浅析网络化智能传感技术的发展

1、引言

传感器技术、通信技术和计算机技术构成了现代信息的三个基础。它们是当代科学技术发展的重要标志。随着科学技术的发展，数字化、智能化、网络化已成为时代的发展趋势：计算机技术与通信技术的结合产生了计算机网络技术；计算机技术与传感器技术的结合产生了智能传感器技术；三者（计算机网络技术与智能）

2.网络化智能传感技术

网络智能传感器是一种以嵌入式微处理器为核心的新型智能传感器，集成了传感器单元、信号处理单元和网络接口单元，使传感器具有自检、自学、自诊断和网络通信功能，实现信息的采集、处理和传输。

与其他类型的传感器相比，网络化智能传感器具有以下特点：

⑴具有智能传感功能。嵌入式技术，

⑵ 具有网络通信功能。网络接口技术的应用使传感器很容易接入

3、基于现场总线的智能传感技术

根据国际电工委员会的规定，现场总线技术是一种集计算机技术、通信技术、集成电路技术和智能传感技术于一体的新兴控制技术IEC61158标准定义：安装在制造和工艺区域的数字、串行和多点通信数据总线称为制造和工艺区域内的自动控制装置之间的现场装置。一般认为现场总线是一种全数字、双向、多站的通信系统，是用于工业控制的计算机系统工业总线。

现场总线技术是在智能仪表和全数字控制系统的需要下产生的。现场总线是连接智能现场设备和控制室之间的全数字、开放和双向通信网络。随着各种智能传感器、变送器和执行器的出现，一种新的工业控制系统体系?D现场总线控制系统数字化到现场，控制功能到现场，设备管理到现场FCS(Fieldbus Control System)将取代传统的集散控制系统DCS(Distributed Control System)。

3.1现场总线的本质含义

现场总线不仅是一种通信协议，也不仅是用数字信号传输的仪表代替模拟信号(4～20mA DC)传输仪器的关键是使用新一代现场总线控制系统FCS取代传统的集散控制系统DCS，实现现场通信网络与控制系统的集成。其本质含义体现在以下六个方面：

⑴ 全数字通信

和半数字化DCS不同的是，现场总线系统是一个纯数字系统。现场总线是一个现场数字通信网络，用于连接过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪器。数字信号代替模拟信号，具有较强的抗干扰性和较高的测量精度，大大提高了系统的性能。

⑵ 现场设备互连

现场设备或现场仪表是指通过一对传输线连接的传感器、变送器和执行器。双绞线、同轴电缆和光纤可用于传输线路。

⑶ 互操作性

可操作性的含义来自不同制造商的现场设备，不仅可以相互通信，还可以形成所需的控制电路，共同实现控制策略。

⑷ 分散功能块

FCS废弃了DCS输入/输出单元和控制站DCS控制站的功能块分散到现场仪表，实现了完全的分散控制。

⑸ 通信线供电

现场总线常用的传输介质是双绞线，允许现场仪器直接从通信线上摄取能量。

⑹ 开放式互联网络

现场总线为开放式互联网络，可与同类网络、不同网络、网络数据库共享。

3.2 现场总线不足

自20世纪80年代以来，现场总线技术一直备受关注，被称为自我控制领域的革命。自20世纪90年代以来，现场总线控制系统一度成为研究热点，各种现场总线产品不断涌现。随着现场总线控制系统在生产现场的实际应用，基于现场总线的智能化

一方面，由于技术、商业利益等原因，现场总线国际标准的制定导致多标准共存。IEC 61158规定了FF、Profibus现场总线场总线标准，加上IEC TC17已通过的三条现场总线国际标准(ICE 62026)现场总线国际标准有12种。由于各标准采用的通信协议完全不同，智能传感器存在兼容性和互换性问题，影响了总线智能传感器的应用。

另一方面，现场总线仍存在瓶颈。性能如下：现场总线切断后，系统可能产生不可预测的后果；系统组参数过于复杂，设置对系统性能影响较大；生产运行需要大量的人机数据交换，现场总线系统的通信容量有限，容易造成信息流堵塞。

4、基于IEEE P智能接口标准族1451

IEEE P1451标准系列是基于不同的现场总线标准，各种现场总线标准都有自己的通信协议，不兼容，从而对智能传感技术的应用、扩展和维护产生不利影响。目的是定义一整套通用通信接口，大大简化由传感器/执行器组成的各种网络控制系统，解决不同网络之间的兼容性问题，最终实现各厂家产品之间的互换性和可操作性。

4.1 IEEE P1451智能变送器接口标准

IEEE P1451义了变送器（传感器或执行器）的软硬件接口。该组的所有标准都支持电子数据表(TEDS)概念为变送器提供自识别(self-identification)和即插即用(plug-and-play)功能如下IEEE P简要介绍1451家族系列标准。

⑴ IEEE P1451.0

IEEE P1451.0提议标准，即通用功能、通信协议和变送器电子数据表格式(Common Functions，Communication Protocols，and Transducer Electronic Data Sheet(TEDS)Formats)。IEEE P1451建议标准系列由几个标准组成。虽然它们有共同的特点，但没有通用功能、通信协议和电子数据表格式，这影响了这些标准之间的可操作性，阻碍了这些标准在用户组中的广泛应用。IEEE P1451.通过定义包含基本命令设置和通信协议的独立性，提出了解决这个问题的建议标准NCAP对于变送器模块接口的物理层，为不同的物理接口提供一般简单的标准，以加强这些标准之间的可操作性。

⑵ IEEE Std 1451.1

IEEE Std 1451.1标准，即智能变送器网络应用处理器信息模型(Network Capable Application Processor(NCAP)Information Model for smart transducer)，1999年7月通过了IEEE认可。该标准通过一个标准的应用程序编程接口，准确定义了一般的智能传感器信息模型，涵盖了网络变送器的各种应用(API)来实现从模型到

⑶ IEEE Std 1451.2

IEEE Std 1451.2标准，即变送器与微处理器的通信协议和变送器的电子数据表格式(Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet(TEDS)Formats)，1997年9月通过了IEEE认可。本标准具体定义了电子数据表格式TEDS一个10线数字接口TII(Transducer Independent Interface)以及变送器与微处理器之间的通信协议(如图4所示)，智能传感器/执行器模块具有即插即用能力，测控网络也可以通过访问进行访问TEDS监控和配置传感器/执行器通道。

⑷ IEEE Std 1451.3

IEEE Std 1451.3标准，即分布式多点系统数字通信和变送器电子数据表格式(Digital Communication and Transducer Electronic Data Sheet(TEDS)Formats for Distributed Multidrop System)，2003年10月通过了IEEE认可。该标准采用展布频谱技术(spread spectrum technique)，数据同步采集、通信和电子设备连接到变送器总线。

⑸ IEEE P1451.4

IEEE P1451.4提案标准，即混合通信协议和变送器电子数据表格式(Mixed-mode Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet(TEDS)Formats)。IEEE 1451.1、IEEE 1451.2和IEEE 1451.3标准主要针对具有网络处理能力的传感器和执行器进行数字阅读。IEEE P1451.4标准主要致力于基于现有的模拟量变送器连接方法提出混合模式智能变送器通信协议：一方面，混合模式接口支持数字接口TEDS另一方面，模拟接口也支持现场仪器的测量；同时使用紧凑型TEDS连接模拟传感器接模拟传感器。

⑹ IEEE P1451.5

IEEE P1451.5建议标准，即无线通信和变送器电子数据表格式(Wireless Communication and Transducer Electronic Data Sheet(TEDS)Formats)。该提议标准于2001年6月最新推出，旨在现有IEEE P在1451框架下，建立一个开放的标准无线传感器接口，以满足工业自动化等不同应用领域的需要。

4.2 IEEE P1451智能变送器接口标准族系结构

IEEE P1451标准可分为软件接口和硬件接口两部分。在面向对象模型的帮助下，软件接口部分描述了网络智能变送器的行为，并定义了一套软件接口规范，使智能变送器能够顺利地连接到不同的测控网络；通过定义一般功能、通信协议和电子数据表格式，加强IEEE P1451族系列标准之间的互操作性。主要由软件接口部分组成IEEE 1451.1和IEEE P1451.0组成。硬件接口部分是由IEEE 1451.2、IEEE 1451.3、IEEE P1451.4和IEEE P1451.5组成主要针对智能传感器的具体应用。图7描述了IEEE P1451标准族的整体框架与各成员的关系。

需要指出的是，145l.X虽然他们相互合作，但他们也可以独立发挥作用。1451.不需要任何1451.X使用硬件接口，1451.X不需要1451.X但其软件必须提供传感器数据或信息等相应的网络传输功能。

5、结论

网络化智能