网络传感器硬件组成及其应用

智能化的网络传感器是通过在普通传感器内部嵌入微处理芯片，具有将模拟信号转换成数字信号、加工处理原始感知数据等功能，通过标准接口与外界进行数据交换的一种传感器。其主要优点是，具有逻辑思维与判断、信息处理功能，可对感知数据进行分析、修正和误差补偿；具有自诊断、自校准功能，提高了可靠性；具有组态功能，可实现多传感器、多参数复合测量，扩大了检测与使用范围；具有存储功能，可随时存取检测数据；具有数据通信功能，能与计算机直接连机，相互交换信息，实现对传感器的初始化、校正和配置等操作。它遵从某种网络通信协议，将测得数据发送到网络上，使其能够在一定范围内实时发布和共享。智能网络传感器结构原理如图5-5所示。

图5-5 智能网络传感器结构原理图

智能网络传感器使传感器从现场测量向远程实时在线测控发展。网络化使得传感器可以就近接入网络。智能网络传感器必须符合某种网络协议，使现场测控数据能直接进入网络。网络的选择可以是传感器总线、现场总线，也可以是企业内部的以太网，还可以是互联网。

根据应用需求和现场实际情况，可以采用有线智能网络传感器或无线智能网络传感器。目前，主要有基于现场总线和基于以太网协议的两大类智能网络传感器。无线智能网络传感器的数据传输可利用电磁波、红外线等传播介质。电磁波具有很强的抗干扰、抗噪声和抗衰减能力，使用的频段主要是工业科学医疗频段，如433MHz、915MHz和2.4GHz等，不会对人体造成伤害，而红外线适合开阔无障碍的应用环境。加之，很多新型电子元器件的快速微型化、价格迅速降低，使无线传感器网络得到很快的发展和推广，无线传感器网络成为常用的一项应用网络技术。

目前网络传感器的实现途径通常有：非集成化、集成化和混合实现3种方式。非集成化智能网络传感器是将经典传感器（敏感元件）、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器及网络接口组合为一整体而构成的一个智能网络传感器系统。信号调理电路是调理传感器输出的信号，是将传感器输出信号进行放大并转换为数字信号后送入微处理器，再由微处理器通过数字接口接入现场数字总线或以太网上。这种非集成化智能网络传感器是在现场总线控制系统发展形势的推动下迅速发展起来的。集成化智能网络传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料制作敏感元件、信号调理电路、微处理器单元、网络接口电路（网络接口可分离），并把它们集成在一块芯片上而构成的。这种集成化智能网络传感器系统具有如下特点：

1）微型化。例如，微型压力传感器可以装在飞机或发动机叶片表面，用以测量气体的流速和压力。美国最近研究成功的微型加速度计可以使火箭或飞船的制导系统质量从几千克下降至几克。(www.xing528.com)

2）一体化。采用微机械加工和集成电路工艺，使硅杯一次整体成形，而且电阻变换器与硅杯是完全一体化的，进而可在硅杯非受力区制作调理电路、微处理器单元、网络接口电路，甚至是微执行器及网络接口，从而实现不同程度的，乃至整个系统的一体化。

3）高准确度。传感器结构一体化将使迟滞、重复性指标大为改善，准确度得到有效提高。后续的信号调理电路与敏感元件一体化后，可大大减小由引线长度带来的寄生参量的影响，这对电容式传感器更有特别重要的意义。

4）多功能化。微/纳米级敏感元件结构的实现特别有利于在同一硅片上制作不同功能的多个智能网络传感器，如可同时集成感受压力、压差及温度参量的敏感元件，这样不仅增加了传感器的功能，而且可以通过数据融合技术消除交叉灵敏度的影响，提高传感器的稳定性与准确度。

5）阵列式。微/纳米技术已经可以在1cm²的硅芯片上制作成千上万个传感器。然而，要在一块芯片上实现智能传感器系统存在着许多困难和棘手的难题。例如，哪一种敏感元件比较容易采用标准的集成电路工艺来制作；选用何种信号调理电路，如精密电阻、电容、晶体振荡器等，不需要外接元器件；由于直接转换型A-D转换器电路太复杂，制作了压阻式压力传感器，这是最早实现一体化结构的智能传感器。

6）全数字化。数字量的使用将为智能网络传感器提供极为稳定的性能，准确度高、不需A-D转换器便能与微处理器方便地接口。对于节省芯片面积、简化集成工艺，均十分有利。对于集成化智能传感器系统而言，集成化程度越高，其智能化程度和网络使用效率也就越可能达到更高的水平。由于在一块芯片上实现智能网络传感器，并不总是必需的，所以更实际的途径是混合实现。根据需要与成本，将系统各个集成化环节，如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口、网络接口以不同的组合方式集成在2块或3块芯片上，并装在一个外壳里。