IEEE1415網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展及應(yīng)用討論
| ;為了進(jìn)行自我識(shí)別、自我描述和設(shè)置，有必要制訂一個(gè)允許模擬量變送器以數(shù)字方式通信這樣的標(biāo)準(zhǔn)。由于缺乏一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一些變送器的廠家各自介紹了一些不同的實(shí)現(xiàn)方案，但都存在著接受的限制，不為公眾所認(rèn)可。一個(gè)獨(dú)立的開放定義的標(biāo)準(zhǔn)將使?jié)撛诘挠脩簟?a >變送器和系統(tǒng)生產(chǎn)廠家和系統(tǒng)集成商減少?zèng)_突與矛盾，使具有IEEE 1451.4接口和協(xié)議的產(chǎn)品之間互相兼容。這必將加速這項(xiàng)技術(shù)的誕生和被大家所接受。 IEEE P1451.4的TEDS是IEEE 1451.2標(biāo)準(zhǔn)定義的TEDS的一個(gè)子集，其目的是盡量減小TEDS存貯器的大小。IEEE P1451.4的TEDS設(shè)計(jì)的主要要素有：幫助用戶的相關(guān)信息、即插即用功能、支持所有的變送器類型、開放性以滿足個(gè)別需求和與IEEE 1451.2兼容。IEEE P1451.4的TEDS將包括以下內(nèi)容： （1） 識(shí)別參數(shù)，如生產(chǎn)廠家、模塊代碼、序列號(hào)、版本號(hào)和數(shù)據(jù)代碼； （2） 設(shè)備參數(shù)，如傳感器類型、靈敏度、傳輸帶寬、單位和精度； （3） 標(biāo)定參數(shù)，如最后的標(biāo)定日期、校正引擎系數(shù)； （4） 應(yīng)用參數(shù)，如通道識(shí)別，通道分組，傳感器位置和方向。 IEEE P1451.4的NCAP 通過(guò)努力，IEEE P1451.4工作組將建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，允許模擬量輸出的混合模式變送器與高級(jí)的IEEE 1451對(duì)象進(jìn)行數(shù)字通信。其中一個(gè)可能的實(shí)現(xiàn)如圖7所示。 三、IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用探討 自IEEE和NIST組織制定網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1451以來(lái)，美國(guó)一些大公司積極參與IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)的制定，并在多次國(guó)際傳感器博覽會(huì)上進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的演示和實(shí)驗(yàn)，具體內(nèi)容詳見參考文獻(xiàn)［10］，并有部分公司推出了網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器系統(tǒng)開發(fā)工具。幾年過(guò)去了，基于IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品問(wèn)世不多。惠普公司在2000年初曾推出了支持IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)的BFOOT11501、66501和66502系列NCAP芯片，但到2000年底就宣布不再生產(chǎn)了，也就是說(shuō)，目前的市場(chǎng)還沒(méi)有完全接受并推廣使用這個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外是如此，而國(guó)內(nèi)有一些關(guān)于IEEE 1451傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)的綜述文章見于期刊，但關(guān)于基于IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的應(yīng)用研究成果還未見報(bào)道，也沒(méi)有大公司宣布支持IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)要真正得到市場(chǎng)的認(rèn)可是需要一定時(shí)間的。但出現(xiàn)目前這種狀況，我們認(rèn)為除了標(biāo)準(zhǔn)本身的問(wèn)題外，也有一些其它的因素。作者一直跟蹤學(xué)習(xí)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，本文在這里提出對(duì)IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用化的幾點(diǎn)考慮，供大家參考。 1、現(xiàn)場(chǎng)總線廠商和傳感器制造商的支持不可或缺 自八十年代提出現(xiàn)場(chǎng)總線的概念以來(lái)，由于最初沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外一些企業(yè)，特別是美國(guó)、日本的一些大公司相互聯(lián)合在一起，紛紛制定出各自的總線標(biāo)準(zhǔn)，并推出了自己的產(chǎn)品。目前在市場(chǎng)上較為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線主要有CAN（控制局域網(wǎng)絡(luò)）、LONWORKS（局部操作網(wǎng)絡(luò)）、PROFIBUS（過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線）、HART（可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通訊）、FF（基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線）等。由于這些企業(yè)本身在相應(yīng)行業(yè)領(lǐng)域的壟斷地位，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中都取得了很大的成功，從而導(dǎo)致目前市場(chǎng)上多種現(xiàn)場(chǎng)總線并存的現(xiàn)象。由于這些企業(yè)本身的優(yōu)勢(shì)不同，使用對(duì)象的差異，使得不同總線在各自領(lǐng)域中都有自身的優(yōu)勢(shì)。從商業(yè)上看, 各大現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)廠商都不愿放棄已有的產(chǎn)品和市場(chǎng), 短期內(nèi)不愿尋求統(tǒng)一。作為針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線之間這種不可互操作現(xiàn)實(shí)而制定的IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)，在各大現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)廠商仍各自為政，不愿推廣使用這種標(biāo)準(zhǔn)的情況下，自然難有作為。 2、澄清對(duì)IEEE 1451.X之間關(guān)系的認(rèn)識(shí) IEEE 1451.2和IEEE 1451.1標(biāo)準(zhǔn)頒布以來(lái)，很多人都非常的困惑，把網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器系統(tǒng)分成兩個(gè)模塊，即STIM和NCAP。而這兩個(gè)模塊都需要有微處理器，這就意味著要有兩套系統(tǒng)來(lái)分別作為STIM和NCAP的開發(fā)工具，無(wú)疑，這增加了標(biāo)準(zhǔn)推廣使用的難度。英國(guó)某大學(xué)曾把AD公司的AduC812作為一個(gè)STIM，把惠普公司的BFOOT66501作為NCAP，研制了一套網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器系統(tǒng)，用于對(duì)氣象的檢測(cè)，通過(guò)嵌入式WEB服務(wù)器的方式遠(yuǎn)程監(jiān)控氣象的變化，取得了成功。但隨著BFOOT系列支持1451標(biāo)準(zhǔn)的芯片的停產(chǎn)，到目前為止，還沒(méi)有支持或兼容1451標(biāo)準(zhǔn)的NCAP芯片再出現(xiàn)，這其中關(guān)鍵的一點(diǎn)就是IEEE 1451.2定義的10根線的TII標(biāo)準(zhǔn)接口。也正是因?yàn)橛辛诉@個(gè)統(tǒng)一的硬件接口，傳感器模塊STIM才能即插即用。 還有一種認(rèn)識(shí)就是IEEE 1451.X標(biāo)準(zhǔn)必須放在一起使用，這也增加了標(biāo)準(zhǔn)使用或?qū)嵱没碾y度。 在去年的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器工作組會(huì)議上，制定1451標(biāo)準(zhǔn)的專家專門針對(duì)這個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)問(wèn)題作了新的闡述，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的部分內(nèi)容進(jìn)行了更新。其中的關(guān)鍵點(diǎn)是：如何使用IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)以及IEEE 1451.X之間的關(guān)系。 IEEE 1451.X標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)可以使它們工作在一起，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器系統(tǒng)，但也可以各個(gè)IEEE 1451.X單獨(dú)應(yīng)用；IEEE 1451.1標(biāo)準(zhǔn)可以獨(dú)立于其它1451.X（1451.2、P1451.3和P1451.4）硬件接口標(biāo)準(zhǔn)而單獨(dú)使用；而1451.X也可不需1451.1而單獨(dú)使用，但是，必須要有一個(gè)相似1451.1所具有的軟件結(jié)構(gòu)，它能夠提供物理參數(shù)數(shù)據(jù)、應(yīng)用功能函數(shù)和通信功能來(lái)把1451.X設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)1451.1的功能。 3、基于1451.1標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器系統(tǒng) IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)定義了傳感器或執(zhí)行器的軟硬件接口標(biāo)準(zhǔn)，為傳感器或執(zhí)行器提供了標(biāo)準(zhǔn)化的通訊接口和軟硬件的定義，使不同的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)之間可以通過(guò)應(yīng)用IEEE 1451定義的接口標(biāo)準(zhǔn)互連，可以互操作，解決了不同網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問(wèn)題，使傳感器的廠家、系統(tǒng)集成商和最終用戶有能力以低成本去支持多種網(wǎng)絡(luò)和變送器家族，并且通過(guò)簡(jiǎn)化連線，降低了系統(tǒng)總的消耗。但如何使IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)盡可能實(shí)用化，國(guó)內(nèi)目前仍處于一種比較混亂的狀態(tài)，沒(méi)有一個(gè)比較清楚的認(rèn)識(shí)?；趯?duì)IEEE 1451.X之間的關(guān)系新的認(rèn)識(shí)，作者認(rèn)為可以有多種不同的實(shí)現(xiàn)方案。我們研制了一種面向INTERNET的基于IEEE 1451.1的網(wǎng)絡(luò)化智能機(jī)器人手爪傳感器系統(tǒng)。 針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的特點(diǎn)，我們選用了嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊NetBox作為NCAP的研制平臺(tái)。它的微處理器是Intel的高性能、32-bit、嵌入式微處理器386EX。NetBox模塊上設(shè)置了有多種通訊接口，包括直接可連接的以太網(wǎng)10BASE-T接口、標(biāo)準(zhǔn)的RS232C接口，可擴(kuò)展的RS422/RS485接口以及完善靈活的精簡(jiǎn)總線接口，可與大多數(shù)的AD、DA、DIO、定時(shí)器、雙口RAM等器件直接相連，而不需要任何接口邏輯電路等。我們研制了數(shù)據(jù)采集電路，把機(jī)器人手爪的多傳感器數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)采集到到系統(tǒng)中，利用CGI（通用網(wǎng)關(guān)接口）原理，把NETBOX作為NCAP（網(wǎng)絡(luò)適配器），并以嵌入式WEB服務(wù)器的方式連接到INTERNET，使人們遠(yuǎn)程即可通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)這個(gè)系統(tǒng)。系統(tǒng)中運(yùn)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)機(jī)器人手爪的多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合，獲取機(jī)器人手爪當(dāng)前的工作狀態(tài)，為整個(gè)機(jī)器人的控制、安全操作和行走提供決策的依據(jù)。圖8是系統(tǒng)總體框圖，它由傳感器、數(shù)據(jù)采集電路和NETBOX網(wǎng)絡(luò)模塊組成。 在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們采用了IEEE 1451.1標(biāo)準(zhǔn)中的一些先進(jìn)技術(shù)，系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)： （1）電子數(shù)據(jù)表格TEDS技術(shù)，它可以充分描述傳感器的類型、行為、性能屬性和相關(guān)的參數(shù)，比如，傳感器生產(chǎn)商的名稱、傳感器的類型和序列號(hào)等等，從而使傳感器具有了自我描述能力和自我識(shí)別能力； （2）校正引擎技術(shù)，使傳感器內(nèi)部具有自動(dòng)修正誤差和自我補(bǔ)償能力； （3）支持TCP/IP協(xié)議，使系統(tǒng)只要在任何一個(gè)具有一定IP地址的INTERNET終端節(jié)點(diǎn)上，做到即插即用。 四、前景展望 IEEE 1451傳感器代表了下一代傳感器技術(shù)的發(fā)展方向。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1451的提出將有助于解決由于目前市場(chǎng)上多種現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)并存的現(xiàn)象。相信，隨著IEEE P1451.3、IEEE P1451.4標(biāo)準(zhǔn)的陸續(xù)制定、頒布和執(zhí)行，基于IEEE 1451的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器技術(shù)已經(jīng)不再停留在論證階段或?qū)嶒?yàn)室階段，越來(lái)越多成本低廉具備網(wǎng)絡(luò)化功能的智能傳感器/執(zhí)行器涌向市場(chǎng)，正在并且將要更廣泛地影響著人類生活。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器將對(duì)工業(yè)測(cè)控、智能建筑、遠(yuǎn)程醫(yī)療、環(huán)境及水文監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)信息化、航空航天及國(guó)防軍事等領(lǐng)域帶來(lái)革命性影響，其廣闊的應(yīng)用前景和巨大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益不久將展現(xiàn)于世。 |
