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本文将简要回顾传感器的发展历程，提出IP传感器的概念，介绍了IEEE 1451．2标准的制订及其主要技术特征，讨论新型的工业自动化结构，展望了在这种结构下IP传感器的应用前景。
引 言
传感器是工业应用的灵魂，其发展可划分为"dumb sensor"、"smart sensor"、"IP sensor"三个阶段，在结构和功能上已发生巨大变化。
传感器的准确度、稳定性和可靠性以及数据处理能力一直是用户最为关心的问题。因此，长期以来人们不断致力于重新认识和发现新的物理、化学、生物现象，开发新材料，发展微细加工技术，以求在传感器硬件方面有更大的进展。系统自动化程度的提高和复杂性的增加，使以微型计算机为基础的测控系统需要传感器提供数据以做出实时决策，因而给传感器的综合精度、稳定可靠性和响应提出了越来越高的要求。
随后人们将微处理器智能技术和微机械加工技术(MEMS)应用于传感器，不再是仅依赖硬件的改进，而是用存放于微处理器中的功能强大的软件，对系统进行非线形自动校正、自校零、自校准、自补偿、自检验、抑制噪声。
此外，人工智能、专家系统、模糊逻辑、神经网络等也加强了对传感技术的影响，增强了传感器的"智能化"功能，这就是智能传感器(smart sensor)或智能换能器(smart transducer)。因此计算机的出现和微处理器技术应用于传感器是"dumb sensor"和"smart sensor"的分水岭。
目前，国外已推出了支持IEEEl451．2的产品。Agilent Technology开发出嵌入式网络服务器--66502 Rapid Prototyping Board，用户通过与节点连接在同一Ethernet中的PC上的浏览器对节点进行IP设置，实现网络上任何节点对IP sensor的远程数据访问、信息实时发布与共享，以及对IP sensor的在线编程。
TMI(Telemonitor Inc．)提出"让传感器拥有思想"(make 8ensors make sense．)的口号，并生产出CogniSense EDI520智能传感器模块。Electronics Development Corp．接着展示了基于E0I 520的STIM Development Kit，如145．2-KASTIM Kit、Ethernet STIM Kit、1451.2-KB Ethernet STIM Kit等。Anolog Device Inc．也推出了IEEE 1451Smart Transducer Interface。
IP sensor相对于传统的传感器具有如下优点：
a．数据的处理是由分散于各地的单个传感器(分布式智能)进行的。
b．IP sensor输出的是有用的数据，这在某些时候可以减少节点的带宽，增加系统的节点数量。
c．IP sensor可随用户用途的不同而进行动态编程，传感器制造商只需生产少数几种传感器就可满足各种不同的需要。
d．能将传感器直接集成到系统中去，并用计算机辅助工具组建系统。
1、 IEEEl451．2标准
1．1 IEEEl451标准系列 1994-1995年间，IEEE Instrumentation and Measurement Society的Technical Committee 9与National Institute of Standards and Technology合作，指导达5个之多的系列换能器接口研究组制订了IEEE P1451标准(IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators)。这个标准系列涵盖了IP sensor的接口直至行为、属性的高级实体模型表示、数据通信等，表示了IP sensor的具备高级功能、面向对象的模型。
P1451.1的子标题是"Network Capable Application Processor(NCAP)Information Model．"。这个标准定义了IP sensor的实体模型，以及接口说明。
P1451．2的子标题是：了3ducert0Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet(TEDS)Formats"，定义了STIM、TEDS，以及访问数据的数字接口。
P1451．3定义了多换能器到单个STIM和NCAP的短程连接所用的高速多引线数字总线。
P1451．4定义了用常规模拟导线连接智能换能器所用的混合模式模拟接口。
1．2 IEEE l451．2标准及其主要技术特征
1．2．1 IP sensor模型 在IEEE1451．2标准中，IP sensor分为两个功能模块：第一个模块包括运行网络协议和应用软件的NCAP，第二个模块包括换能器和TEDS，称为STIM，其模型如图1所示。IEEEl451．2智能换能器接口的关键特征是换能器与网络的数字通信协议、换能器的自辨识。这意味着传感器把它自己向网络进行描述，从而简化了自动系统的组态。将1451融合于换能器硬件，只要进行简单的"即插即用"升级，就可简单地维护换能器和设备。NCAP、STIM及其相互关系：
a．NCAP主要执行网络通信、STIM通信、数据转换等功能。P1451．1标准定义了它的实体模型。NCAP是作为标准换能器总线与专用网络总线之间的接口，传感器制造商可以设计出带有标准接口的传感器。这一部分与微处理器集成到一起，在IPsensor中起"大脑"的作用。NCAP还支持热交换(hot-swap)功能。
b．STIM网络化的智能换能39节点。一个STIM能够支持单个或多个通道，它既可与传感器也可与执行器相联结，每一个STIM最多可与255个换能器通道相联结。从NCAP的角度来看，STIM像是一个内存设备。通常认为换能38是STIM的一部分，实际上，为了提供关键的自辨识特征，在正常使用时换能器是不能与STIM分开的。
c．TEDS STIM内部的一个写有特定电子格式的内存区，用以描述STIM自身以及与之相联结的换能器。换能器通道之所以是智能的，是因为它用TED3报述自己，并且TEDS是NCAP可以读出来的。TEDS内存区被分成8个域，每个域描述STIM的不同方面。TEDS是与换能器相联结的，一旦换能器改变了，TEDS就要改变。集成一个好的系统的一个关键因素是系统元素要有"自觉"(self-aware-ness)的功能，特别是它们能够知道它们是什么，以及它们在哪儿。这种能力使得技术人员在为远距离设备配线时省事不少，TEDS恰好提供了这种功能。它存储了诸如产品名称、辨识数字、设备类型、序列号、校验数据等信息，系统一旦上电或接受了请求，TEDS就上载到系统。
d．TII NCAP与STIM的物理连结是通过10针脚的换能器独立接口(TII，transducer independent interface)进行的，TII是基于SPI(serial peripheral interface)协议的串口通信接口。
e.通信当换能器是传感器时，IP sensor采集数据的动作顺序是：NCAP触发；STIM启动传感器读数据；读完数据，STIM向NCAP确认；NCAP读取STIM处理出来的信息。当换能器是执行器时，IP sensor执行动作的顺序是：NCAP向STIM写命令；NCAP触发STIM；STIM驱动执行器执行命令；执行完毕STIM向NCAP确认。
1．2.2主要技术特征 IEEE 1451．2的一些技术特征：
a． 数字接口连接NCAPs与STIMs的点对点、带同步时钟的短程接口，即前面所述TII，其硬线连接及针脚主要功能如表1所示。
NCAP与S丁IM之间的基本通信协议是NCAP通过DIN和DCLK信号线向STIM发送功能地址。写的时候，NCAP不停地向DCLK发送脉冲，并将数据故到DIN针脚。读的时候，NCAP不停地向DCLK发送脉冲，并在DOUT口寻找数据。在所有的通信中，NIOE作为片选信号告诉STIM数据传输功能已经激活，NACK被STIM用来确认数据位和触发信号。
b．单位表示1451．2采用1个l0位的二进制数对物理单位进行编码，每1个单位表示为7个国际基本单位和2个补充单位的积。因此按照IEEE1451．2标准制造和校准的换能器将能够即插即用到任何系统去，并且系统在显示大多数数据时不用进行任何的修改。
t．校验模式通道的校验曲线表示为多项式函数，为避免高阶，采用了分段校验。当NCAP拥有能理解此校验方案的修正引擎时，不管接人的是什么换能器，NCAP将可随意运行而仍能达到很高的精度。修正引擎是指应用特定的数学函数对从1个或多个S丁IM来的换能器数据或来自其它途径的数据合起来，应用数学公式或存储的多项式系数为这个通道校正出1个精确的数据。为了限制多项式次数，修正引擎应用分段的多项式函数。修正引擎功能强大，在为大范围内的换能器提供标准的方式描述校准常数和修正系数方面，具有很大的潜力。
IEEEl451．2标准的独特之处在于：解决了用传统的模拟接口(1-5V或4-20mA)不能实现多变量传感器的问题；全面提供了换能器的柔性(flexibility)和可升级性(scalability)等品质，使得换能器对任何网络和数字系统都是"自觉"的(self-awareness)；提供了换能器即插即用的功能；方便地实现了不同厂家换能器的互换。
2、 IP传感器的应用前景
2．1分布式测控 将IP传感器布置在测控现场，处于控制网络中的最低级，其采集到的信息传输到控制网络中的分布智能节点，并由它处理，然后传感器数据散发到网络中。网络中其它节点利用信息作出适当的决策，如操作执行器、执行算法。例如，一辆现代的小轿车需要大约20个传感器，这些必需的传感器用以测量温度、气体的流量和压力以及防止刹车抱死、检查打开的车门等等。如果用常规的数据获取系统，这些传感器将以星型连接到中央控制计算机，每个传感器有自己的线以传递特定的信号，这样传感器变得复杂和昂贵起来。此外一束束的线加起来也是很沉重的。如果在车上构建一个IP sensor网络，每一个传感器只是简单地与控制计算机串联起来，以上一切问题都迎刃而解。 2．2嵌入式网络(embed internet) 嵌入式系统(单片机或微控制器(MCU))已经在工业和社会的各个领域得到了广泛应用。目前大多数嵌入式系统还处在单独应用的阶段，以MCU为核心，与一些监测、伺服、指示设备配合实现一定的功能，但一般是孤立于
Internet以外的。Internet现已成为社会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠道。如果能够将嵌入式系统连接到Internet上面，则可以方便、低廉地将信息传送到世界上的任何一个地方。因此只要与传感器密不可分的嵌入式设备的远方显示和控制能上网，以上问题就迎刃而解了。嵌入式网络有如下好处：不需要专用的通信线路；速度极快；过去传输的仅仅是数据信号，现在也可以传输音响图像；协议是公开的，适用于任何一种Web浏览器；信息反映的形式是多样化的、自动更新。可以预料的本身是嵌入式网络产品的IP sensor反过来将会促进嵌入式网络的迅猛发展。
2．3故障诊断和监测及设备的智能维护 基于Internet的设备状态监测、故障诊断和设备的自维护技术，将设备诊断技术与信息技术嫁接起来，在重要设备上建立状态监测点，使设备状态数据上网，通过网络对设备进行全天候的监测。在设备出现异常时．，可调动一切可用的网络工具(E-Mail、BBS、ICQ等)聚集一大批工程技术人员会诊，对设备故障作出快速响应。 一个值得关注的方向是设备的智能维护技术IMT(intelligent maintenance technology)。智能维护技术将给预防产品失效的智能性能降级评估方法学带来革命性的进步。其另一个目的就是要开发出高级的自维护电子设备和服务技术，使得制造商和客户拥有几近零崩溃状态(near-zero-breakdown condition)的产品。智能维护技术的目标产品将包括智能预测软件、数字预警芯片等，他们可用于现场监控、远程诊断、智能服务工具、维护信息和供给决策系统以及自维护产品的设计方法学。智能维护技术最大的特征就是将被动的检修变为积极的维护，如智能汽车可以告诉司机什么时候需要加油或预防性的维护，而不是早规划好的定期维护；智能的工具总是正确地执行任务并记录下它做过什么。 智能维护技术包括五大关键技术：基于Inter-net的远程监测、智能预警、协作式网络诊断、自维护产品的设计方法学、电子维护物流的自动化和优化。智能维护技术通过Business to Device(B2D)、Business to Customer(B2C)、Business to Business(B2B)逐步达到Service Business Automation(B2A)。
3、 结束语
IEEEl451．2标准的制订使得IP sensor在smart sensor的基础上有了结构和功能上的飞跃。IP sensor对工业测控、航空航天、汽车制造、智能建筑、远程医疗、环境和水文监测及农业科技应用等领域将带来革命性的影响，它使测控系统本身发生了质的飞跃--在现场即可方便搭建基于Internet／Intranet的测控系统。通过将现场传感器直接与网络通信线缆连接，使得现场传感器与普通计算机一样成为网络中的独立节点。信息可以跨越网络传输所能及的任何领域，进行实时动态的在线测控。在此基础上，嵌入式网络、智能维护等技术也将迅速发展，对工业和社会的进步影响深远。
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