在物联网(IoT,Internet of Things)发展应用的产业链上,物联网的核心感知部件,作为物联网感知的载体,在物联网领域有着举足轻重的重要地位。是物联网的感知延伸层的重要组成部分。物联网的核心感知部件目前主要是指:智能传感器、变送器和智能仪表。通过这些部件,为物联网领域提供丰富的感知信息,以用以传输、处理及控制;实现物物互联与人物交互。
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一、关于智能传感器
1、概述
传感器(sensor)是一种非常传统的物理部件,它的用途非常广泛,使用非常古老。在国家标准GB/T 7665《传感器通用术语》中对传感器的定义是:能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信息的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件所组成。敏感元件和转换元件的含义详见下表1-1。由此可知,传感器本身具有两大功能:能直接感受或响应被测量;将被测量转换成电信号输出。
表 1-1:敏感元件和转换元件的含义
智能传感器(intelligent sensor)是在传感器的基础上又增加了一个功能,即信号的处理功能。传感器是智能传感器必不可缺少的组成部分。在国家标准GB/T 33905.3《智能传感器 术语》中对智能传感器的定义是:具有与外部系统双向通信手段,用于发送测量、状态信息,接收和处理外部命令的传感器。由此,智能传感器是一种新型传感器,在现代物联网中有着突出的作用,是传感器发展演进的必然结果。
2、智能传感器的构成
智能传感器的构成要比传统的传感器复杂的多。根据GB/T 33905.1标准,智能传感器一般由:电源单元、传感器子系统、数据处理子系统、人机接口、通信接口和电输出子系统所构成,通常其体系结构模型如下图1-2所示。
图 1-2:智能传感器的体系结构模型
数据处理子系统是智能传感器的核心,它的主要功能是为人、通信接口和〈或〉电输出子系统的实时应用提供并处理被测量。除主要测量功能外,不同的智能传感器还可以配备许多不同的附加功能. 其中,智能传感器常备的附加功能可详见下表1-2-1,下表1-2-2给出了智能传感器体系结构模型中构成模块的功能简述。
表 1-2-1:智能传感器常备的附加功能
表 1-2-2:智能传感器体系结构模型中各模块的功能简述
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3、智能传感器的分类
由于智能传感器应用领域不同、工作机理不同、被测量不同、智能化程度不同等等,其智能传感器的分类方法导致五花八门、方法众多。在国家标准GB/T 34069《物联网总体技术 智能传感器特性与分类》中给出了相应的分类方法,它归纳为四大类方法:通用分类法、智能化分类法、物联网相关分类法和按其它方式分类法,其含义详见下表1-3-1中。每一种分类法中又有进一步的细分类方法(包括二级的、三级的或更多),导致其智能传感器的分类非常详尽。下表1-3-2给出了其二、三级细分类的分类方法,以供了解。
表 1-3-1:智能传感器四大类分类法释义
表 1-3-2:智能传感器的二、三级分类方法
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4、智能传感器的特性
根据国家标准GB/T 34069的规定,智能传感器的特性分为三大类:通用特性;智能特性和物联网特性,其含义详见下表1-4-1。下表1-4-2列出了三大类特性各自的具体特性参数。
表 1-4-1:智能传感器的三类特性的含义
表 1-4-2:智能传感器的三类特性的具体参数
5、智能传感器的通信接口
从智能传感器的功能角度出发,智能传感器的功能架构模型如下图1-5所示,图中的接口单元功能模块是连接着传感器子系统和外部网络或/系统的。对于接口单元功能模块,其通信接口应包括不同的物理接口及通信协议,不同的通信协议之间应基于协议网关达到互操作和数据一致性的要求。国家标准GB/T 34068《物联网总体技术 智能传感器接口规范》规定,用于物联网的智能传感器的通信接口可使用有线通信接口和无线通信接口。下表1-5汇总了其有线通信接口和无线通信接口各自的种类及要求。
图1-5:智能传感器的功能架构模型
表 1-5:物联网用智能传感器通信接口的种类及要求
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二、关于变送器
1、概述
变送器(transmitter)主要用于工业过程测量和控制中的。在GB/T 17212《工业过程测量和控制 术语和定义》中对变送器的定义是:输出为标准化信号的一种测量传感器。可知,变送器与传感器是有渊源的,即变送器就是一种特殊目的的传感器。而在GB/T 33905.3《智能传感器 术语》中对传感器的定义时,也有一个专门的注释,即:当传感器输出为规定的标准信号时,则称为变送器。那么,标准化信号是指:具有标准化的上、下范围值的信号,如4mA~20mA(d.c)、20kPa~100kPa等。
进而,主要用于工业过程测量和控制中的变送器,如今应适应于物联网环境中的使用,可被称为物联网变送器。在相关国家标准中对物联网变送器的定义是:将被测量转化为物联网可传送的标准输出信号的传感器。
2、变送器的分类
变送器在工业过程测量和控制中的用途十分广泛,所以就其的用途分类种类众多。如在GB/T 17212定义变送器时就专门注释,变送器可附加多种自我说明的修饰语,具体详见下表2-2-1,可见其用途分类。
表 2-2-1:变送器的用途分类
目前,在我国的国家标准中对物联网差压变送器(GB/T 34037)、物联网电流变送器(GB/T 34070)、物联网温度变送器(GB/T 34072)和物联网压力变送器(GB/T 34073)进行了规范。这四种用途的物联网变送器的含义详见下表2-2-2;它们各自的进一步分类详见下表2-2-3。
表 2-2-2:四种用途的物联网变送器的含义
表 2-2-3:四种用途的物联网变送器各自的分类
3、变送器的参数与技术要求
在我国相关国家标准中,对上述四种用途的物联网变送器的参数与技术要求做出了规定,若要详细了解的请查阅相应的国家标准。
物联网差压变送器(GB/T 34037);物联网电流变送器(GB/T 34070);
物联网温度变送器(GB/T 34072);物联网压力变送器(GB/T 34073)。
三、相关智能仪表
对于适用于物联网环境的智能仪表,目前我国国家标准进行规范的有:34036-2017《智能记录仪表 通用技术条件》、GB/T 34049-2017《智能流量仪表 通用技术条件》、GB/T 34050-2017《智能温度仪表 通用技术条件》和GB/T 36411-2018《智能压力仪表 通用技术条件》等,这四种智能仪表的含义详见下表3中。这里不再对其做介绍,感兴趣者请查阅相应的国家标准。
表 3:四种智能仪表的含义
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