IEEE1415网络化智能传感器标准的发展及应用讨论
| ;为了进行自我识别、自我描述和设置，有必要制订一个允许模拟量变送器以数字方式通信这样的标准。由于缺乏一个统一标准，一些变送器的厂家各自介绍了一些不同的实现方案，但都存在着接受的限制，不为公众所认可。一个独立的开放定义的标准将使潜在的用户、变送器和系统生产厂家和系统集成商减少冲突与矛盾，使具有IEEE 1451.4接口和协议的产品之间互相兼容。这必将加速这项技术的诞生和被大家所接受。 IEEE P1451.4的TEDS是IEEE 1451.2标准定义的TEDS的一个子集，其目的是尽量减小TEDS存贮器的大小。IEEE P1451.4的TEDS设计的主要要素有：帮助用户的相关信息、即插即用功能、支持所有的变送器类型、开放性以满足个别需求和与IEEE 1451.2兼容。IEEE P1451.4的TEDS将包括以下内容： （1） 识别参数，如生产厂家、模块代码、序列号、版本号和数据代码； （2） 设备参数，如传感器类型、灵敏度、传输带宽、单位和精度； （3） 标定参数，如最后的标定日期、校正引擎系数； （4） 应用参数，如通道识别，通道分组，传感器位置和方向。 IEEE P1451.4的NCAP 通过努力，IEEE P1451.4工作组将建立一个标准，允许模拟量输出的混合模式变送器与高级的IEEE 1451对象进行数字通信。其中一个可能的实现如图7所示。 三、IEEE 1451标准应用探讨 自IEEE和NIST组织制定网络化智能传感器接口标准IEEE 1451以来，美国一些大公司积极参与IEEE 1451标准的制定，并在多次国际传感器博览会上进行了网络化智能传感器的演示和实验，具体内容详见参考文献［10］，并有部分公司推出了网络化智能传感器系统开发工具。几年过去了，基于IEEE 1451标准的产品问世不多。惠普公司在2000年初曾推出了支持IEEE 1451标准的BFOOT11501、66501和66502系列NCAP芯片，但到2000年底就宣布不再生产了，也就是说，目前的市场还没有完全接受并推广使用这个新的网络化智能传感器标准。国外是如此，而国内有一些关于IEEE 1451传感器接口标准的综述文章见于期刊，但关于基于IEEE 1451标准的网络化智能传感器的应用研究成果还未见报道，也没有大公司宣布支持IEEE 1451标准。当然，一个新的标准要真正得到市场的认可是需要一定时间的。但出现目前这种状况，我们认为除了标准本身的问题外，也有一些其它的因素。作者一直跟踪学习这个标准，本文在这里提出对IEEE 1451标准实用化的几点考虑，供大家参考。 1、现场总线厂商和传感器制造商的支持不可或缺 自八十年代提出现场总线的概念以来，由于最初没有统一的国际标准，国外一些企业，特别是美国、日本的一些大公司相互联合在一起，纷纷制定出各自的总线标准，并推出了自己的产品。目前在市场上较为流行的现场总线主要有CAN（控制局域网络）、LONWORKS（局部操作网络）、PROFIBUS（过程现场总线）、HART（可寻址远程传感器数据通讯）、FF（基金会现场总线）等。由于这些企业本身在相应行业领域的垄断地位，在不同的应用领域中都取得了很大的成功，从而导致目前市场上多种现场总线并存的现象。由于这些企业本身的优势不同，使用对象的差异，使得不同总线在各自领域中都有自身的优势。从商业上看, 各大现场总线技术厂商都不愿放弃已有的产品和市场, 短期内不愿寻求统一。作为针对现场总线之间这种不可互操作现实而制定的IEEE 1451标准，在各大现场总线技术厂商仍各自为政，不愿推广使用这种标准的情况下，自然难有作为。 2、澄清对IEEE 1451.X之间关系的认识 IEEE 1451.2和IEEE 1451.1标准颁布以来，很多人都非常的困惑，把网络化智能传感器系统分成两个模块，即STIM和NCAP。而这两个模块都需要有微处理器，这就意味着要有两套系统来分别作为STIM和NCAP的开发工具，无疑，这增加了标准推广使用的难度。英国某大学曾把AD公司的AduC812作为一个STIM，把惠普公司的BFOOT66501作为NCAP，研制了一套网络化智能传感器系统，用于对气象的检测，通过嵌入式WEB服务器的方式远程监控气象的变化，取得了成功。但随着BFOOT系列支持1451标准的芯片的停产，到目前为止，还没有支持或兼容1451标准的NCAP芯片再出现，这其中关键的一点就是IEEE 1451.2定义的10根线的TII标准接口。也正是因为有了这个统一的硬件接口，传感器模块STIM才能即插即用。 还有一种认识就是IEEE 1451.X标准必须放在一起使用，这也增加了标准使用或实用化的难度。 在去年的无线网络化智能传感器工作组会议上，制定1451标准的专家专门针对这个对标准的认识问题作了新的阐述，对标准的部分内容进行了更新。其中的关键点是：如何使用IEEE 1451标准以及IEEE 1451.X之间的关系。 IEEE 1451.X标准的开发可以使它们工作在一起，构成网络化智能传感器系统，但也可以各个IEEE 1451.X单独应用；IEEE 1451.1标准可以独立于其它1451.X（1451.2、P1451.3和P1451.4）硬件接口标准而单独使用；而1451.X也可不需1451.1而单独使用，但是，必须要有一个相似1451.1所具有的软件结构，它能够提供物理参数数据、应用功能函数和通信功能来把1451.X设备与网络连接，实现1451.1的功能。 3、基于1451.1标准网络化智能传感器系统 IEEE 1451标准定义了传感器或执行器的软硬件接口标准，为传感器或执行器提供了标准化的通讯接口和软硬件的定义，使不同的现场网络之间可以通过应用IEEE 1451定义的接口标准互连，可以互操作，解决了不同网络之间的兼容性问题，使传感器的厂家、系统集成商和最终用户有能力以低成本去支持多种网络和变送器家族，并且通过简化连线，降低了系统总的消耗。但如何使IEEE 1451标准尽可能实用化，国内目前仍处于一种比较混乱的状态，没有一个比较清楚的认识。基于对IEEE 1451.X之间的关系新的认识，作者认为可以有多种不同的实现方案。我们研制了一种面向INTERNET的基于IEEE 1451.1的网络化智能机器人手爪传感器系统。 针对网络化智能传感器的特点，我们选用了嵌入式网络模块NetBox作为NCAP的研制平台。它的微处理器是Intel的高性能、32-bit、嵌入式微处理器386EX。NetBox模块上设置了有多种通讯接口，包括直接可连接的以太网10BASE-T接口、标准的RS232C接口，可扩展的RS422/RS485接口以及完善灵活的精简总线接口，可与大多数的AD、DA、DIO、定时器、双口RAM等器件直接相连，而不需要任何接口逻辑电路等。我们研制了数据采集电路，把机器人手爪的多传感器数字信号和模拟信号采集到到系统中，利用CGI（通用网关接口）原理，把NETBOX作为NCAP（网络适配器），并以嵌入式WEB服务器的方式连接到INTERNET，使人们远程即可通过浏览器访问这个系统。系统中运用神经元网络的方法对机器人手爪的多个传感器数据进行了融合，获取机器人手爪当前的工作状态，为整个机器人的控制、安全操作和行走提供决策的依据。图8是系统总体框图，它由传感器、数据采集电路和NETBOX网络模块组成。 在系统的设计中，我们采用了IEEE 1451.1标准中的一些先进技术，系统具有如下特点： （1）电子数据表格TEDS技术，它可以充分描述传感器的类型、行为、性能属性和相关的参数，比如，传感器生产商的名称、传感器的类型和序列号等等，从而使传感器具有了自我描述能力和自我识别能力； （2）校正引擎技术，使传感器内部具有自动修正误差和自我补偿能力； （3）支持TCP/IP协议，使系统只要在任何一个具有一定IP地址的INTERNET终端节点上，做到即插即用。 四、前景展望 IEEE 1451传感器代表了下一代传感器技术的发展方向。网络化智能传感器接口标准IEEE 1451的提出将有助于解决由于目前市场上多种现场网络并存的现象。相信，随着IEEE P1451.3、IEEE P1451.4标准的陆续制定、颁布和执行，基于IEEE 1451的网络化智能传感器技术已经不再停留在论证阶段或实验室阶段，越来越多成本低廉具备网络化功能的智能传感器/执行器涌向市场，正在并且将要更广泛地影响着人类生活。网络化智能传感器将对工业测控、智能建筑、远程医疗、环境及水文监测、农业信息化、航空航天及国防军事等领域带来革命性影响，其广阔的应用前景和巨大的社会效益、经济效益和环境效益不久将展现于世。 |
