但与传统的Ad—hoc网络相比，又有一些不同之处。主要区别有以下几点：4.2智能传感器网络2024-07-234.2.4

无线智能传感器网络在网络规模方面，无线传感器网络包含的节点效量比Ad—hoc网络高几个数量级。在分布密度方面，无线传感器网络节点的分布密度很高。由于能量限制和环境因素．无线传感器网络节点易损坏和出故障。由于节点的移动和损坏，无线传感器网络的拓扑结构频繁变化。在通信方式方面，无线传感器网络节点主要使用广播通信，而Ad—hoc节点采用点对点通信。无线传感器网络节点的能量、计算能力和存储能力受限。由于无线传感器网络节点数量的原因，无线传感器网络节点没有统一标识。无线传感器网络以数据为中心。4.2智能传感器网络2024-07-234.2.4

无线智能传感器网络通常情况下，无线传感器网络系统结构如图4-6所示。具有射频功能的传感器节点分布于无线传感器网络的各个部分，负责对数据的感知和采集，并且通过无线传感器网络通信技术将数据发送至汇聚节点(网关或者基站)。汇聚节点与监控或管理中心通过公共网络等(如Internet网络／卫星通信网络等)进行通信，从而用户对收集到的数据进行处理分析，以便做出判断或者决策。图4-6

典型无线传感器网络结构示意图4.2智能传感器网络2024-07-234.2.4

无线智能传感器网络与其他网络(如Internet网络)一样，无线传感器网络分层网络通信协议包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，其协议体系结构如图4-7所示。物理层负责对收集到的数据进行抽样量化，以及信号的调制、发送与接收，也就是进行比特流的传输；数据链路层主要负责数据成帧、帧检测、媒质接入控制以及差错控制来降低节点间的传输冲突；网络层主要完成数据的路由转发，实现传感器与传感器、传感器与信息接收中心问的通信；如果信息只是在无线传感器网络内部传递，则传输层可以不需要，但是从实际应用来看，无线传感器网络需要和外部的网络进行通信来传递数据，这时传输层将提供无线传感器网络内部以数据为基础的寻址方式，并将其变换为外部网络的寻址方式，也就是完成数据格式的转换功能，在应用层，根据用户不同需要采用不同的应用软件，就可实现无线传感器网络专门的应用目的。4.2智能传感器网络2024-07-234.2.4

无线智能传感器网络在实际应用，无线传感器网络需要采用各种灵活的解决方案。比如，在物理层，可以采用低阶调制技术、超宽带(UWB)无线通信技术、无线射频识别(RFID)技术等；在媒质访问控制(MAC)子层可以采用分布式接入控制算法、公平资源分配算法等，在网络层，针对不同应用需要，可采用各种节省能量的分布式路由算法和协议，以及数据融合的算法。由图4-7可见，在无线传感器网络协议体系结构中定义了跨层管理技术和应用支持技术，如能量管理、拓扑管理等。4.2智能传感器网络4.2.4

无线智能传感器网络图4-7

无线传感器网络协议体系结构图2024-07-234.3智能传感器网络接口标准4.3.1智能传感器接口标准定义标淮的基本目标是：开发一个与网络、传感器提供商都无关的传感器接口，即一套通用的通信接口，以使变送器能够独立于网络，并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，解决不同网络间的兼容性问题，最终实现变送器到网络的互换性与互操作性；提供包含有制造商相关数据(传感器身份、校准、校正数据、测量范围和制造厂家的有关信息等)的传感器电子数据表TEDS(TransducerElectronic

Data

Sheets)标淮格式；支持传感器数据、控制、定时、结构和校准的一个通用模式，允许以最小的花费实现传感器的安装、升级、更换、卸载，实现传感器的即插即用；避免易出的错误和人为的数据进入，省略系统构成的步骤，使传感器和执行器的有线、无线连接变得容易。执行这个标推，相同的传感器可以用在多种控制网络，并且测量、控制用的控制网络选择，不再受传感器接插特性的制约，因而传感器应用开发人员可以把精力集中于拓展应用的价值和创新方面。不用再耗费在20开24-0发7-23不同网络的接口方面。4.3智能传感器网络接口标准2024-07-234.3.2IEEE

14511993年，IEEE

和国家标准与测试学会NIST发起了一个活动，IEEE1451.1～IEEE1451.4相继出现，导致了两个标准的制定，即：IEEE1451.1

网络应用处理器信息模式；IEEE1451.2换能器微处理器通信协议和换能器电子数据单(TEDS)格式；IEEE1451.3多点分布式系统的换能器电子数据单格式和数字通信；IEEE1451.4混合型通信协议和换能器电子数据单格式。IEEE1451的目标是：不管传感器采用有线还是无线的方法，允许传感器通过一个通用的接口系列，来存取传感器数据。到目前为止．IEEE1451有8个标准系列：1451.0、1451.1、1451.2、1451.3、1451.4、1451.5、1451.6、1451.7。4.3智能传感器网络接口标准4.3.2IEEE

1451（1）1451.0–2007——通用功能、通信协议和传感器电子数据表(TEDS)格式；（2）1451.1–1999——具有网络能力的应用处理器信息模；（3）1451.2–1997——传感器到微处理器通信协议和TEDS格式；（4）1451.3–2003——多点分布式系统的数字通信和TEDS格式；（5）1451.4–2004——混合模式通信协议和TEDS格式；（6）1451.5–2007——无线通信协议和传感器电子数据表(TEDS)格式；（7）1451.6–2007——CANopen协议变换器网络接口；（8）1451.7–2010——传感器到射频识别系统通信协议和传感器电子数据表格式。上述标准作为完整的IEEE

1451标准的一部分可以分开采用，也可以一起使用。但存在这样一个规则：数目字(指1451后的.0、.1、…、.7)大的标准所定义的技术规范被完全包含在数目字小的规范范围内，这样可以使每一级上硬件元器件的封装变得比较紧凑20，24-0类7-23似于面向对象编程中数据隐藏的概念或者相当网络技术中的协议层的定义。4.3智能传感器网络接口标准2024-07-234.3.2IEEE

1451IEEE1451将传感器分成两层模块结构，第一层模块用来运行网络协议和应用硬件，称为网络适配器NCAP(Network

Capable

ApplicationProcessor)；第二层模块为智能变送器接口模块STIM(Smart

Transducer

Interface

Module)，其中包括变送器和电子数据表格TEDS。根据这种分层模型，使得应用在基于各种现场总线的分布式控制系统中的各种变送器的设计、制造与系统的网络结构无关。IEEE1451标准族的整体框架和各成员间的关系如图4-8所示。从图中可知，IEEEl451.X标准都可以在一起应用，构成网络化智能传感器系统，但各个IEEE1451.X也可以单独应用。IEEE1451.1标准可独立于其他1451.X硬件接口标准而单独使用，而IEEE1451.X也不需要IEEE1451.1而可以单独使用。但是，IEEE1451.X中必须要有一个类似于IEEE1451.1所具有的软件结构，它能够提供物理参数数据、应用功能函数和通信功能，以实现把基于IEEE1451.X的设备与网络连接，实现IEEE1451.1中所具有的功能。4.3智能传感器网络接口标准4.3.2IEEE

1451图4-8

IEEE标准族2024-07-234.3智能传感器网络接口标准2024-07-234.3.3GB/T

34068-2017物联网智能传感器的一大特点就是能够通过各种接口实现与外部网络或系统的双向通信，并具备自识别、自描述、自组织等功能。目前，适用于智能传感器的通信接口种类繁多，为了优化产品之间的兼容性，规范我国智能传感器的研究和生产，促进产业的发展，有必要对智能传感器接口进行标准化。GB/T

34068-2017标准对物联网智能传感器所使用的接口技术进行了规范，为智能传感器的接口设计提供了参考与指导。标准规定了物联网智能传感器接口方面的术语和定义、系统的一般构成、数据格式和通信接口。标准适用于物联网智能传感器的接口设计、生产和使用。其他类似传感器的接口也可参照此标准。4.3智能传感器网络接口标准2024-07-234.3.3GB/T

34068-2017在GB/T

34068-2017标准中规定：智能传感器（intelligent

sensor）是具有与外部网络系统双向通信的手段，用于发送测量、状态信息，接收和处理外部命令的传感器。［GB/T33905.3—2017，定义3.2］智能传感器通信（intelligentsensor

communication

interface）是智能传感器之间、智能传感器与外部网络或系统之间进行双向通信所需具备