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嵌入式Web传感器的研究与应用
摘要：本文在分析了传统传感器和智能传感器的不足之处的基础上，结合IEEE1451标准，着重介绍了嵌入式Web传感器的结构与功能，并阐述了其发展前景和存在的问题。
Abstract: On the basis of analyzing the shortcomings of the Dumb Sensor and the Smart Sensor, the author introduced the Embedded Web Sensor by the link of the IEEE1451.关键字：网络传感器 嵌入式Web传感器 IEEE1451 Key Words：Networked Sensor
Embedded Web Sensor IEEE1451
一、嵌入式Web传感器的必然性
1.1 网络传感器的必然性
传感器是人类探知自然界信息的触角,它可将人们需要探知的各种非电量信息转化成可测的电量信息,是信息系统的第一道门槛,为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。作为现代信息技术三大核心技术之一的传感器技术,从诞生到现在,已经经历了传统的传感器(Dumb Sensor)、“智能传感器”(Smart Sensor)[1]、“网络化传感器”(Networked Sensor)的发展历程。
传统的传感器基本上分为电阻式和电容式，它的设计指导思想是把外部信息变换成模拟电压或电流信号, 然后通过变送器以电压或电流[2]石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
方式连接到采集器。它输出幅值小,灵敏度低,而且功能单一,因而被人们称为“聋哑传感器”。
人们将微处理器技术、智能技术和微机械加工技术（MEMS）应用于传感器，传感器性能的改变不再仅仅依赖硬件的改进，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性自动校正、自校零、自校准、自补偿、自检验、抑制噪声等处理，增强了传感器的“智能化”功能，这就是智能传感器。智能传感器仍然存在缺陷。例如，在数据通信方面，传感器与控制设备之间仍然采用传统的模拟电压和电流信号进行通信，没有根本解决布线复杂和抗干扰性差的问题。
网络传感器的出现成了历史的必然。网络传感器的输出信号是符合某种网络协议的数字信号，这就从根本上解决了传统传感器和智能传感器的缺陷，使得网络传感器的精度更高、传输距离更远、抗干扰性更强。[3]1.2嵌入式Web传感器的必然性
根据网络传感器所遵从的协议不同，可以将其分为基于现场总线的网络传感器和基于Internet的网络传感器。基于现场总线网络传感器的测控系统的基本结构如图1所示。
图1 典型的分布式测量和控制系统石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
目前市场上现场总线多种多样，较为流行的现场总线有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信）、FF（基金现场总线）等。各种现场总线的内部结构、通信接口、通信协议各不相同，使得基于现场总线的传感器/执行器（Sensor/Actuator）接口协议标准各异，这就要求智能传感器必须符合所在现场总线的有关规定，从而给系统的扩展、维护等带来不利的影响。
对于传感器生产商而言，要开发出为所有控制网络支持的传感器，是不现实的，所以现有的智能传感器只能用在特定的现场总线中；对于用户来说，如果所需要的智能传感器不支持现有的现场总线，是更换现有的现场总线(显然这样代价太大)，还是忍痛割爱，选择现有现场总线支持但不太符合需要的智能传感器？哪种选择都不理想。
如果所使用的传感器是基于TCP/IP协议的，那么它将直接与企业内部网（Intranet）或因特网(Internet)相连，从而使数据采集、信息传输等都能直接在Intranet/Internet上进行，既统一了标准，又使工业测控数据能直接在Intranet/Internet上动态发布和共享，供相关技术人员、管理人员参考，这样就把测控网（Infranet）和信息网（Intranet）有机地结合了起来，使得工厂或企业拥有一个一体的网络平台，无论从成本、管理、维护等方面考虑，都是一个最佳的选择。
于是就有了本文要论述的嵌入式Web传感器，下面将对之进行详细的介绍。
二、嵌入式Web传感器简介
2.1嵌入式Web传感器的定义与特点
嵌入式Web传感器的实质是在传统传感器的基础上实现信息化、网 3 石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
络化、智能化和微型化，其核心是使传感器本身实现TCP/IP网络通信协议，将传感器作为网络节点直接与计算机网络通信，可以利用Internet上的任意一台PC通过浏览器与该传感器通信。确切地说，嵌入式Web传感器已不再是简单意义上的“传感器”，它已经涵盖了以前是属于仪器和微型计算机所具有的功能。
嵌入式Web传感器具有如下特点：第一，具有高可靠性、低功耗、低成本和微体积等特点；第二，可根据输入信号进行判断和制定决策，具有自检测、自校准和自保护功能；第三，不同的应用系统无须采用不同的传感器，可在单一传感器的基础上通过软件设计来改变传感器的功能，以满足客户的不同需求；第四，采用当今最为流行的TCP/IP网络通信协议为载体，利用Internet传输传感器数据，与外部进行信息交换；第五，嵌入式Web传感器组成的控制网络与计算机网络直接通信，技术人员利用浏览器通过网络管理嵌入式Web传感器的工作状态，实施远程测控；第六，采用即插即用技术，具有良好的开放性、可升级性和可维护性，方便测控系统的集成；第七，实现了传统的数据采集与发送向网络化的信息管理与集成的转移。
2.2 嵌入式Web传感器的系统结构
嵌入式Web传感器主要由三部分组成：敏感单元、智能处理单元和TCP/IP通信协议接口[3]。从原理结构上来说，基于Internet的嵌入式Web传感器可以用图2来表示。
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图2 基于Internet的嵌入式WEB传感器的体系结构
从框图中我们可以看到，传统的传感器在嵌入式Web传感器中只占其中的一部分，其核心部分是完成信号处理、数据交换和控制的嵌入式智能单元以及完成数据传输的TCP/IP网络接口，通过微处理器和嵌入式操作系统的使用，使传感器本身实现数据采集、处理的智能化和数据传输的TCP/IP网络化。
2.3 嵌入式Web传感器的技术基础[3]
微处理器技术的发展促进了传感器的智能化，微机械加工技术的发展为传感器的微型化提供了可能，基于TCP/IP协议的Internet技术的发展为传感器的网络化提供了必要的技术手段，这三大技术的日渐融合促进了基于Internet的嵌入式Web传感器的产生。
具体地讲，嵌入式Web传感器的实现需要硬件技术和软件技术的紧密配合。其中硬件技术有：
a)嵌入式网络硬件技术：微处理器、数据采集和信号处理、TCP/IP等嵌入式网络硬件的飞速发展是嵌入式Web传感器发展的重要保证。目
[3]石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
前，美国Connect One公司、Philips公司、EmWare公司、TASKING公司和国内的P&S公司等均提供基于Internet的Device-Networking的软件、固件(Firmware)和硬件产品。此外，在数据采集、DSP、TCP/IP、STIM、NCAP方面都不断有新型的专用接口模块产生，例如完成数据采集的有ADµ、c812、CS5511、TLC548；完成DSP的有TMS320C2000TMDSP；完成STIM和NCAP的有EDI1520、PLCC-44，而Analog Devices 公司生产的芯片ADCu812就可用来执行IEEE1451.2的STIM端的工作；完成TCP/IP协议转换的有研华公司的ADAM4572、ADAM4570；目前已有TCP/IP芯片（如美国Seiko Instruments公司生产的ichip S7600A芯片可直接用作网络接口[4]）等等。随着这些专用模块和MCU的不断发展，完全可以保证在片上系统实现具有Internet功能的Web传感器。b)大规模集成电路技术：利用大规模集成电路技术将敏感元件、信号处理器和微处理器集成在一块硅片上，形成一个“单片智能传感器”，是一个对外界信息具有检测、数据、处理、判断、识别、自诊断和自适应能力的多功能传感器，还能实现与主机远距离、高速度、高精度的传输。这类传感器具有小型化、性能可靠、能批量生产、价格低廉的优点。
嵌入式Web传感器用到的软件技术有：
a)嵌入式Web服务器：嵌入式Web传感器只需要完成基本参数和采集数据的传递，所以对Web功能要求比较简单，只需要几个简单的控制命令和完成基本的数据传输。根据这个特点，可以综合采用Internet技术、操作系统剪裁技术，在ROM DOS上实现了一个最小化剪裁的嵌入式Web服务器，只保留了最基本的控制命令，其它与传感器数据传送要求无关的命令都剪裁掉。它接收浏览器的访问，实现浏览器命令到设备管理命令、数据的解析。浏览器访问命令有GET、POST、READ等，一般只要支持文件获取命令GET就可以了。
最小化裁剪的Web服务器程序可以设计为一个标准的子程序，嵌入在应用程序中，故称之为嵌入式Web服务器。另外，也可根据需要在Web服务器模块中提供CGI、JAVA脚本、嵌入式数据库等技术，也可加入GET、石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
POST、READ等Web协议以外的自定义命令和数据通讯格式，这时需要在Web服务器功能、复杂度、可靠性和尺寸大小等方面进行权衡和选择。b)Web远程信号采集：利用内嵌在网页中的程序、ActiveX控件等服务程序，可以很方便地通过Internet实现传感器信号的远程数据采集，用户可以通过浏览器设定采样参数、启动采样过程和获取采样数据。
有一点要指出的是，由于传感器的软、硬件资源毕竟有限，要使它象PC微机那样成为一个全功能的Internet节点，显然是不可能的，也是没有必要的[4]。
2.4 嵌入式Web传感器的前景展望
目前，包括Siemens/Infineon、Philips与Motorola在内的数十家大公司联合成立了“嵌入式Internet联盟（ETI）”，共同推动着嵌入式Internet技术和市场的发展[4]。具有Internet/Intranet功能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Internet/Intranet网络化功能的智能传感器/执行器涌向市场，正在并且将要更多更广地影响着人类生活。
可以预见，在网络化测控、嵌入式网络和e-维护技术三个领域中，嵌入式Web传感器都将起到重要作用[3]。在国防、通信、航空、航天、气象、制造等领域，对大范围的网络化测控将提出更迫切的需求，嵌入式Web传感器必将很快发展并成熟起来，从而有力地带动和促进现代测量技术即网络测量技术的进步。在此基础上，嵌入式网络、e-维护等技术也会蓬勃发展起来，对工业和社会的进步产生深远影响。
而同时，嵌入式Web传感器使得“数字地球”成为可能。届时，无数因特网的节点（具有Internet/Intranet功能的网络化智能传感器）将发挥着神经细胞的功能，它将使地球披上一层“电子皮肤”，地球用因特网在支持和传递着它的“感觉”，无处不在的网络化智能传感器（包括气象参数传感器、水土分析传感器、污染检测器、电子眼、电子
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鼻、葡萄粮传感器和脑电图仪等等）探测和监视着我们的城市、大气、船只、车流和我们人类自己。
三、IEEE1451系列标准简介
3.1 IEEE1451系列标准发展历程
鉴于现场总线的混乱，为了实现智能传感器接口总线的统一，IEEE-TC9在1993年9月决定制定一种智能传感器通信接口。
1994年3月，NIST(the National Institute of Standard and Technology)和IEEE(the Institute of Electrical & Electronic Engineer)共同组织了一次关于制定智能传感器接口的研讨会，会上讨论了开发这样一种简化控制网络和智能传感器连接标准接口的可能性。从那以后，连续召开四次研讨会，直到1995年4月,成立了两个专门的技术委员会：P1451.1工作组和P1451.2工作组。
P1451.1工作组主要负责智能变送器的公共目标模型进行定义和对相应模型的接口进行定义；P1451.2工作组主要定义TEDS 和数字接口标准，包括STIM和NACP之间的通讯接口协议和管脚定义分配[5]。在1997年和1999年IEEE先后颁布了IEEE 1451.2标准和IEEE 1451.1标准。1998底，技术委员会针对大量的模拟量传输方式的测量控制网络及小空间数据交换问题，鉴于许多混合型智能传感器（即能非同时地以模拟和数字的方式进行通信）由于没有统一的标准，成立了另外两个工作组P1451.3和P1451.4。其中P1451.3负责制定模拟量传输网络与智能网络化传感器的接口标准；P1451.4负责制定小空间范围内智能网络化传感器相互之间的互联标准。
IEEE1451.4就是一个混合型的智能传感器接口的标准，它通过提供一个与传统传感器兼容的通用IEEE1451.4传感器通信接口使得传感器具有即插即用功能，在传统仪器与智能混合型（smart mixed-mode）传感器之间提供了一个桥梁。石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
IEEE1451.4标准通过定义不依赖于特定控制网络的硬件和软件模块来简化网络化传感器的设计，使得工程师们在选择传感器时不用考虑网络结构，这就减轻了制造商要生产支持多网络的传感器的负担，也使得用户在需要把传感器移到另一个不同的网络标准时可减少开销[5]。
3.2 IEEE1451标准的优越性
IEEE1451是为变送器制造商和用户提供的一种有效而经济的方式以支持各种控制网络。IEEE1451标准接口的结构如图3所示[5]：
图3.不同网络总线IEEE1451转换方案
针对上图的几点说明：
第一层模块结构用来运行网络协议栈（Network Protocol Stack）和应用硬件（Application Firmware）,即网络匹配处理器NCAP(Network Capable Application Proceor);第二层模块为智能变送器接口模块STIM（Smart Transducer interface Module）,其中包括变送器和变送器电子数据单TEDS（Transducer Electronic Data Sheet）。
这样在基于各种现场总线的分布测量控制系统中，各种变送器的设计制造无须考虑系统的网络结构。石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
3.3.IEEE1451.2标准简介[6]
IEEE 1451.1标准定义了网络独立的信息模型，使传感器接口与NCAP相连，它使用了面向对象的模型定义提供给智能传感器及其组件；IEEE 1451.2标准定义了一个连接传感器到微处理器数字接口（STIM），并通过网络适配器（NCAP）把传感器和执行器连接到网络。据IEEE和NIST最新资料，1451.X标准之间可以一起使用，也可以单独使用
[7]。
IEEE1451.2是一个开放的标准，它的目标不是开发另外一种控制网络，而是在控制网络和传感器之间定义一个标准接口，使传感器的选择和控制网络的选择分开，从而使用户可以根据自己的需要选择不同厂家生产的智能传感器而不受限制，实现真正意义上的即插即用(Plug and Play)。
基于IEEE1451.2标准的网络Web传感器的系统结构框图如下：
图4 IEEE1451.2传感器的结构框图
IEEE1451.2主要定义了STIM(Smart Transducer Interface Module)的内容,其中主要包括TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)和TII(Transducer Independent Interface)。
TEDS是IEEE1451.2标准的核心,提供了对广大范围传感器石油大学硕士学位论文开题报告及文献总结
(sensor)、缓存传感器(buffered sensor)、数据系列传感器(data sequence sensor)、事件系列传感器(event sequence sensor)、执行器(actuator)等模型的支持,并具有自动识别这些传感器和执行器的能力。TEDS完整详细地描述了它支持的传感器和执行器的类型、操作和属性。
TEDS被分成8个可以寻址的部分,其中只有Meta TEDS和Channel TEDS是必须要的,其余的6个TEDS可以根据需要选择。每个STIM包括1个Meta TEDS，用来描述TEDS的数据结构、STIM的极限时间参数和通道组信息等有关STIM的总体信息；每个STIM通道包括1个Channel TEDS，主要用来对每个通道的具体信息，如：函数模型、校准模型、通道的物理属性、返回的数据类型和格式、对象使用上下极限、使用时限等参数。
TII并非是额外的一种网络协议，而是用于连接NCAP和STIM的点对点、时钟同步、短距离的接口，共有10个引脚。IEEE1451.2标准详细定义了这10个引脚的功能，并定义了NCAP和STIM数据传输协议。
3.4 IEEE1451系列标准的发展动向[5]
IEEE和NIST还在着手制定无线连接各种传感设备的接口标准，该标准的名称为“IEEE P1451.5”，主要用于利用电脑等主机设备综合管理建筑物内各传感设备获得的数据，还将包括把传感器获得的信息用于
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