背景：
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 7665-2005)把傳感器定義為:能感受規(guī)定的被測(cè)量(包括物理,量、化學(xué)量、生物量等)并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。
分類(lèi)方式：
1、按照被測(cè)量分類(lèi)
2、按照工作原理分類(lèi)
3、按照信號(hào)變換特征分類(lèi)
4、按照能量關(guān)系分類(lèi)
能量轉(zhuǎn)換型（有源）
能量控制型（無(wú)源）
5、按照輸出信號(hào)形式分類(lèi)
智能傳感器(smart sensor)指具有信息檢測(cè)、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能的傳感器。充分利用集成技術(shù)和微處理器技術(shù),集感知、信息處理、通信于一體,能提供以數(shù)字量方式傳播的具有一定知識(shí)級(jí)別的信息。
傳統(tǒng)傳感器：僅提供表征待測(cè)物理量的模擬電壓信號(hào)
智能傳感器最主要的特征是輸出數(shù)字信號(hào), 便于后續(xù)計(jì)算處理。
傳感器的發(fā)展
傳統(tǒng)傳感器（聾啞）-智能傳感器-智能網(wǎng)絡(luò)傳感器（節(jié)點(diǎn)）-智能傳感器網(wǎng)絡(luò)
智能傳感器
概述：在普通傳感器中嵌入微處理芯片，可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。并能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
智能傳感器功能特點(diǎn)
1、自校準(zhǔn)、自標(biāo)定、自動(dòng)補(bǔ)償
2、自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理
3、自調(diào)整、自適應(yīng)
4、一定程度的存儲(chǔ)、識(shí)別和信息處理功能
5、雙向通信、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化輸出或符號(hào)輸出
6、算法判斷、決策處理的功能。
智能傳感器+網(wǎng)絡(luò)技術(shù)=智能網(wǎng)絡(luò)傳感器
智能網(wǎng)絡(luò)傳感器
遵從某種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)將測(cè)得數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。
智能網(wǎng)絡(luò)傳感器關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)，傳感器必須符合某種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)能夠直接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。不同網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)接口單元類(lèi)型，網(wǎng)絡(luò)選擇有傳感器總線、現(xiàn)場(chǎng)總線、企業(yè)內(nèi)部以太網(wǎng)、因特網(wǎng)。
按照傳感器傳輸信息的媒介途徑可以分為有線和無(wú)線：
有線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器
有線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器主要有基于現(xiàn)場(chǎng)總線和基于以太網(wǎng)協(xié)議的兩大類(lèi)智能網(wǎng)絡(luò)傳感器：
以太網(wǎng)是一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)。IEEE組織的IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)制定了以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了包括物理層的連線、電子信號(hào)和介質(zhì)訪問(wèn)層協(xié)議的內(nèi)容。以太網(wǎng)是應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，取代了其他局域網(wǎng)技術(shù)如令牌環(huán)、FDDI和ARCNET。
工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)源自于以太網(wǎng)技術(shù)，但是其本身和普通的 以太網(wǎng)技術(shù)又存在著很大的差異和區(qū)別。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)本身進(jìn)行了適應(yīng)性方面的調(diào)整，同時(shí)結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)安全性和穩(wěn)定性方面的需求，增加了相應(yīng)的控制應(yīng)用功能，提出了符合特定工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)所需求的相應(yīng)的解決方案。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)高效性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)性、智能性、擴(kuò)展性等多方面的需求，可以真正延伸到實(shí)際企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制層面，并結(jié)合其技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)，給予實(shí)際企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的全方位控制和管理，是一種非常重要的技術(shù)手段。
現(xiàn)場(chǎng)總線（Field bus）是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。由于現(xiàn)場(chǎng)總線具有簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，因而受到了許多標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體和計(jì)算機(jī)廠商的高度重視。
它是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動(dòng)化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。
不同的機(jī)構(gòu)和不同的人可能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線有著不同的定義，不過(guò)通常情況下，大家公認(rèn)在以下六個(gè)方面：
通信網(wǎng)絡(luò)：用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互連的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。
設(shè)備互聯(lián)：依據(jù)實(shí)際需要使用不同的傳輸介質(zhì)把不同的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或者現(xiàn)場(chǎng)儀表相互關(guān)聯(lián)。
互操作性：用戶可以根據(jù)自身的需求選擇不同廠家或不同型號(hào)的產(chǎn)品構(gòu)成所需的控制回路，從而可以自由地集成FCS。
（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)的概念已經(jīng)經(jīng)歷了20幾年的發(fā)展。它是在DCS/PLC基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)總線是"從控制室連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的雙向串行數(shù)字通信總線"，現(xiàn)場(chǎng)總線的"現(xiàn)場(chǎng)"更多的是指現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，而不是指位置。FCS主要特點(diǎn)是采用總線標(biāo)準(zhǔn)，一種類(lèi)型的總線，只要其總線協(xié)議一經(jīng)確定，相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)與有關(guān)的設(shè)備也就被確定。 開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)具有高度的互操作性。FCS既是一個(gè)開(kāi)放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一個(gè)全分布式的控制系統(tǒng)）
分散功能塊：FCS 廢棄了DCS 的輸入/輸出單元和控制站, 把DCS 控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表, 從而構(gòu)成虛擬控制站，徹底地實(shí)現(xiàn)了分散控制。
（DCS分散控制系統(tǒng)是以微處理器為基礎(chǔ)，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則的新一代儀表控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)DCS，也可直譯為分散控制系統(tǒng)或分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
它采用控制分散、操作和管理集中的基本設(shè)計(jì)思想，采用多層分級(jí)、合作自治的結(jié)構(gòu)形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。DCS在電力、冶金、石化等各行各業(yè)都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。）
通信線供電：通信線供電方式允許現(xiàn)場(chǎng)儀表直接從通信線上攝取能量, 這種方式提供用于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場(chǎng)儀表, 與其配套的還有安全柵。
開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)：現(xiàn)場(chǎng)總線為開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的共享。
從以上內(nèi)容我們可以看到，現(xiàn)場(chǎng)總線體現(xiàn)了分布、開(kāi)放、互聯(lián)、高可靠性的特點(diǎn)，而這些正是DCS系統(tǒng)的缺點(diǎn)。DCS通常是一對(duì)一單獨(dú)傳送信號(hào)，其所采用的模擬信號(hào)精度低，易受干擾，位于操作室的操作員對(duì)模擬儀表往往難以調(diào)整參數(shù)和預(yù)測(cè)故障，處于失控狀態(tài)，很多的儀表廠商自定標(biāo)準(zhǔn)，互換性差，儀表的功能也較單一，難以滿足現(xiàn)代的要求，而且?guī)缀跛械目刂乒δ芏嘉挥诳刂普局小CS則采取一對(duì)多雙向傳輸信號(hào)，采用的數(shù)字信號(hào)精度高、可靠性強(qiáng)，設(shè)備也始終處于操作員的遠(yuǎn)程監(jiān)控和可控狀態(tài)，用戶可以自由按需選擇不同品牌種類(lèi)的設(shè)備互聯(lián)，智能儀表具有通信、控制和運(yùn)算等豐富的功能，而且控制功能分散到各個(gè)智能儀表中去。由此我們可以看到FCS相對(duì)于DCS的巨大進(jìn)步。
也正是由于FCS的以上特點(diǎn)使得其在設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)都具有很大的優(yōu)越性：首先由于分散在前端的智能設(shè)備能執(zhí)行較為復(fù)雜的任務(wù)，不再需要單獨(dú)的控制器、計(jì)算單元等，節(jié)省了硬件投資和使用面積；FCS的接線較為簡(jiǎn)單，而且一條傳輸線可以掛接多個(gè)設(shè)備，大大節(jié)約了安裝費(fèi)用；由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備往往具有自診斷功能，并能將故障信息發(fā)送至控制室，減輕了維護(hù)工作；同時(shí)，由于用戶擁有高度的系統(tǒng)集成自主權(quán)，可以通過(guò)比較靈活選擇合適的廠家產(chǎn)品；整體系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性也大為提高。這一切都幫助用戶實(shí)現(xiàn)了減低安裝、使用、維護(hù)的成本，最終達(dá)到增加利潤(rùn)的目的 [3] 。
無(wú)線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器=無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)
構(gòu)成：
1、微處理器與存儲(chǔ)模塊
2、電源模塊
3、傳感器模塊
4、無(wú)線通信模塊
5、執(zhí)行器模塊
智能傳感器未來(lái)
1、傳感器走集成化：
傳感器集成化有幾個(gè)優(yōu)勢(shì):一是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能更加強(qiáng)大,滿足多樣化需求;二是成本優(yōu)勢(shì),1個(gè)集成傳感器比2個(gè)單獨(dú)的傳感器更加具有成本優(yōu)勢(shì)。三是降低尺寸,可以滿足更多可穿戴式智能產(chǎn)品的發(fā)展需求。
2、無(wú)線能量采集：
傳統(tǒng)傳感器存在諸多制約因素,最為突出的是供電方式。傳統(tǒng)傳感器主要通過(guò)電池或電力線供電,這種供電方式除了存在布設(shè)成本外,還會(huì)有定期維護(hù)和更換成本。此外,可穿戴產(chǎn)品的大小也對(duì)傳感器的尺寸提出更高要求。0對(duì)此,無(wú)線能量采集成為傳感器下一個(gè)發(fā)展方向。無(wú)線能量收集技術(shù),是指把環(huán)境中的能量比如光、動(dòng)能、熱能等轉(zhuǎn)換成電能來(lái)給系統(tǒng)供電的技術(shù),實(shí)現(xiàn)傳感器的自供電,這樣傳感器可以被安置在任何地方,也減少更換和維護(hù)的成本。目前,已有國(guó)外企業(yè)推出相應(yīng)的解決方案,并表示傳感器能夠持續(xù)工作達(dá)10年以上。
3、算法和方案
隨著細(xì)分應(yīng)用需求的增多,傳感器之上的軟件算法和方案重要性越來(lái)越凸顯。0在算法上,比如生物傳感器在醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用。在心電算法上,除了心率、心臟負(fù)荷率、壓力、睡眠指數(shù)等,還包括通過(guò)FDA認(rèn)證的醫(yī)療應(yīng)用。
4、新型敏感材料、探索新穎感知方法、敏感元件的陣列化與復(fù)合化將成為智能傳感器感知技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要方向。
5、網(wǎng)絡(luò)化
以智能傳感器為節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的智能傳感網(wǎng)絡(luò)是重要發(fā)展方向, 在多功能、高精度的復(fù)雜分布式測(cè)控系統(tǒng)中將顯示出其強(qiáng)大的生命力并起著非常重要的基礎(chǔ)作用。智能傳感器的通信技術(shù)將會(huì)隨著總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展而不斷豐富、發(fā)展。隨著微機(jī)械加工技術(shù)、微電子加工技術(shù)的發(fā)展, 市場(chǎng)將推動(dòng)智能傳感器向著集成化、微型化方向快速發(fā)展。
智能傳感器技術(shù)綜述
主要完成信號(hào)感知與調(diào)理、信號(hào)處理和通信三大功能。
1 信號(hào)感知與調(diào)理技術(shù)：智能傳感器一般通過(guò)信號(hào)感知模塊中的敏感元件將待測(cè)量最終轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。
2 信息處理技術(shù)：
智能傳感器的信號(hào)處理主要完成感知、認(rèn)知這2個(gè)方面的功能。
感知就是通過(guò)對(duì)來(lái)自于調(diào)理電路信號(hào)的分析, 獲得待測(cè)物理量或待測(cè)參數(shù)、性能的大小, 本文稱(chēng)之為粗信號(hào)處理。
認(rèn)知指智能傳感器通過(guò)信號(hào)處理, 獲取關(guān)于其自身狀態(tài)、測(cè)試狀態(tài)等方面的知識(shí), 本文稱(chēng)之為細(xì)信號(hào)處理。
細(xì)信號(hào)處理通常包括自診斷、自校正、自補(bǔ)償。
3 通信技術(shù)
實(shí)現(xiàn)智能傳感器目前主要有3種方式。一種方式是將信號(hào)感知與調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、通信模塊等通過(guò)導(dǎo)線等方式組合在一起即可, 這種實(shí)現(xiàn)方式適合于智能化如化工廠等用戶原有傳統(tǒng)傳感器的場(chǎng)合。
另一種方式乃利用微機(jī)械加工、微電子加工等技術(shù)將這些模塊集成在一片芯片上, 實(shí)現(xiàn)了智能傳感器的微型化。這是商品化智能傳感器的最佳選擇, 這種智能傳感器使用方便、性能穩(wěn)定、可靠。
還有一種方式乃將這些模塊集成在兩片或多片芯片上, 然后由這些芯片構(gòu)成智能傳感器, 這是目前商品化智能傳感器的一種較好選擇。
多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)：
多傳感器信息融合是指通過(guò)對(duì)多類(lèi)同構(gòu)或異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析和優(yōu)化綜合,從而獲得比單一傳感器更多的信息,形成比單信源更準(zhǔn)確、更可靠、更完全的融合信息及結(jié)論。它突破單一傳感器信息表達(dá)的局限性,避免單個(gè)傳感器的信息盲區(qū),提高了多源信息處理結(jié)果的質(zhì)量,有利于對(duì)事物形成正確的判斷和決策。傳感器信息融合技術(shù)從多源信息的角度進(jìn)行信息處理和綜合,得到各種信息的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律,從而剔除無(wú)用的和錯(cuò)誤的信息,保留正確的和有用的成分,實(shí)現(xiàn)信息的優(yōu)化,得到有利于決策的對(duì)被感知對(duì)象更加精確的描述。經(jīng)過(guò)融合后的傳感器信息具有信息冗余性、互補(bǔ)性、實(shí)時(shí)性和獲取的低成本性等特征
特點(diǎn)：
1）提高系統(tǒng)的容錯(cuò)功能和可靠性
2）降低信號(hào)的不確定性和單個(gè)傳感器測(cè)量精度的要求
3）拓展了時(shí)間覆蓋范圍，多個(gè)傳感器協(xié)同，就像并聯(lián)系統(tǒng)一樣，互相之間支持
4）擴(kuò)展了空間覆蓋范圍
5）改善了探測(cè)性能
6）提高了空間分辨率
