1.智能传感器的概述
智能传感器系统是一门现代综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新技术。目前，国际传感器领域已对“Smart Sensor”定义形成了基本共识，但中文译法尚未形成定论， 本文所用的“智能传感器”仅为引用。智能传感器从其功能来说是具有一种或多种敏感功能，能够完成信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算和双向通讯，内部可实现自检、自校，自补偿、自诊断以及具备以上部分功能或全部功能的器件。智能化传感器还具有较高的精度和分辨率，较高的稳定性及可靠性，较好的适应性，相比于传统传感器还具有非常高的性价比。
在国内通常定义如下，传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器（系统）[1]，或所谓智能式传感器就是一种带微处理机的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器[2]。总之，对智能传感器的定义没有统一的标准。
1.1智能传感器的结构
智能传感器主要结构包括：一个或多个敏感器件；微处理器或微控制器；非易失性可擦除存储器；双向数据通信的接口；模拟量输出接口；高效的电源模块。
1.2智能传感器的功能
智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作，结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的。是一个相对独立的智能单元，它的出现对原来硬件性能的苛刻要求有所减轻，而靠软件帮助来使传感器的性能大幅度提高。智能传感器通常可以实现以下功能。
它具有的主要功能，具有自校零、自标定、自校正功能； 具有自动补偿功能；能够自动采集数据，并对数据进行预处理； 能够自动进行检验、自选量程、自寻故障；具有数据存储、记忆与信息处理功能； 具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能； 具有判断、决策处理功能。
1.3智能传感器的特点
与传统传感器相比，智能传感器的具有特点：精度高 ；高可靠性与高稳定
性； 高信噪比与高的分辨力；强的自适应性；高的性能价格比等等。
1.3智能传感器的加工
智能传感器的微型化是传感器发展的一种趋势，它在航 天航空技术、生
命科学研究、工业技术发展等领域有着举足轻重的作用。制造微型智能传感器的技术主要分为三类：(1)借助微细加工技术(如光刻、腐蚀扩散、外延等)在加工中的应用制造(2)微机械加工技术制造(3)利用纳米技术加工的微传感器。其中利用微细加工较成熟的技术包括：①SOI晶片技术②硅的各向异性刻蚀技术③干法刻蚀④牺牲层技术⑤LIGA技术。利用微机械加工的传感器：硅微加速传感器，智能传感器——电子鼻。利用纳米技术加工的生物传感器等。
2.专用集成微型传感技术（ASIM）
现代传感器技术，是指以硅材料为基础（因为硅既有优良的电性能，又有极好的机械性能），采用微米（1 μm～1 mm）级的微机械加工技术和大规模集成电路工艺来实现各种仪表传感器系统的微米级尺寸化。国外也称它为专用集成微型传感技术（ASIM）。由此制作的智能传感器的特点，微型化，微型压力传感器已经小到可以放在注射针头内送进血管测量血液流动情况。还可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公斤下降至几克；结构一体化，压阻式压力传感器是最早实现一体化结构的传感器。采用微机械加工和集成化工艺，不仅“硅杯”一次整体成型，而且电阻变换器与“硅杯”是完全一体化的。进而可在“硅杯”非受力区上制作调理电路和微处理器单元，甚至微执行器，从而实现不同程度的乃至整个系统的一体化；高精度，比起分体结构，传感器结构本身一体化后，迟滞、重复性指标将大大改善，时间漂移大大减小，精度提高。后续的信号调理电路与敏感元件一体化后，可以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；多功能化，微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传感器。美国霍尼韦尔公司上世纪80年代初期生产的ST-3000型智能压力和温度变送器，就是在一块硅片上制作了感受压力、压差及温度三个参量的，具有三种功能（可测压力、压差、温度）的敏感元件结构的传感器。不仅增加了传感器的功能，而且可以通过采用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精度；阵列化，微纳米技
术已经可以在一平方厘米大小的硅芯片上制作含有几千个压力传感器的阵列，敏感元件构成阵列后，配合相应图像处理软件，可以实现图形成像且构成多维图像传感器。这时的智能传感器就达到了它的最高级形式；全数字化，通过微机械加工技术可以制作各种形式的微结构，其固有谐振频率可以设计成某种物理参量的单值函数。因此，可以通过检测其谐振频率来检测被测物理量。这是一种谐振式传感器，可以直接输出数字量。它的性能极为稳定、精度高、不需A/D转换器便能与微处理器方便地接口，免去A/D转换器，对于节省芯片面积、简化集成化工艺，均十分有利；使用极其方便和操作极其简单，它没有外部连接元件，外接连线数量极少，包括电源、通讯线可以少至四条，因此，接线极其简便。它还可以自动进行整体自校， 无需用户长时间地反复多环节调节与校验。智能含量越高的智能传感器，它的操作使用越简便，用户只需编制简单的使用主程序。
智能传感器的实现途径主要包括以下几方面：
(1)利用集成或混合集成方式将敏感元件、信号处理器和微处理器集成在一起，利用存储器中的驻留程序软件，实现传感功能。
(2)采用新的检测技术，通过超精加工和纳米技术设计结构，提高灵敏度及实用性能。
(3)充分利用人工智能材料AIM(Artificial Intelligent Materials)。由于人工智能材料具有感知环境变化，进行自我判断以及发出指令和自动采取行动等功能，因此人工智能材料和智能传感器是不可分割的两部分。
（3）研制开发智能材料，完善智能器件原理。主要研究如何将信息注入材料的主要方式和有效途径，研究功能效应和信息流在人工智能材料内部的转换机制。
（4）开发人工脑系统。发展高级智能机器人和完善人工脑系统。
3.智能传感器网络在故障诊断系统方面的研究
在车辆的状态监控中，通过对车辆发动机和齿轮的振动和温度进行评估车辆是否处于良好的状态，这是一种有效的方法。但传统的方法是通过数据采集卡和通用计算机获取数据，然后使用一些先进的软件来处理获得的海量数据。当系统过大或有太多的数据，系统可能无法完成这个工作。本文提出了一种基于数字信号处理器和CAN总线的智能传感器。
首先用小波消噪和其他信号处理方法来净化信号，得到相应的对于故障敏感的特征值，所有这一切都在智能传感器完成的。然后，如果特征值不超出报警值，它不会被发送到嵌入式计算机中，嵌入式计算机可能会做更多的其他有用的东西，如果特征值超出报警值，特征值将通过CAN总线被发送，在嵌入式计算机就会知道哪些部分车辆的不好，并显示它，或者告诉疗法驱动程序。当嵌入式计算机想知道是否车辆的某些部位的工作是否正确，它会通过CAN总线发送命令，智能传感器将发回相应的特征值，那么嵌入式计算机会知道它的状态。使用 这些智能传感器和CAN总线，我们可以保证车辆处于良好状态。
所设计的智能传感器网络的基础包括，TMS320F2812数字信号处理器，ADXL001加速度传感器，AD7656的A / D转换器，DS18B20与CAN总线等，他们建立了嵌入式系统，该系统可以用于监测车辆的工作状态，与传统的车辆监视系统相比，该系统不仅具有较小的体积，而且还具有较高的可靠性和智能。
首先对用于该系统的CMOS芯片进行介绍。（1）TMS320F2812数字信号处理器是一个低成本的32位定点数字信号处理器（DSP），该装置具有数字信号处理的最佳功能，它减少了指令集计算（RISC），以及具有微控制器架构，固件和工具设备。这个DSP功能包括改进的哈佛结构和循环寻址。RISC的特点是单周期指令执行，寄存器到寄存器操作，并可以改进哈佛结构（可用于冯诺伊曼模式）。（2）AD7656的A / D转换器包含6个16位，快速，低功耗，逐次逼近型ADC。AD7656芯从4.5V至5.5 V单电源供电，吞吐量速率高达250ksps。该器件内置低噪声，具有宽宽带采样保持放大器，可以处理输入频率高达8 MHz信息。（3）ADXL001加速度传感器在前一代的基础上有很大的改进，它具有较高的性能和带宽。这部分对于理想的宽带宽，小体积，低功耗和高性能的工业、医疗和军事设备是必要的。（4）DS1302时钟芯片包含一个实时时钟和31位的静态存储器，他通过一个简单的串行接口与微处理器进行通信。实时时钟日历提供秒、分、时、天、月和年的信息。（5）DS18B20温度传感器，该DS18B20数字温度计提供9至12位（可配置）温度读数，该读数表明设备的温度。DS18B20通过1位线接口进行信息的发送和接受，因此只有一个电线需要去连接中央处理器和DS18B20。用于读取，写入和执行温度转换的电源可以来自数据线本身，无需外部电源。由于每个DS18B20含有独特的硅序列号，因此多个DS18B20可以在同
一个1总线上存在。这个特性可以使温度传感器放置在许多不同的地方。
其次，介绍其硬件设计。（1）该传感器网络系统具有自我检测和调节功能。网络系统的自我检测可以检测系统本身是否处于良好的状态，图1说明了这个网络系统的检测功能是如何工作的。
图1 网络系统的自我检测
（2）智能传感器自检测功能如图2所示：
图2 智能传感器自检测
（3）系统的硬件设计。该智能传感器网络系统包含一个基于ATMEL的AT91SAM9263的CPU。它包含64 MB的SDRAM和128 MB的Nand Flash，总线支持CAN2.0A and CAN2.0B标准，包含在Wince6.0系统里。与WINCE6.0系统在里面。程序设计是在Visual Studio 2008中。加速智能传感器是由TMS320F2812 数字信号处理器，AD7656的A / D转换器，多达六位的ADXL001加速度传感器，DS1302计时器组成的.这个温度智能传感器包括TMS320F2812 数字信号处理器， DS18B20温度传感器，以及DS1302时钟芯片。该油压智能传感器是由TMS的320F2812 数字信号处理器，AD7656的A / D转换器，多达六位油压力传感器，DS1302计时芯片.所有智能传感器包含一个CAN总线模块，他们可以用它来与嵌入式计算机进行通信。这些智能传感器可以连接到传动箱、
发动机的气缸盖或其它地方需要监控的地方。
再次，软件设计。当智能传感器开始工作时，它遵从图3所示的程序流程。在45000HZ采样率下，它的样品每个通道约20万条数据。此步骤中，DSP开始使用小波去噪程序来处理这些数据。在机油压力信号帮助下，我们可以得到缸盖特征值，如果该值超出报警值，报警信息和特征值将被发送到CAN总线，嵌入式计算机将会获得并显示它。但其他智能传感器不会对这个消息作出响应的，因为它设置的参数。
图3 智能传感器的主要程序
当智能传感器从CAN总线接到命令时，它将会判断命令的类型，如图4所示已经展示了智能传感器将会作出的反应行为。
图4 智能传感器中断程序
通过在DSP编写的小波去噪和故障诊断程序，信号的信噪比提高了。通过软、硬件设计，智能传感器实现了自检测和自调节功能。嵌入式计算机的工作量减少了。该系统将会用于越来越复杂的车辆检测系统。与传统的监测系统相比，本系统不仅体积小，而且具有更高的可靠性和智能化。
4.基于IEEE 1451的网络化智能传感器
智能传感器的一个技术突破就是通信功能采用标准化接口。1993年9月 ， 美国国家标准技术研究院和IEEE仪器与测量协会的传感技术委员会联合制定 了智能传感器通用通信接口标准,即IEEE 1451系列标准。迄今为止，针对各个 变送器工业领域的需求，先后建立了多个工作组来开发接口标准的不同部分，2 0 10年发布了最新的IEEE 1451第7部分，即 “ 变送器与射频标识( RFID )系统通信协议和变送器电子数据表格式 ”。
IEEE 1451系列标准的目的是开发一种软硬件连接方案，将智能变送器连接到网络或直接支持现有的各种网络技术，包括各种现场总线、因特网等；为不同厂家生产的传感器提供具有即插即用能力的智能传感器接口。通过定义一整套 通用的通信接口， 使变送器在现场级采用有线或无线的方式实现网络连接 ，大 大简化由变送器构成的各种网络控制系统，解决不同网络之间的兼容性问题，最
终实现各个厂家产品的互换性与互操作性。
IEEE 1451系列变送器接口标准使变送器到网络的连接和设备间的相互操作 更加地便利。变送器制造商在这个标准系统下，只需要开发一个软硬件接口，通过选用不同类型的NCAP，就可以使其产品用于不同的网络或现场总线。软件开 发商也会受益于变送器属性良好的标准定义，如IEEE 1451通用命令集和通用IP 访问的能力允许开发商用相同的接口代码应用于不同卖家不同类型的变送器。IEEE 1451还包括网络时间同步，并支持多种语言。终端用户也会受益于高兼容 性的变送器，包括自定义文档、即插即用、变送器属性(如物理单位、推荐运行环境、校正数据、位置和其他自定义信息)。
IEEE 1451是一种新的通用智能化传感器接口标准 ，它为即插即用智能传感器与现有的各种总线提供了通用的接口标准。IEEE 1451标准为提高全球范围 内智能传感器技术水平提供了坚实的基础，为测试系统的智能化提供了基本前提。在设计中，基于IEEE 1451．4标准提出了一种新型的接口，使传感器既可以输出模拟信号也可以输出数字信号，使得普通的传感器可以实现智能化 。
IEC标准化管理局(SMB)于2009年9月在SMB/4010A/DC文件中提出了17 项IEC潜在新技术领域，其中第14项明确指出智能传感器归口IEC/TC65(工业 过程测量、控制和自动化)，并且IEC/SC65B (装置与过程分析)在相关方面已经 开展了多项标准的制修订工作。尽管我国智能传感器技术发展很快，但相应的国家标准欠缺，导致了市场的混乱无序和研究内容的交叉重复，严重阻碍了国内仪 器仪表企业对智能传感器的设计、研发和生产。机械工业仪器仪表综合技术经济研究所作为IEC/TC65的国内归口单位，在充分调研国内外智能传感器技术发展 现状的基础上，初步建立智能传感器系统标准体系构架(见图 5 ) ，以规范国内 智能传感器市场，服务于各相关应用领域，奠定我国物联网体系建设的基础 。
图5 智能传感器系统标准体系构架
图5中的智能传感器系统标准构架正是基于工业领域的自身特点，以现有 标准和技术为补充，并融合了智能传感器的智能化特点，例如时间同步测量、信 息存储等，从基础通用标准、方法标准、智能传感器产品标准三部分进行详细的 解析 。标准体系中最重要的就是第三部分智能传感器产品标准。按照智能传感器的构成，分成硬件系统、软件系统和产品技术要求 。
物联网的应用有三个层次，一个是传感网络，以二维码、RFID、传感器为主，实现“物”的识别；二是传输网络，即通过现有的互联网、广电网、通信网 或下一代互联网，实现数据的传输和计算；三是应用网络，即输入输出控制终端，包括手机等终端。物联网中应用了大量物理量 、化学量和生物量等不同种类的 传感器 。
电子自动化产业的迅速发展与进步促使传感器技术、特别是集成智能传感 器技术日趋活跃，近年来随着半导体技术的迅猛发展，国外～些著名的公司和高等院校开展了有关集成智能传感器的研，国内一些著名的高校、研究所和公司也积极跟进，使集成智能传感器技术取得了令人瞩目的发展。国产智能传感器逐渐在智能传感器领域迈开步伐，如西安中星测控生产的P T600系列传感器，采用 国际上一流传感器芯体、变送器专用集成电路和配件、高性能微控制器，同时具备数字和模拟两种输出方式，针对用户的特定需求，在原产品基础上进行二次开
发，周期短、效率高，已广泛应用于航空、航天、石油、化工、矿山等行业中测 量各种气体和流体的压力、压差、流量和流体的高度和重量。
但就目前国内产业发展水平而言，物联网的发展仍存在一定瓶颈，RFID高端芯片等核心领域无法产业化，而且国内RFID以低频为主。此外，传感器产业 化水平较低，量产产品种类不全，可靠性、稳定性等关键性指标尚未全部达到要 求，高档、大型仪器设备几乎全部依赖进口，中档产品以及许多关键零部件，国外公司同样占有国内市场60％以上的份额。
因此，中国必须做出长期规划，将智能传感器产业作为一个系统工程，开发和生产适用于物联网应用的各类传感器。国内企业应该未雨绸缪，吸取汽车等工业至今仍然依靠进口零配件的教训，及时为物联网的建立和发展提供具有自主 知识产权的国产化传感器等产品。在物联网技术产业化发展的形势面前，全面 制 定协调一致的战略措施并认真贯彻执行，以保障仪器仪表行业能够继续带动国 民经济的蓬勃发展。
5.智能传感器今后的发展方向
智能传感器和人工智能材料，在今后的若干年内仍然是人们及其关注的一门科学。虽然此领域已经取得了一些成就， 但人们还不能随意设计和创造人造思维系统，而只能处于研究探索的初级阶段。
今后的研究内容将主要集中在以下几个方面：
（1）微型结构仍是智能传感器的重要发展方向。“微型”技术是一个广泛的应用领域，它涵盖的微型工程、制造和系统等各种科学与多种微型结构。
（2）利用生物技术及纳米技术研制传感器。目前，分子和原子生物传感器是一门高新学科。国外已利用纳米技术研制出分子级的电器，如纳米开关、纳米马达和纳米电机等。
参考文献
[1]《智能传感器系统》，刘君华，西安电子科技大学出版社
[2]《现代新型传感器原理与应用》，刘迎春、叶湘滨等，国防工业出版社 [3] 邵云龙 陈 越. 浅析智能传感器技术. 科协论坛，2011第七期（下） [4] 姜书汉.智能传感器的主要功能和应用发展. 物联网技术, 2011(5) [5] Cheng lijun， Zhang yingtang， Li zhining ，Ren guoquan， Shun yiquan. 2010 International Conference on Computer, Mechatronics, Control and Electronic Engineering (CMCE)
[6]丁露，梅恪. 智能传感器在物联网领域中的应用，信息技术与标准化2010年第8期。
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容