【正文】 3）用硅微加工工藝在一片硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)MEMS，再切割封裝成產(chǎn)品，批量生產(chǎn)可大大降低成本；4）可把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微機(jī)電系統(tǒng)。叉指換能器微溫度傳感器由叉指換能器和聲表面波傳播通道形成了選頻和反饋網(wǎng)絡(luò)，與同相放大器組成了振蕩器。振蕩頻率等于相鄰叉指對(duì)之間的距離M的兩倍的倒數(shù)。 若環(huán)境溫度改變，則M值會(huì)隨之改變，振蕩信號(hào)頻率就會(huì)改變。用頻率計(jì)測得頻率的變化Δf，由計(jì)算機(jī)計(jì)算可獲得溫度的變化ΔT。 ΔT＝kΔf／f0 習(xí)題101. 什么是智能傳感器？它有什么樣的功能？答：全球性的電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）在1998年通過了智能傳感器的定義，即“除產(chǎn)生一個(gè)被測量或被控量的正確表示之外，還同時(shí)具有簡化換能器的綜合信息以用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的功能的傳感器”。但不少專家認(rèn)為，未來的智能傳感器所包含的內(nèi)容要豐富得多。智能傳感器是具備了記憶、分析和思考能力，輸出期望值的傳感器。不僅在物理層面上檢測信號(hào)，而且在邏輯層面上對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和通信，相當(dāng)于具備了人類的記憶、分析、思考和交流的能力，即具備了人類的智能，所以稱之為智能傳感器。2. 人的智能是如何實(shí)現(xiàn)的？它的3層結(jié)構(gòu)分別是什么器官？如何工作？答：人類的智能是基于即時(shí)獲得的信息和原先掌握的知識(shí)。人類的智能能辨識(shí)目標(biāo)是否正常，能預(yù)測災(zāi)難，能知道環(huán)境是否安全和舒適，能探測或辨別復(fù)雜的氣味和食品的味道。這些都是人類利用眼睛、鼻子、耳朵、皮膚等（底層）獲得的多重狀態(tài)的傳感信息與人類積累的知識(shí)相結(jié)合（大腦－中間層）而歸納（大腦－頂層）的概念。所以說，人類的智能是實(shí)現(xiàn)了多重傳感信息的融合并且把它與人類積累的知識(shí)結(jié)合了起來。3. 智能傳感器的3種實(shí)現(xiàn)途徑是什么？試舉例說明。答：1）利用計(jì)算機(jī)合成（智能合成）；利用計(jì)算機(jī)合成的途徑即智能合成是最常見的，利用計(jì)算機(jī)對(duì)測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的智能紅外測溫儀，就是它的一個(gè)例子。這種智能傳感器稱為計(jì)算型智能傳感器。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徑，其結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)為傳感器與特殊功能的材料的結(jié)合，以增強(qiáng)檢測輸出信號(hào)的選擇性。其工作原理是用具有特殊功能的材料（也叫做智能材料）來對(duì)傳感器檢測輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行辨別，僅僅選擇出有用的信號(hào)輸出，對(duì)噪音或非期望效應(yīng)則通過特殊功能進(jìn)行抑制。比如固定在生物傳感器頂端的酶就是特殊功能材料的一個(gè)典型例子。3）利用功能化幾何結(jié)構(gòu)（智能結(jié)構(gòu)）；功能化幾何結(jié)構(gòu)的途徑是將傳感器做成某種特殊的幾何結(jié)構(gòu)或機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)傳感器檢測的信號(hào)的處理通過傳感器的幾何結(jié)構(gòu)或機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。凸透鏡或凹透鏡是最簡單的，不同媒質(zhì)間表面折射和反射的應(yīng)用例子。只有來自目標(biāo)空間某一定點(diǎn)的發(fā)射光，才能被投射在圖像空間的一個(gè)定點(diǎn)上；而影響該空間點(diǎn)發(fā)射光投射結(jié)果的其它點(diǎn)的散射光，投射效應(yīng)可由凸透鏡或凹透鏡在圖像平面濾除。4. 為什么說“人的指頭就是傳感器與執(zhí)行器合成的典型例子”？利用氣體、液體和固體的熱脹冷縮，試設(shè)計(jì)幾個(gè)傳感器與執(zhí)行器合成的器件。答：人的指頭首先作為傳感器去感覺東西的存在，該信息傳輸?shù)酱竽X，經(jīng)過大腦對(duì)信息處理后，發(fā)出抓住東西的指令，手指作為執(zhí)行器去抓住東西。所以說，人的指頭就是傳感器與執(zhí)行器合成的典型例子。熱氣球升空，水壺的水開了水蒸氣吹響哨子，酒精溫度計(jì)、雙金屬溫度觸點(diǎn)開關(guān)等，是傳感器與執(zhí)行器合成的器件。5. 舉一個(gè)計(jì)算型智能傳感器的例子，畫出組成框圖，并解釋計(jì)算型智能傳感器的工作過程。答：混合智能壓力傳感器如圖所示。圖中，采用二次集成技術(shù)，在一個(gè)管殼內(nèi)封裝了MCU、無線發(fā)送器、電源管理器、總線和溫度、濕度、壓力和加速度等傳感器，體積僅5cm3。用6V電池供電，功耗小于700μW，可連續(xù)工作180天。具有數(shù)據(jù)處理功能，可根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化，自動(dòng)開始測量或改變測量頻率。采用Motorola公司生產(chǎn)的68HC11單片機(jī)，含內(nèi)存、8位A／D轉(zhuǎn)換、時(shí)序電路和串行通信電路。含溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器陣列、加速度傳感器陣列，啟動(dòng)加速度計(jì)陣列。處理后的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送器或RS－232接口發(fā)送出去。I／O總線溫度傳感器溫度傳感器接口電路1接口電路3接口電路2無線發(fā)送器電池晶振電源管理器加速度傳感器陣列濕度傳感器壓力傳感器陣列啟動(dòng)加速度計(jì)陣列MCU68HC116. 試設(shè)計(jì)一個(gè)具有自學(xué)習(xí)能力的智能傳感器，解釋自學(xué)習(xí)過程。存儲(chǔ)器答：如圖所示。字庫打印機(jī)CPU觸摸手寫顯示屏手寫筆觸摸手寫顯示屏的手寫輸入就是一個(gè)自學(xué)習(xí)能力的智能傳感器。CPU要對(duì)手寫輸入筆書寫的字體與字庫存儲(chǔ)的字進(jìn)行對(duì)照學(xué)習(xí)，然后存入存儲(chǔ)器。以后就能識(shí)別該手寫字體，對(duì)手寫輸入進(jìn)行正確識(shí)別、存儲(chǔ)和打印。7. 什么是多傳感器融合？什么是數(shù)據(jù)融合？多傳感器融合系統(tǒng)有什么作用？答：多傳感器融合指多個(gè)基本傳感器空間和時(shí)間上的復(fù)合應(yīng)用和設(shè)計(jì)，常稱為多傳感器復(fù)合。多傳感器融合能在最短的時(shí)間內(nèi)獲得大量的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多路傳感器的資源共享，提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。數(shù)據(jù)融合也稱信息融合，是把分布在不同位置的，多個(gè)同類或不同類基本傳感器所提供的局部不完整觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行合并或綜合，消除可能存在的冗余和矛盾，降低不確定性，形成相對(duì)完整一致的感知描述，提供給決策和執(zhí)行系統(tǒng)。多傳感器融合系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)對(duì)多個(gè)基本傳感器的檢測數(shù)據(jù)，在一定準(zhǔn)則下進(jìn)行分析、綜合、支配和使用，獲得對(duì)被測對(duì)象的一致性解釋與描述，形成相應(yīng)的決策和估計(jì)。8. 什么是模糊傳感器？如何通過溫度基本傳感器實(shí)現(xiàn)模糊溫度符號(hào)輸出？答：模糊傳感器是智能傳感器的一種，是以數(shù)值量為基礎(chǔ)，產(chǎn)生被測量狀態(tài)的模糊符號(hào)信息的傳感器。通過溫度基本傳感器實(shí)現(xiàn)模糊溫度符號(hào)輸出的大致步驟為1）在溫度基本傳感器的溫度測量值集合上選取有限幾個(gè)“有代表性”的溫度值；2）將這些“有代表性”的溫度值用模糊語言符號(hào)表示，生成模糊語言符號(hào)集合；3）再把溫度基本傳感器的每一個(gè)溫度測量值，分別選擇模糊語言符號(hào)集合中的最相近，最合適的模糊語言符號(hào)來表述。習(xí)題111. 分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與單個(gè)傳感器的用途有什么不同？答：傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)施遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分類存儲(chǔ)和應(yīng)用。傳感器網(wǎng)絡(luò)上的多個(gè)用戶可同時(shí)對(duì)同一過程進(jìn)行監(jiān)控。不同任務(wù)的傳感器、儀器儀表（執(zhí)行器）與計(jì)算機(jī)一旦組成網(wǎng)絡(luò)，即可憑借智能化軟硬件(諸如模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織和聯(lián)想記憶功能)，靈活調(diào)用網(wǎng)上各種計(jì)算機(jī)、儀器儀表和傳感器各自的資源特性和潛力，區(qū)別不同的時(shí)空條件和儀器儀表、傳感器的類別特征，測出臨界值，作出不同的特征響應(yīng)，完成各種形式、各種要求的任務(wù)。2. 數(shù)量巨大的傳感器加入Internet互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生什么樣的功能？試設(shè)計(jì)一種傳感器加入Internet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，解釋其使用。答：若將數(shù)量巨大的傳感器加入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，則可以將互聯(lián)網(wǎng)延伸到更多的人類活動(dòng)領(lǐng)域。數(shù)十億個(gè)的傳感器將世界各地連接成網(wǎng)，能夠跟蹤從天氣、設(shè)備運(yùn)行狀況到企業(yè)商品庫存等各種動(dòng)態(tài)事務(wù)，從而極大地?cái)U(kuò)充互聯(lián)網(wǎng)的功能。如圖所示，智能醫(yī)療房間加入Internet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，使用微塵（微型傳感器節(jié)點(diǎn)）來測量各地居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時(shí)的活動(dòng)狀況，通過Internet互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳送到醫(yī)院醫(yī)護(hù)中心。 3. 。答：圖中所示為多個(gè)傳感器和一臺(tái)單片機(jī)組成的智能傳感器——?dú)庀髤?shù)測試儀。光照、溫度、氣壓、煙霧、聲音等由不同的傳感器轉(zhuǎn)換為電量，經(jīng)A/D變換后輸入單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)原存儲(chǔ)的參照信息進(jìn)行計(jì)算處理，得出氣象情況判斷，交顯示器顯示和灑水機(jī)、空調(diào)機(jī)等執(zhí)行設(shè)備前去執(zhí)行。4. OSI開放系統(tǒng)互連參考模型的哪一層分別處理以下問題:1）把傳輸?shù)谋忍亓鲃澐譃閹４穑簲?shù)據(jù)鏈路層2）決定哪條路徑通過通信子網(wǎng)絡(luò)。答：網(wǎng)絡(luò)層3）提供端到端的服務(wù)。答：傳輸層4）為了數(shù)據(jù)的安全將數(shù)據(jù)加密傳輸。答：表示層5）光纖收發(fā)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。答：物理層6）電子郵件軟件為用戶收發(fā)傳感器傳感數(shù)據(jù)資料。答：應(yīng)用層5. 汽車網(wǎng)絡(luò)CAN協(xié)議有哪些用途？答：CAN是Robert Bosh GmbH提出的一種串行通信的協(xié)議，初衷是應(yīng)用于汽車內(nèi)部測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信，現(xiàn)在主要用于汽車之外的離散控制領(lǐng)域中的過程監(jiān)測和控制，特別是工業(yè)自動(dòng)化的低層監(jiān)控，解決控制與測試之間的可靠和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。CAN是一種多用戶協(xié)議，它允許任何網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在同一網(wǎng)絡(luò)上與其他節(jié)點(diǎn)通信，傳輸速率范圍為5Kb/s～1Mb/s。CAN利用載波監(jiān)聽、多路復(fù)用來解決多用戶的信息沖突，使最高優(yōu)先級(jí)信息在最低延遲時(shí)間下得以傳輸。此外靈活的系統(tǒng)配置允許用戶選擇，導(dǎo)致了CAN系統(tǒng)在自動(dòng)化及工業(yè)控制上的應(yīng)用。CAN的物理傳輸介質(zhì)包括屏蔽或非屏蔽的雙絞線、單股線、光纖和耦合動(dòng)力線，一些CAN系統(tǒng)的用戶已在進(jìn)行射頻傳送的研制。6. 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)有哪一些協(xié)議？它們的傳輸速率和傳輸距離分別是多少？答：CAN協(xié)議被制造商在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域所采用與推崇，CAN協(xié)議通信網(wǎng)絡(luò)由于更簡單和更低成本而獲得發(fā)展，并作為了一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。LonTalkTM協(xié)議定義了OSI模型中的所有七個(gè)層。其數(shù)據(jù)長度為256字節(jié)，多用戶信息傳輸沖突的仲裁通過預(yù)測性載波偵聽和多路訪問作出，具有沖突檢測和優(yōu)先級(jí)選擇功能。應(yīng)用比較廣泛的其他工業(yè)協(xié)議有： 1）可尋址遠(yuǎn)程傳感器通道HART2）過程現(xiàn)場總線Profibus由三部分組成：分布式外設(shè)DP，現(xiàn)場總線信息規(guī)范FMS和過程自動(dòng)化PA，不同的部分針對(duì)不同的應(yīng)用場合，因此Profibus應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。DP和FMS有兩種傳輸技術(shù)：一種是RS485，采用屏蔽雙絞線，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線形，傳輸距離為1200m；通信速率為12Mb/s時(shí)，傳輸距離為100m。每段最多節(jié)點(diǎn)數(shù)為32。另一種是采用光纜，用于電磁兼容性要求較高和長距離傳輸?shù)膱龊?。PA采用IEC11582傳輸技術(shù)，采用屏蔽雙絞線，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線形或樹形，傳輸距離為1900m，每段最多節(jié)點(diǎn)數(shù)為32，支持總線供電和本質(zhì)安全結(jié)構(gòu)。DP主要用于對(duì)時(shí)間要求苛刻的分散的外圍設(shè)備間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動(dòng)化，具有高效低成本的特征。PA主要用于工業(yè)流程自動(dòng)化，對(duì)安全性要求高和由總線供電的場合；FMS主要用于解決車間內(nèi)通用設(shè)備的通信任務(wù)。3）TOPazTOPaz能掌管高達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)并以1Mb/s的速度傳輸。當(dāng)傳輸距離大到1km時(shí)，這個(gè)速率將降低到500Kb/s。不止一個(gè)的主系統(tǒng)有決定權(quán)，并使用沖突仲裁標(biāo)記傳送，物理層使用EIA485接口。7. 辦公室與樓宇自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)有什么功能？答：辦公室與樓宇自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，在辦公室和樓宇的各個(gè)需要的部位安置有節(jié)點(diǎn)傳感器，節(jié)點(diǎn)傳感器的傳感信息隨環(huán)境而變，將狀態(tài)和信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送給能夠響應(yīng)這種改變的節(jié)點(diǎn)，由節(jié)點(diǎn)執(zhí)行器依據(jù)相關(guān)信息作出調(diào)整和動(dòng)作，例如斷開或關(guān)閉氣閥、改變風(fēng)扇速度、花木噴灌、能源使用監(jiān)視、啟動(dòng)防火開關(guān)、啟動(dòng)報(bào)警、故障自診斷、數(shù)據(jù)記錄、接通線路、傳呼通信、信號(hào)驗(yàn)證等等。8. 解釋家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成和應(yīng)用。答：家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于智能化住宅工程，接口有：電炊具、供暖、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)、熱水器、安全系統(tǒng)和照明，還有公用事業(yè)公司在家庭應(yīng)用方面的遠(yuǎn)程抄表和用戶設(shè)備管理，按照家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和執(zhí)行器運(yùn)行管理。9. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由哪幾部分組成？無線傳感器節(jié)點(diǎn)起什么作用？答：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)通信或衛(wèi)星通信網(wǎng)、監(jiān)控／管理中心、終端用戶組成。無線傳感器節(jié)點(diǎn)通過微型傳感器采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的環(huán)境或監(jiān)測對(duì)象的溫度、濕度、壓力、氣體、光照等信息，由嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合，再以多跳轉(zhuǎn)發(fā)的無線通信方式，把數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。10. 為了節(jié)省電池能量的消耗，無線傳感器節(jié)點(diǎn)要在工作和休眠之間切換。結(jié)合學(xué)過的傳感器知識(shí)，設(shè)想兩種工作和休眠狀態(tài)的切換方案。答：1）用光傳感器，可以實(shí)現(xiàn)白天工作，晚上休眠的切換。2）用溫度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)高溫時(shí)工作，低溫時(shí)休眠的切換。3）用濕度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)下雨時(shí)工作，天晴時(shí)休眠的切換。4）用煙霧傳感器，可以實(shí)現(xiàn)有煙霧時(shí)工作，無煙霧時(shí)休眠的切換。5）用氣體傳感器，可以實(shí)現(xiàn)有異常氣體時(shí)工作，無異常氣體時(shí)休眠的切換。11. 試設(shè)計(jì)一用于城市環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，畫出框圖，并解釋其工作原理。答：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為微機(jī)電、通信和傳感器三種技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居等領(lǐng)域。試設(shè)計(jì)的一個(gè)用于城市環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖所示。1）傳感器節(jié)點(diǎn)可以是單傳感器型，也可以是多傳感器型。2）匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)量和位置，應(yīng)按地理位置和無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋情況選取和安置。3）可以借助移動(dòng)通信網(wǎng)或單獨(dú)設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)傳輸。4）傳感器節(jié)點(diǎn)可用太陽能電池或紐扣電池供電，要采取工作、休眠切換節(jié)電措施。傳感器節(jié)點(diǎn)檢測的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)匯聚節(jié)點(diǎn)處理后，經(jīng)無線基站，發(fā)送到無線通信傳輸網(wǎng)絡(luò)交換中心，再經(jīng)有線或無線網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)傳送到城市環(huán)境監(jiān)測管理中心的計(jì)算機(jī)中心，處理后，傳送到有關(guān)單位用戶或廣播、短信通知個(gè)人用戶。32