传感器技术与应用第3版习题答案(6)

习题10

1. 什么是智能传感器？它有什么样的功能？

答：全球性的电气电子工程师学会（IEEE）在1998年通过了智能传感器的定义，即“除产生一个被测量或被控量的正确表示之外，还同时具有简化换能器的综合信息以用于网络环境的功能的传感器”。但不少专家认为，未来的智能传感器所包含的内容要丰富得多。

智能传感器是具备了记忆、分析和思考能力，输出期望值的传感器。不仅在物理层面上检测信号，而且在逻辑层面上对信号进行分析、处理、存储和通信，相当于具备了人类的记忆、分析、思考和交流的能力，即具备了人类的智能，所以称之为智能传感器。

2. 人的智能是如何实现的？它的3层结构分别是什么器官？如何工作？ 答：人类的智能是基于即时获得的信息和原先掌握的知识。人类的智能能辨识目标是否正常，能预测灾难，能知道环境是否安全和舒适，能探测或辨别复杂的气味和食品的味道。这些都是人类利用眼睛、鼻子、耳朵、皮肤等（底层）获得的多重状态的传感信息与人类积累的知识相结合（大脑－中间层）而归纳（大脑－顶层）的概念。所以说，人类的智能是实现了多重传感信息的融合并且把它与人类积累的知识结合了起来。

3. 智能传感器的3种实现途径是什么？试举例说明。 答：1）利用计算机合成（智能合成）；

利用计算机合成的途径即智能合成是最常见的，利用计算机对测温数据进行数据处理的智能红外测温仪，就是它的一个例子。

这种智能传感器称为计算型智能传感器。 2）利用特殊功能的材料（智能材料）； 利用特殊功能的材料的途径，其结构形式表现为传感器与特殊功能的材料的结合，以增强检测输出信号的选择性。其工作原理是用具有特殊功能的材料（也叫做智能材料）来对传感器检测输出的模拟信号进行辨别，仅仅选择出有用的信号输出，对噪音或非期望效应则通过特殊功能进行抑制。

比如固定在生物传感器顶端的酶就是特殊功能材料的一个典型例子。 3）利用功能化几何结构（智能结构）；

功能化几何结构的途径是将传感器做成某种特殊的几何结构或机械结构，对传感器检测的信号的处理通过传感器的几何结构或机械结构实现。

凸透镜或凹透镜是最简单的，不同媒质间表面折射和反射的应用例子。只有来自目标空间某一定点的发射光，才能被投射在图像空间的一个定点上；而影响该空间点发射光投射结果的其它点的散射光，投射效应可由凸透镜或凹透镜在图像平面滤除。

4. 为什么说“人的指头就是传感器与执行器合成的典型例子”？利用气体、液体和固体的热胀冷缩，试设计几个传感器与执行器合成的器件。

答：人的指头首先作为传感器去感觉东西的存在，该信息传输到大脑，经过大脑对信息处理后，发出抓住东西的指令，手指作为执行器去抓住东西。所以说，人的指头就是传感器与执行器合成的典型例子。

热气球升空，水壶的水开了水蒸气吹响哨子，酒精温度计、双金属温度触点开关等，是传感器与执行器合成的器件。

5. 举一个计算型智能传感器的例子，画出组成框图，并解释计算型智能传感器的工作

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过程。

答：混合智能压力传感器如图所示。

图中，采用二次集成技术，在一个管壳内封装了MCU、无线发送器、电源管理器、总线和温度、湿度、压力和加速度等传感器，体积仅5cm3。用6V电池供电，功耗小于700μW，可连续工作180天。

具有数据处理功能，可根据环境参数的变化，自动开始测量或改变测量频率。

采用Motorola公司生产的68HC11单片机，含内存、8位A／D转换、时序电路和串行通信电路。

含温度传感器、湿度传感器、压力传感器阵列、加速度传感器阵列，启动加速度计阵列。处理后的数据通过无线发送器或RS－232接口发送出去。

晶振 无线发送器 MCU I／O

68HC11

电池 电源管理器 总线

接口温度传接口接口电温度传

电路1 感器 电路2 路3 感器

湿度传压力传感加速度传启动加速

感器 器阵列 感器阵列 度计阵列

6. 试设计一个具有自学习能力的智能传感器，解释自学习过程。 答：如图所示。 存储器

CPU 触摸手写显示屏 打印机

手写笔 字库

触摸手写显示屏的手写输入就是一个自学习能力的智能传感器。CPU要对手写输入笔书写的字体与字库存储的字进行对照学习，然后存入存储器。以后就能识别该手写字体，对手写输入进行正确识别、存储和打印。

7. 什么是多传感器融合？什么是数据融合？多传感器融合系统有什么作用？ 答：多传感器融合指多个基本传感器空间和时间上的复合应用和设计，常称为多传感器复合。多传感器融合能在最短的时间内获得大量的数据，实现多路传感器的资源共享，提高

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系统的可靠性和鲁棒性。

数据融合也称信息融合，是把分布在不同位置的，多个同类或不同类基本传感器所提供的局部不完整观测数据，进行合并或综合，消除可能存在的冗余和矛盾，降低不确定性，形成相对完整一致的感知描述，提供给决策和执行系统。

多传感器融合系统是用计算机对多个基本传感器的检测数据，在一定准则下进行分析、综合、支配和使用，获得对被测对象的一致性解释与描述，形成相应的决策和估计。

8. 什么是模糊传感器？如何通过温度基本传感器实现模糊温度符号输出？

答：模糊传感器是智能传感器的一种，是以数值量为基础，产生被测量状态的模糊符号信息的传感器。

通过温度基本传感器实现模糊温度符号输出的大致步骤为

1）在温度基本传感器的温度测量值集合上选取有限几个“有代表性”的温度值； 2）将这些“有代表性”的温度值用模糊语言符号表示，生成模糊语言符号集合； 3）再把温度基本传感器的每一个温度测量值，分别选择模糊语言符号集合中的最相近，最合适的模糊语言符号来表述。

习题11

1. 分布式传感器网络系统与单个传感器的用途有什么不同？

答：传感器网络可以实施远程采集数据，并进行分类存储和应用。 传感器网络上的多个用户可同时对同一过程进行监控。

不同任务的传感器、仪器仪表（执行器）与计算机一旦组成网络，即可凭借智能化软硬件(诸如模式识别、神经网络的自学习、自适应、自组织和联想记忆功能)，灵活调用网上各种计算机、仪器仪表和传感器各自的资源特性和潜力，区别不同的时空条件和仪器仪表、传感器的类别特征，测出临界值，作出不同的特征响应，完成各种形式、各种要求的任务。

2. 数量巨大的传感器加入Internet互联网络会产生什么样的功能？试设计一种传感器加入Internet网络互联，解释其使用。

答：若将数量巨大的传感器加入互联网络，则可以将互联网延伸到更多的人类活动领域。数十亿个的传感器将世界各地连接成网，能够跟踪从天气、设备运行状况到企业商品库存等各种动态事务，从而极大地扩充互联网的功能。

如图所示，智能医疗房间加入Internet网络互联，使用微尘（微型传感器节点）来测量各地居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况，通过Internet互联网络传送到医院医护中心。

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3. 解释图11.3所示的智能传感器网络的工作原理和信号流程。 答：图中所示为多个传感器和一台单片机组成的智能传感器——气象参数测试仪。光照、温度、气压、烟雾、声音等由不同的传感器转换为电量，经A/D变换后输入单片机，由单片机根据原存储的参照信息进行计算处理，得出气象情况判断，交显示器显示和洒水机、空调机等执行设备前去执行。

4. OSI开放系统互连参考模型的哪一层分别处理以下问题: 1）把传输的比特流划分为帧。 答：数据链路层

2）决定哪条路径通过通信子网络。 答：网络层

3）提供端到端的服务。 答：传输层

4）为了数据的安全将数据加密传输。 答：表示层

5）光纤收发器将光信号转换为电信号。 答：物理层

6）电子邮件软件为用户收发传感器传感数据资料。 答：应用层 5. 汽车网络CAN协议有哪些用途？

答：CAN是Robert Bosh GmbH提出的一种串行通信的协议，初衷是应用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信，现在主要用于汽车之外的离散控制领域中的过程监测和控制，特别是工业自动化的低层监控，解决控制与测试之间的可靠和实时的数据交换。

CAN是一种多用户协议，它允许任何网络节点在同一网络上与其他节点通信，传输速率范围为5Kb/s～1Mb/s。CAN利用载波监听、多路复用来解决多用户的信息冲突，使最高优先级信息在最低延迟时间下得以传输。此外灵活的系统配置允许用户选择，导致了CAN系统在自动化及工业控制上的应用。

CAN的物理传输介质包括屏蔽或非屏蔽的双绞线、单股线、光纤和耦合动力线，一些CAN系统的用户已在进行射频传送的研制。

6. 工业网络有哪一些协议？它们的传输速率和传输距离分别是多少？

答：CAN协议被制造商在工业应用领域所采用与推崇，CAN协议通信网络由于更简单和更低成本而获得发展，并作为了一种工业标准。

LonTalkTM协议定义了OSI模型中的所有七个层。其数据长度为256字节，通信速率高达1.25Mb/s，多用户信息传输冲突的仲裁通过预测性载波侦听和多路访问作出，具有冲突检测和优先级选择功能。

应用比较广泛的其他工业协议有： 1）可寻址远程传感器通道HART 2）过程现场总线Profibus

由三部分组成：分布式外设DP，现场总线信息规范FMS和过程自动化PA，不同的部分针对不同的应用场合，因此Profibus应用领域十分广泛。

DP和FMS有两种传输技术：一种是RS-485，采用屏蔽双绞线，拓扑结构为总线形，通信速率为9.6Kb/s时，传输距离为1200m；通信速率为12Mb/s时，传输距离为100m。每段

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最多节点数为32。另一种是采用光缆，用于电磁兼容性要求较高和长距离传输的场合。

PA采用IEC1158-2传输技术，采用屏蔽双绞线，拓扑结构为总线形或树形，通信速率为31.25Kb/s，传输距离为1900m，每段最多节点数为32，支持总线供电和本质安全结构。

DP主要用于对时间要求苛刻的分散的外围设备间的高速数据传输，适合于加工自动化，具有高效低成本的特征。PA主要用于工业流程自动化，对安全性要求高和由总线供电的场合；FMS主要用于解决车间内通用设备的通信任务。

3）TOPaz

TOPaz能掌管高达255个节点并以1Mb/s的速度传输。当传输距离大到1km时，这个速率将降低到500Kb/s。不止一个的主系统有决定权，并使用冲突仲裁标记传送，物理层使用EIA-485接口。

7. 办公室与楼宇自动化网络有什么功能？

答：办公室与楼宇自动化网络，在办公室和楼宇的各个需要的部位安置有节点传感器，节点传感器的传感信息随环境而变，将状态和信息通过网络传送给能够响应这种改变的节点，由节点执行器依据相关信息作出调整和动作，例如断开或关闭气阀、改变风扇速度、花木喷灌、能源使用监视、启动防火开关、启动报警、故障自诊断、数据记录、接通线路、传呼通信、信号验证等等。

8. 解释家庭自动化网络系统的组成和应用。

答：家庭自动化网络系统用于智能化住宅工程，接口有：电炊具、供暖、通风、空调系统、热水器、安全系统和照明，还有公用事业公司在家庭应用方面的远程抄表和用户设备管理，按照家庭自动化网络协议进行数据通信和执行器运行管理。

9. 无线传感器网络由哪几部分组成？无线传感器节点起什么作用？

答：无线传感器网络由传感器节点、汇聚节点、移动通信或卫星通信网、监控／管理中心、终端用户组成。

无线传感器节点通过微型传感器采集网络分布区域内的环境或监测对象的温度、湿度、压力、气体、光照等信息，由嵌入式系统对信息进行处理，还要对其他节点转发的数据进行存储、管理和融合，再以多跳转发的无线通信方式，把数据发送到汇聚节点。

10. 为了节省电池能量的消耗，无线传感器节点要在工作和休眠之间切换。结合学过的传感器知识，设想两种工作和休眠状态的切换方案。

答：1）用光传感器，可以实现白天工作，晚上休眠的切换。 2）用温度传感器，可以实现高温时工作，低温时休眠的切换。 3）用湿度传感器，可以实现下雨时工作，天晴时休眠的切换。 4）用烟雾传感器，可以实现有烟雾时工作，无烟雾时休眠的切换。

5）用气体传感器，可以实现有异常气体时工作，无异常气体时休眠的切换。

11. 试设计一用于城市环境监测的无线传感器网络，画出框图，并解释其工作原理。 答：无线传感器网络作为微机电、通信和传感器三种技术相结合的产物，广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居等领域。

试设计的一个用于城市环境监测的无线传感器网络如图所示。 1）传感器节点可以是单传感器型，也可以是多传感器型。

2）汇聚节点数量和位置，应按地理位置和无线网络信号覆盖情况选取和安置。

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3）可以借助移动通信网或单独设置无线网络进行信号传输。

4）传感器节点可用太阳能电池或纽扣电池供电，要采取工作、休眠切换节电措施。 传感器节点检测的环境数据经汇聚节点处理后，经无线基站，发送到无线通信传输网络交换中心，再经有线或无线网络、Internet网传送到城市环境监测管理中心的计算机中心，处理后，传送到有关单位用户或广播、短信通知个人用户。

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