第三章 物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù),第3章物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù),傳統(tǒng)傳感器基礎(chǔ)知識,幾種常用傳感器介紹,智能傳感器,MEMS技術(shù),4,1,2,3,傳感器接口技術(shù),5,3.1傳統(tǒng)傳感器基礎(chǔ)知識,是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，處于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架的感知層。互聯(lián)互通。,傳感器技術(shù),靜態(tài)特性：指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出和輸入關(guān)系。衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。,動態(tài)特性：輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。,1.工業(yè)自動化系統(tǒng)：以傳感器一微機(jī)為核心的自動檢測與控制系統(tǒng)2.航空航天：飛行速度方向、飛行姿態(tài)進(jìn)行檢測3.資源探測與環(huán)境保護(hù)：大氣、水質(zhì)污染、放射性、噪聲的檢測4.醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：人體溫度、血壓及腔內(nèi)壓力、血液5.家用電子產(chǎn)品6.軍事領(lǐng)城,3.2幾種常用傳感器介紹,溫度傳感器,濕度傳感器,超聲波傳感器,氣敏傳感器,基本介紹：,基本介紹：,分類：,選擇注意事項(xiàng)：,在選擇溫度傳感器時，應(yīng)考慮到諸多因素，如被測對象的濕度范圍、傳感器的靈敏度、精度和噪聲、響應(yīng)速度、使用環(huán)境、價格等。,利用超聲波的特性研制而成；一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波；頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象?。惶貏e是方向性好、能夠成為射線而定向傳播對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面，會產(chǎn)生顯著反射，形成反射成回波碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。,超聲波傳感器,被測氣體的種類繁多，它們的性質(zhì)也各不相同。所以不可能用一種方法來檢測各種氣體，其分析方法也隨氣體的種類、濃度、成分和用途而異。,氣敏傳感器,主要參數(shù)與特性：,靈敏度：氣敏元件對氣體的敏感程度,響應(yīng)時間：氣敏元件的反應(yīng)速度,選擇性：氣敏元件對不同的氣體有不同的靈敏度,穩(wěn)定性：氣敏元件的輸出特性保持不變的能力,應(yīng)用,半導(dǎo)體氣敏元件，由于具有靈敏度高、響應(yīng)時間長、恢復(fù)時間短、使用壽命長和成本低等待點(diǎn)，所以半導(dǎo)體氣敏傳感器有很廣的應(yīng)用。,3.3智能傳感器,基本概念：,系統(tǒng)組成,功能,自補(bǔ)償和計(jì)算,自診斷功能,復(fù)合敏感功能,強(qiáng)大的通訊接口功能,現(xiàn)場學(xué)習(xí)功能,提供模擬和數(shù)字輸出,數(shù)值處理功能,掉電保護(hù)功能,特點(diǎn),一定程度的人工智能是硬件和軟件的結(jié)合體，可實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)功能，更能體現(xiàn)儀表在控制體統(tǒng)的作用?？梢愿鶕?jù)不同的測量要求，選擇合適的方案，并能對信息進(jìn)行綜合處理，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行檢測。多敏感功能將原來分散的、各自獨(dú)立的單敏傳感器集成為具有多敏功能的傳感器，能同時測量多種物理量和化學(xué)量，全面反映被測量的綜合信息。精度高、測量范圍寬，隨時檢測出被測量的變化對檢測元件特性的影響，并完成各種運(yùn)算，其輸出信號更為精確，同時其量程比可達(dá)100:1，最高達(dá)400:1，可用一個智能傳感器應(yīng)付很寬的測量范圍，特別適用要求量程比大的控制場合。通信功能可采用標(biāo)準(zhǔn)化總線接口，進(jìn)行信息交換，這事智能傳感器的標(biāo)志之一。,基于IEEE1451的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器,IEEE1451系列準(zhǔn)則,IEEE1451體系內(nèi)容,建立網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的軟件模型，包括信息與通信模型；,定義網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的硬件模型，包括網(wǎng)絡(luò)適配器NCAP、智能變送器接口模塊STIM及兩者間的有線、無線接口；,定義NCAP中封裝不同網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議接口，支持多種網(wǎng)絡(luò)模式及總線標(biāo)準(zhǔn)；,對智能傳感器的數(shù)據(jù)傳輸、尋址、中斷、觸發(fā)等做詳細(xì)規(guī)定；,定義電子數(shù)據(jù)表格TEDS及其數(shù)據(jù)格式。,該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軟件接口,對象模型該標(biāo)準(zhǔn)通過定義每個對象類的接口和行為定義每個對象類。系統(tǒng)中，該標(biāo)準(zhǔn)定義4種對象類：塊類、組件類、服務(wù)類和非本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的對象類。,通過對象模型、數(shù)據(jù)模型和網(wǎng)絡(luò)通訊模型3種模型實(shí)現(xiàn):,數(shù)據(jù)模型該模型規(guī)范了符合IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器所涉及的數(shù)據(jù)類型，含基本和結(jié)構(gòu)類型、物理數(shù)量和對象屬性類型及與網(wǎng)絡(luò)通訊相關(guān)的類型。,網(wǎng)絡(luò)通信模型:包括對象模型、數(shù)據(jù)模型和網(wǎng)絡(luò)通信模型，這3種模型為傳感器、網(wǎng)絡(luò)適配器、通信網(wǎng)絡(luò)間確定相應(yīng)的軟件接口。,網(wǎng)絡(luò)化智能變送器模型,IEEE1451.2協(xié)議,IEEE1451.2協(xié)議：一種網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)。,傳感器獨(dú)立接口是智能傳感器接口模塊和網(wǎng)絡(luò)適配器的接口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)適配器對智能傳感器接口模塊的控制和兩者之間的通信。,IEEE1451.2協(xié)議,通過提供標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感器接口模塊（STIM）、STIM和NCAP間的接口即TII，統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器基本結(jié)構(gòu)，解決標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一問題，廠商可依需求擴(kuò)展。該標(biāo)準(zhǔn)將網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器分為智能傳感器接口模塊（含電子數(shù)據(jù)表格TEDS）、網(wǎng)絡(luò)適配器及STIM與NCAP間的TII接口。,IEEE1451.2協(xié)議,TEDS：提供對傳感器、緩存?zhèn)鞲衅?、?shù)據(jù)序列傳感器、事件序列傳感器及執(zhí)行器等模型的支持，具有自動識別傳感器或執(zhí)行器的能力。,STIM模塊：變送器（傳感器或執(zhí)行器）、信號調(diào)理與信號轉(zhuǎn)換電路、TEDS、微處理器和存儲器，可連接單一傳感器或多傳感器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)。,TII接口示意圖,TII接口的邏輯信號和功能定義,智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)體系,標(biāo)準(zhǔn)體系中最重要的就是第三部分智能傳感器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。,按照智能傳感器的構(gòu)成，分為硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和產(chǎn)品技術(shù)要求。,硬件系統(tǒng)：包括敏感元件、網(wǎng)絡(luò)接口規(guī)范、內(nèi)部接口規(guī)范、供電標(biāo)準(zhǔn)、防爆要求、封裝要求。其中，敏感元件按照其物理特性分為溫度、濕度、壓力、流量、加速度等，并對各種不同原理產(chǎn)品的特性指標(biāo)、封裝形式給出具體要求。網(wǎng)絡(luò)接口規(guī)范分別規(guī)定了智能傳感器的物理接口和數(shù)據(jù)接口要求。內(nèi)部接口規(guī)范規(guī)定可智能傳感器實(shí)現(xiàn)IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)時的通信接口要求。,產(chǎn)品技術(shù)要求：按照被測參數(shù)不同，分為溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、變送器等的具體技術(shù)要求，比如自校驗(yàn)、自診斷、信息決策等。,軟件系統(tǒng)：包括系統(tǒng)軟件規(guī)范和數(shù)據(jù)共享。其中，系統(tǒng)軟件規(guī)范指智能傳感器的編程規(guī)范等，數(shù)據(jù)共享指源數(shù)據(jù)和編碼的格式要求、信息分類等，是與物聯(lián)網(wǎng)銜接時的重要組成部分。,應(yīng)用,三個層次：一個是傳感網(wǎng)絡(luò)，以二維碼、RFID、傳感器為主，實(shí)現(xiàn)“物”的識別；二是傳輸網(wǎng)絡(luò)，即通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)。廣電網(wǎng)、通信網(wǎng)或下一代互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和計(jì)算；三是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，即輸入輸出控制終端，包括手機(jī)等終端。,智能傳感器發(fā)展趨勢,（1）向高精度發(fā)展（2）向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展（3）向微型化發(fā)展（4）向微功耗及無源化發(fā)展（5）向智能化數(shù)字化發(fā)展（6）向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展,3.4MEMS技術(shù),MEMS定義,MEMS特點(diǎn),微機(jī)械壓力傳感器微加速度傳感器微機(jī)械陀螺儀微流量傳感器微氣體傳感器微機(jī)械溫度傳感器,常用的MEMS傳感器,微加速度傳感器,微氣體傳感器,3.5傳感器接口技術(shù),傳感器輸出信號的特點(diǎn),(1)輸出信號比較微弱有的傳感器輸出電壓僅有0.1V。這就要求接口電路必須有一定的放大能力。(2)輸出阻抗比較高這樣會使傳感器信號輸入到測量電路時產(chǎn)生較大的信號衰減。(3)輸出信號動態(tài)范圍很寬。輸出信號隨著輸人物理量的變化而變化，但它們之間的關(guān)系不一定是線性比例關(guān)系。,傳感器與微機(jī)接口的一般結(jié)構(gòu),輸入通道的特點(diǎn)：,輸入通道的結(jié)構(gòu)類型取決于傳感器送來的信號大小和類型。輸入通道的主要技術(shù)指標(biāo)是信號轉(zhuǎn)換精度和實(shí)時性，后者為實(shí)時檢測和控制系統(tǒng)的特殊要求。輸入通道是一個模擬、數(shù)字信號混合的電路，其功耗小，一般沒有功率驅(qū)動要求。被測信號所在的現(xiàn)場可能存在各種電磁干擾。,輸出通道的特點(diǎn)：,通道的結(jié)構(gòu)取決于系統(tǒng)要求，其中的