【正文】 3）用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個MEMS，再切割封裝成產品，批量生產可大大降低成本；4）可把多種功能的器件集成在一起，形成復雜的微機電系統(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絡，與同相放大器組成了振蕩器。振蕩頻率等于相鄰叉指對之間的距離M的兩倍的倒數(shù)。 若環(huán)境溫度改變，則M值會隨之改變，振蕩信號頻率就會改變。用頻率計測得頻率的變化Δf，由計算機計算可獲得溫度的變化ΔT。 ΔT＝kΔf／f0 習題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會（IEEE）在1998年通過了智能傳感器的定義，即“除產生一個被測量或被控量的正確表示之外，還同時具有簡化換能器的綜合信息以用于網絡環(huán)境的功能的傳感器”。但不少專家認為，未來的智能傳感器所包含的內容要豐富得多。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，而且在邏輯層面上對信號進行分析、處理、存儲和通信，相當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. 人的智能是如何實現(xiàn)的？它的3層結構分別是什么器官？如何工作？答：人類的智能是基于即時獲得的信息和原先掌握的知識。人類的智能能辨識目標是否正常，能預測災難，能知道環(huán)境是否安全和舒適，能探測或辨別復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相結合（大腦－中間層）而歸納（大腦－頂層）的概念。所以說，人類的智能是實現(xiàn)了多重傳感信息的融合并且把它與人類積累的知識結合了起來。3. 智能傳感器的3種實現(xiàn)途徑是什么？試舉例說明。答：1）利用計算機合成（智能合成）；利用計算機合成的途徑即智能合成是最常見的，利用計算機對測溫數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理的智能紅外測溫儀，就是它的一個例子。這種智能傳感器稱為計算型智能傳感器。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，其結構形式表現(xiàn)為傳感器與特殊功能的材料的結合，以增強檢測輸出信號的選擇性。其工作原理是用具有特殊功能的材料（也叫做智能材料）來對傳感器檢測輸出的模擬信號進行辨別，僅僅選擇出有用的信號輸出，對噪音或非期望效應則通過特殊功能進行抑制。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典型例子。3）利用功能化幾何結構（智能結構）；功能化幾何結構的途徑是將傳感器做成某種特殊的幾何結構或機械結構，對傳感器檢測的信號的處理通過傳感器的幾何結構或機械結構實現(xiàn)。凸透鏡或凹透鏡是最簡單的，不同媒質間表面折射和反射的應用例子。只有來自目標空間某一定點的發(fā)射光，才能被投射在圖像空間的一個定點上；而影響該空間點發(fā)射光投射結果的其它點的散射光，投射效應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，試設計幾個傳感器與執(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，經過大腦對信息處理后，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、雙金屬溫度觸點開關等，是傳感器與執(zhí)行器合成的器件。5. 舉一個計算型智能傳感器的例子，畫出組成框圖，并解釋計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，在一個管殼內封裝了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，自動開始測量或改變測量頻率。采用Motorola公司生產的68HC11單片機，含內存、8位A／D轉換、時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，啟動加速度計陣列。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加速度計陣列MCU68HC116. 試設計一個具有自學習能力的智能傳感器，解釋自學習過程。存儲器答：如圖所示。字庫打印機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自學習能力的智能傳感器。CPU要對手寫輸入筆書寫的字體與字庫存儲的字進行對照學習，然后存入存儲器。以后就能識別該手寫字體，對手寫輸入進行正確識別、存儲和打印。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基本傳感器空間和時間上的復合應用和設計，常稱為多傳感器復合。多傳感器融合能在最短的時間內獲得大量的數(shù)據(jù)，實現(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)是用計算機對多個基本傳感器的檢測數(shù)據(jù)，在一定準則下進行分析、綜合、支配和使用，獲得對被測對象的一致性解釋與描述，形成相應的決策和估計。8. 什么是模糊傳感器？如何通過溫度基本傳感器實現(xiàn)模糊溫度符號輸出？答：模糊傳感器是智能傳感器的一種，是以數(shù)值量為基礎，產生被測量狀態(tài)的模糊符號信息的傳感器。通過溫度基本傳感器實現(xiàn)模糊溫度符號輸出的大致步驟為1）在溫度基本傳感器的溫度測量值集合上選取有限幾個“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表示，生成模糊語言符號集合；3）再把溫度基本傳感器的每一個溫度測量值，分別選擇模糊語言符號集合中的最相近，最合適的模糊語言符號來表述。習題111. 分布式傳感器網絡系統(tǒng)與單個傳感器的用途有什么不同？答：傳感器網絡可以實施遠程采集數(shù)據(jù)，并進行分類存儲和應用。傳感器網絡上的多個用戶可同時對同一過程進行監(jiān)控。不同任務的傳感器、儀器儀表（執(zhí)行器）與計算機一旦組成網絡，即可憑借智能化軟硬件(諸如模式識別、神經網絡的自學習、自適應、自組織和聯(lián)想記憶功能)，靈活調用網上各種計算機、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，完成各種形式、各種要求的任務。2. 數(shù)量巨大的傳感器加入Internet互聯(lián)網絡會產生什么樣的功能？試設計一種傳感器加入Internet網絡互聯(lián)，解釋其使用。答：若將數(shù)量巨大的傳感器加入互聯(lián)網絡，則可以將互聯(lián)網延伸到更多的人類活動領域。數(shù)十億個的傳感器將世界各地連接成網，能夠跟蹤從天氣、設備運行狀況到企業(yè)商品庫存等各種動態(tài)事務，從而極大地擴充互聯(lián)網的功能。如圖所示，智能醫(yī)療房間加入Internet網絡互聯(lián)，使用微塵（微型傳感器節(jié)點）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小時的活動狀況，通過Internet互聯(lián)網絡傳送到醫(yī)院醫(yī)護中心。 3. 。答：圖中所示為多個傳感器和一臺單片機組成的智能傳感器——氣象參數(shù)測試儀。光照、溫度、氣壓、煙霧、聲音等由不同的傳感器轉換為電量，經A/D變換后輸入單片機，由單片機根據(jù)原存儲的參照信息進行計算處理，得出氣象情況判斷，交顯示器顯示和灑水機、空調機等執(zhí)行設備前去執(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?。答：?shù)據(jù)鏈路層2）決定哪條路徑通過通信子網絡。答：網絡層3）提供端到端的服務。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)器將光信號轉換為電信號。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：應用層5. 汽車網絡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，初衷是應用于汽車內部測量和執(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域中的過程監(jiān)測和控制，特別是工業(yè)自動化的低層監(jiān)控，解決控制與測試之間的可靠和實時的數(shù)據(jù)交換。CAN是一種多用戶協(xié)議，它允許任何網絡節(jié)點在同一網絡上與其他節(jié)點通信，傳輸速率范圍為5Kb/s～1Mb/s。CAN利用載波監(jiān)聽、多路復用來解決多用戶的信息沖突，使最高優(yōu)先級信息在最低延遲時間下得以傳輸。此外靈活的系統(tǒng)配置允許用戶選擇，導致了CAN系統(tǒng)在自動化及工業(yè)控制上的應用。CAN的物理傳輸介質包括屏蔽或非屏蔽的雙絞線、單股線、光纖和耦合動力線，一些CAN系統(tǒng)的用戶已在進行射頻傳送的研制。6. 工業(yè)網絡有哪一些協(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)應用領域所采用與推崇，CAN協(xié)議通信網絡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)標準。LonTalkTM協(xié)議定義了OSI模型中的所有七個層。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測性載波偵聽和多路訪問作出，具有沖突檢測和優(yōu)先級選擇功能。應用比較廣泛的其他工業(yè)協(xié)議有： 1）可尋址遠程傳感器通道HART2）過程現(xiàn)場總線Profibus由三部分組成：分布式外設DP，現(xiàn)場總線信息規(guī)范FMS和過程自動化PA，不同的部分針對不同的應用場合，因此Profibus應用領域十分廣泛。DP和FMS有兩種傳輸技術：一種是RS485，采用屏蔽雙絞線，拓撲結構為總線形，傳輸距離為1200m；通信速率為12Mb/s時，傳輸距離為100m。每段最多節(jié)點數(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)膱龊稀A采用IEC11582傳輸技術，采用屏蔽雙絞線，拓撲結構為總線形或樹形，傳輸距離為1900m，每段最多節(jié)點數(shù)為32，支持總線供電和本質安全結構。DP主要用于對時間要求苛刻的分散的外圍設備間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化，具有高效低成本的特征。PA主要用于工業(yè)流程自動化，對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通用設備的通信任務。3）TOPazTOPaz能掌管高達255個節(jié)點并以1Mb/s的速度傳輸。當傳輸距離大到1km時，這個速率將降低到500Kb/s。不止一個的主系統(tǒng)有決定權，并使用沖突仲裁標記傳送，物理層使用EIA485接口。7. 辦公室與樓宇自動化網絡有什么功能？答：辦公室與樓宇自動化網絡，在辦公室和樓宇的各個需要的部位安置有節(jié)點傳感器，節(jié)點傳感器的傳感信息隨環(huán)境而變，將狀態(tài)和信息通過網絡傳送給能夠響應這種改變的節(jié)點，由節(jié)點執(zhí)行器依據(jù)相關信息作出調整和動作，例如斷開或關閉氣閥、改變風扇速度、花木噴灌、能源使用監(jiān)視、啟動防火開關、啟動報警、故障自診斷、數(shù)據(jù)記錄、接通線路、傳呼通信、信號驗證等等。8. 解釋家庭自動化網絡系統(tǒng)的組成和應用。答：家庭自動化網絡系統(tǒng)用于智能化住宅工程，接口有：電炊具、供暖、通風、空調系統(tǒng)、熱水器、安全系統(tǒng)和照明，還有公用事業(yè)公司在家庭應用方面的遠程抄表和用戶設備管理，按照家庭自動化網絡協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信和執(zhí)行器運行管理。9. 無線傳感器網絡由哪幾部分組成？無線傳感器節(jié)點起什么作用？答：無線傳感器網絡由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、移動通信或衛(wèi)星通信網、監(jiān)控／管理中心、終端用戶組成。無線傳感器節(jié)點通過微型傳感器采集網絡分布區(qū)域內的環(huán)境或監(jiān)測對象的溫度、濕度、壓力、氣體、光照等信息，由嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理，還要對其他節(jié)點轉發(fā)的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合，再以多跳轉發(fā)的無線通信方式，把數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點。10. 為了節(jié)省電池能量的消耗，無線傳感器節(jié)點要在工作和休眠之間切換。結合學過的傳感器知識，設想兩種工作和休眠狀態(tài)的切換方案。答：1）用光傳感器，可以實現(xiàn)白天工作，晚上休眠的切換。2）用溫度傳感器，可以實現(xiàn)高溫時工作，低溫時休眠的切換。3）用濕度傳感器，可以實現(xiàn)下雨時工作，天晴時休眠的切換。4）用煙霧傳感器，可以實現(xiàn)有煙霧時工作，無煙霧時休眠的切換。5）用氣體傳感器，可以實現(xiàn)有異常氣體時工作，無異常氣體時休眠的切換。11. 試設計一用于城市環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網絡，畫出框圖，并解釋其工作原理。答：無線傳感器網絡作為微機電、通信和傳感器三種技術相結合的產物，廣泛應用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、健康護理、智能家居等領域。試設計的一個用于城市環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網絡如圖所示。1）傳感器節(jié)點可以是單傳感器型，也可以是多傳感器型。2）匯聚節(jié)點數(shù)量和位置，應按地理位置和無線網絡信號覆蓋情況選取和安置。3）可以借助移動通信網或單獨設置無線網絡進行信號傳輸。4）傳感器節(jié)點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)點檢測的環(huán)境數(shù)據(jù)經匯聚節(jié)點處理后，經無線基站，發(fā)送到無線通信傳輸網絡交換中心，再經有線或無線網絡、Internet網傳送到城市環(huán)境監(jiān)測管理中心的計算機中心，處理后，傳送到有關單位用戶或廣播、短信通知個人用戶。32