【正文】 聯(lián)網(wǎng)感知層標(biāo)準(zhǔn) 化傳感器接口研討學(xué)會(huì)，推動(dòng)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化傳感器接口產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 （ 2）項(xiàng)目協(xié)作單位根據(jù)任務(wù)分工成立各自的課題小組，根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)合同書的要求認(rèn)真完成所承擔(dān)的研究任務(wù)。 （ 3）課題的總體技術(shù)方案實(shí)施前，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)同行專家進(jìn)行研討、技術(shù)評(píng)審，在充分吸收專家意見(jiàn)的基礎(chǔ)上確定總體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)分工，項(xiàng)目牽頭單位 XXXXX 與合作單位 WWWW 簽訂合同任務(wù)書，確定分工界面。 （ 5）項(xiàng)目組原則上每 2 個(gè)月召開一次會(huì)議，各課題負(fù)責(zé)人必須派課題相關(guān)人員 參加 ，并按照課題任務(wù)合同書要求，提交相關(guān)論文、專利、技術(shù)報(bào)告、平臺(tái)、軟件、重要實(shí)驗(yàn)測(cè) 試報(bào)告、調(diào)研報(bào)告等研究成果；并按照工信部要求參加現(xiàn)場(chǎng)的檢查、演示和展覽；課題組將主動(dòng)地定期向領(lǐng)域辦和專家組匯報(bào)課題的進(jìn)展情況，聽取指導(dǎo)意見(jiàn)。同時(shí)根據(jù)工信部有關(guān)要求和各單位完成任務(wù)情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理和調(diào)整。 技術(shù)路線 15 本項(xiàng)目在傳感器信號(hào)接口國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)基于嵌入式微處理器或數(shù)字信號(hào)處理芯片的標(biāo)準(zhǔn)化傳感器接口模塊；通過(guò)分析典型傳感器接入方式、接口類型，建立基于標(biāo)準(zhǔn)化傳感器接口模塊的接口中 間件和應(yīng)用中間件設(shè)計(jì)；在此基礎(chǔ)上，研究和開發(fā)傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)，以最終解決物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)感知層傳感器互換與即插即用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和跨平臺(tái)應(yīng)用。 按照傳感器信號(hào)接口國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分類，針對(duì)典型的傳感器 輸出接口 16 類型，列舉電流型、電壓型、電阻型和脈沖型傳感器標(biāo)準(zhǔn) 化接口模塊的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。根據(jù)傳感器信號(hào)接口國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電流型輸出傳感器的定義，電流輸出型傳感器分為 2 線制接口、 3線制接口和 4 線制接口類型，因此設(shè)計(jì)的電流型傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊滿足 上述情況的電流接入需求。 電 流 輸出 型 傳感 器I V轉(zhuǎn) 換單 元數(shù) 字處 理單 元信 號(hào)調(diào) 理單 元電 流 型 傳 感 器 標(biāo) 準(zhǔn) 化 接 口 模 塊接 口訪 問(wèn)單 元 圖 4電流型傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊結(jié)構(gòu)圖 其中 ， IV 轉(zhuǎn)換單元采用高精密型電阻陣列轉(zhuǎn)換電路組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能，便于后續(xù)單元的處理，也易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成處理；信號(hào)調(diào)理單元由信號(hào)匹配驅(qū)動(dòng)電路、分立器件濾波電路和專用儀表放大器構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行匹配處理、濾波處理以及放大處理，提高信號(hào)的測(cè)量有效性；數(shù)字處理單元采用 17 高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、集成式數(shù)字化濾波芯片以及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)理電壓信號(hào)的數(shù)字化處理，具體包括模數(shù) 轉(zhuǎn)化、數(shù)字濾波和基準(zhǔn)比較；控制單元由專用數(shù)字信號(hào)處理 IC 芯片、高穩(wěn)定度時(shí)鐘發(fā)生器以及時(shí)序邏輯電路組成，完成對(duì)整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊的功能分配、工作時(shí)序管理以及邏輯控制；接口訪問(wèn)單元?jiǎng)t由接口控制芯片和電平驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，提供了訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊數(shù)據(jù)處理結(jié)果的通道鏈路。根據(jù)傳感器信號(hào)接口國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓型輸出傳感器的定義，電壓輸出型傳感器分為對(duì)地信號(hào)形式接口和差模信號(hào)形式接口類型，因此設(shè)計(jì)的電壓型傳感 器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊滿足支持上述情況的電壓信號(hào)形式接入需求。 電 壓 輸出 型 傳感 器數(shù) 字處 理單 元電 壓信 號(hào)調(diào) 理單 元電 壓 型 傳 感 器 標(biāo) 準(zhǔn) 化 接 口 模 塊接 口訪 問(wèn)單 元 圖 5電壓型傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊結(jié)構(gòu)圖 其中 ， 信號(hào)調(diào)理單元由信號(hào)濾波電路、專用儀表放大器和可調(diào)式 18 增益電路構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理和放大處理，提高信號(hào)的測(cè)量有效性；數(shù)字處理單元采用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、集成式數(shù)字化濾波芯片以及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào) 理電壓信號(hào)的數(shù)字化處理，具體包括模數(shù)轉(zhuǎn)化、數(shù)字濾波和基準(zhǔn)比較；控制單元由高性能嵌入式精簡(jiǎn)指令集微處理器、高穩(wěn)定度時(shí)鐘發(fā)生器以及時(shí)序邏輯電路組成，完成對(duì)整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊的功能分配、工作時(shí)序管理以及邏輯控制；接口訪問(wèn)單元?jiǎng)t由接口控制芯片和電平驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，提供了訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊數(shù)據(jù)處理結(jié)果的通道鏈路。根據(jù)傳感器信號(hào)接口國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電阻型輸出傳感器的定義，電阻輸出型傳感器分為 2 線制接口、 3 線制接 口和 4 線制接口類型，因此設(shè)計(jì)的電阻型傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊滿足支持上述情況的電阻信號(hào)接入形式需求。 19 電 阻 輸出 型 傳感 器數(shù) 字處 理單 元電 阻信 號(hào)調(diào) 理單 元電 阻 型 傳 感 器 標(biāo) 準(zhǔn) 化 接 口 模 塊接 口訪 問(wèn)單 元 圖 6電 阻 型傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊結(jié)構(gòu)圖 其中 ， 信號(hào)調(diào)理單元由激勵(lì)源產(chǎn)生電路、信號(hào)濾波電路、補(bǔ)償電路以及專用儀表放大器構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)電阻型傳感器進(jìn)行激勵(lì)供 應(yīng)，并對(duì)相應(yīng)的激勵(lì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理、信號(hào)補(bǔ)償和放大處理，提高信號(hào)的測(cè)量有效性；數(shù)字處理單元采用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、集成式數(shù)字化濾波芯片以及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)理電壓信號(hào)的數(shù)字化處理，具體包括模數(shù)轉(zhuǎn)化、數(shù)字濾波和基準(zhǔn)比較；控制單元由高性能嵌入式精簡(jiǎn)指令集微處理器、高穩(wěn)定度時(shí)鐘發(fā)生器以及時(shí)序邏輯電路組成，完成對(duì)整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊的功能分配、工作時(shí)序管理以及邏輯控制；接口訪問(wèn)單元?jiǎng)t由接口控制芯片和電平驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，提供了訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊數(shù)據(jù)處理結(jié)果的通道鏈路。根據(jù)傳感器信號(hào)接口國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)脈沖型輸出傳感器的定義，脈沖輸出型傳感器分為頻率型脈沖形式接口和幅值型脈沖形式接口類型，因此設(shè)計(jì)的脈沖型傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊滿足支持上述情況的脈沖信號(hào)接入形式需求。 脈 沖 輸出 型 傳感 器脈 沖信 號(hào)處 理單 元脈 沖 型 傳 感 器 標(biāo) 準(zhǔn) 化 接 口 模 塊接 口訪 問(wèn)單 元 圖 7脈沖型 傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊結(jié)構(gòu)圖 其中 ， 脈沖信號(hào)處理單元由脈沖信號(hào)濾 波電路、可調(diào)式增益放大電路、脈沖捕獲電路以及脈沖觸發(fā)計(jì)數(shù)器構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波處理、放大處理、脈沖檢測(cè)以及脈沖發(fā)生計(jì)數(shù)處理；控制單元由可編程邏輯門陣列、高穩(wěn)定度同步時(shí)鐘發(fā)生器以及時(shí)序邏輯驅(qū)動(dòng)電路組成，完成對(duì)脈沖型傳感器的接口配置、工作時(shí)序管理以及邏輯控制；接口訪問(wèn)單元?jiǎng)t由接口控制芯片和電平驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，提供了訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊數(shù)據(jù)處理結(jié)果的通道鏈路。 針對(duì)研究?jī)?nèi)容 2：傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊中間件設(shè)計(jì) 在傳感器數(shù)據(jù)接口國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口 21 模塊中間件，通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)化中間件訪問(wèn)接口或標(biāo)準(zhǔn)化中間件集成庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊能夠快速的對(duì)接入不同輸出類型的傳感器進(jìn)行識(shí)別、配置、校準(zhǔn)和狀態(tài)檢測(cè)等，從而為傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊在集成應(yīng)用設(shè)計(jì)中提供規(guī)范化的配置過(guò)程和標(biāo)準(zhǔn)化的接口管理。 ? 通道配 置中間件 通道配置中間件用于實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型傳感器接入到傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊不同通道時(shí)的配置工作，具體包括通道地址分配、通道采樣速率設(shè)定、通道濾波截止頻率設(shè)置等。 ? 故障檢測(cè)中間件 故障檢測(cè)中間件用于實(shí)現(xiàn)傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊對(duì)傳感器工作狀態(tài)的檢測(cè)，以判斷當(dāng)前接入傳感器是否工作于正常狀態(tài)，具體包括故障提示信息、故障源分析以及可參考的故障診斷結(jié)果。 基于實(shí)際的應(yīng)用任務(wù)和場(chǎng)景模式分析，可配置多目標(biāo)參數(shù)智能 終端終端 需要實(shí)現(xiàn)如下的兩個(gè)功能： ? 實(shí)現(xiàn)多類型傳感器接入 智能終端需要能實(shí)現(xiàn)對(duì)多類型傳感器接入的電氣規(guī)范一致性匹配以及通用適配處理過(guò)程，同時(shí)能完成對(duì)接入傳感器的通道配置和校準(zhǔn)等任務(wù)。 為了滿足上述功能需求，智能終端采用了專用集成芯片（ ASIC）為體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖所示。 23 圖 8 可配置多目標(biāo)參數(shù)智能終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ? 傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊 采用研究?jī)?nèi)容 1 研究?jī)?nèi)容 2 技術(shù)路線設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決多種類型傳感器接入數(shù)據(jù)采集模塊的信號(hào)接口和數(shù)據(jù)接口匹配問(wèn)題。 ? 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)處理模塊采用專用數(shù)字信號(hào)處理芯片和數(shù)字濾波電路構(gòu)成，完成對(duì)數(shù)據(jù)的數(shù)字化濾波處理、數(shù)值分析以及模塊校準(zhǔn)等任務(wù)。采用 ASIC設(shè)計(jì)可有效減小數(shù)據(jù)采集終端體積，同時(shí)達(dá)到高性能的計(jì)算處理能力，從而完成一些復(fù)雜矢量級(jí)數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。 ? 同步時(shí)鐘模塊 同步時(shí)鐘模塊采用高精度和高穩(wěn)定型有源晶體發(fā)生器組成，為整個(gè)系統(tǒng)的工作提供統(tǒng)一的時(shí)鐘參考源，保證系統(tǒng)的有序運(yùn)行。 ? 可 重配置接口模塊 可重配置接口模塊采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（ FPGA）芯片和電平驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，通過(guò)使用 FPGA 可根據(jù)應(yīng)用接口形式進(jìn)行編程模擬或下載相應(yīng)總線組件庫(kù)產(chǎn)生，并通過(guò)電平驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換為符合網(wǎng)絡(luò)總線傳輸?shù)碾姎馓匦裕罱K實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端在多任務(wù)目標(biāo)參數(shù)環(huán)境中的應(yīng)用。該應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)具有對(duì)智能終端的自動(dòng)識(shí)別、配置等功能，整個(gè)終端應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如下所示。 ? 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 存儲(chǔ)滿足接口標(biāo)準(zhǔn)的傳感數(shù)據(jù)描述文件及其標(biāo)準(zhǔn)符合性檢查，管理傳感數(shù)據(jù)描述文件、接口標(biāo)準(zhǔn)配置結(jié)果、平臺(tái)用戶權(quán)限管理、設(shè)備狀態(tài)管理等。 ? 標(biāo)準(zhǔn)化組件庫(kù) 標(biāo)準(zhǔn)化組件庫(kù)具體 包括 標(biāo)準(zhǔn) 接口數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)組件、 標(biāo)準(zhǔn) 接口界面操縱組件、傳感器系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境組件、傳感數(shù)據(jù)仿真模型組件以及與傳感器模塊相關(guān)的數(shù)據(jù)采集和處理組件等。 （ 2） 標(biāo)準(zhǔn) 接口界面操作組件：完成標(biāo)準(zhǔn)配置的用戶交互功能，包括傳感數(shù)據(jù)描述文件的輸入輸出、人工配置用例的選擇、自動(dòng)配置用例的產(chǎn)生、與接口組件與中間件交互、完成配置命令及結(jié)果的發(fā)送和獲取，給出接口標(biāo)準(zhǔn)的符合性程度等。 基于可配置多目標(biāo)參數(shù)智能終端，終端應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，獲得符合應(yīng)用需求的標(biāo)準(zhǔn)化配置傳感器數(shù)據(jù)描述文件，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的傳感數(shù)據(jù)描述，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用開 發(fā)平臺(tái)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)化組件庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能目標(biāo)。 ? 土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)終端 近年來(lái)，由于農(nóng)藥、化肥的大量使用， 大田環(huán)境中的土壤環(huán)境逐漸受到污染，為此，對(duì)大田作物賴以生存的土壤土質(zhì)監(jiān)測(cè)是 保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全 的重要環(huán)節(jié)。因此如何有效地對(duì)大田土壤土質(zhì)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)是難點(diǎn)之一。 土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)終端 的 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)如 下 圖所示。 土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)終端內(nèi)置的傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊提供了對(duì)以上不同信號(hào)輸出類型 土壤環(huán)境監(jiān)測(cè) 傳感器的支持，使得傳感器 的接入方式標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。同時(shí)，由于氣象變化無(wú)常， 農(nóng)作物 經(jīng)常受到旱澇的威脅。在大田環(huán)境中，農(nóng)作物分布廣，耕種土地面積大，水質(zhì)分布的情況不均勻，如果采用人工方式來(lái)監(jiān)測(cè)大田土壤土質(zhì)狀況，不僅浪費(fèi)人力和時(shí)間，而且監(jiān)測(cè)效果不佳。 為此，本項(xiàng) 目 基于多目標(biāo) 參數(shù)智能終端，通過(guò)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行配置，研發(fā)一種農(nóng)用水質(zhì)監(jiān)測(cè) 終端，該終端能夠通過(guò)內(nèi)置的傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊與實(shí)現(xiàn)水位、水質(zhì)、 Ph值等 水質(zhì) 監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)接，讀取水質(zhì)參數(shù)， 構(gòu)建一個(gè)大田農(nóng)用水質(zhì)信息監(jiān)測(cè) 系統(tǒng) 。 溫 度傳 感 器接 口 模 塊 接 口 模 塊 接 口 模 塊水 位傳 感 器P h 值傳 感 器傳 感 器 標(biāo) 準(zhǔn) 化 接 口 模 塊接 口 模 塊水 質(zhì)傳 感 器應(yīng) 用 總 線 接 口 模 塊主 控 制 單 元時(shí) 鐘 模 塊數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ)電 源 模 塊通 道 訪 問(wèn)農(nóng) 用 水 質(zhì) 監(jiān) 測(cè)終 端 圖 12農(nóng)用水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端結(jié)構(gòu)圖 30 其中，水分溫度傳感器用于測(cè)量大田農(nóng)用水質(zhì)的水分溫度；水位傳感器用于測(cè)量大田農(nóng)用水質(zhì)的水分含量； Ph 值傳感器用于檢測(cè)大田農(nóng)用水質(zhì)的酸堿度；水質(zhì)傳感器用于檢測(cè)水分元素含量，如溶氧、鹽度、 TDS、 ORP、海水比重、以及硝酸銀、氯化物等成分。 ? 農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警終端 農(nóng)業(yè)種植受農(nóng)業(yè)氣象條件的影響很大，例如當(dāng)遭遇暴風(fēng)雨等這樣惡劣天氣時(shí)，會(huì)極易對(duì)蔬菜、水果、茶葉、水稻和玉米等形成毀滅性的損害，不僅給當(dāng)?shù)氐牟宿r(nóng)、果農(nóng)和茶農(nóng)造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失，而且還直接對(duì)人們的生命構(gòu)成威脅。由于區(qū)域性差別較大，此外即便在同一區(qū)域內(nèi) 的不同地理位置，氣象影響的災(zāi)害程度也不盡相同，如果采用人工方式來(lái)建立農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警，不僅浪費(fèi)人力和時(shí)間，而且預(yù)警效果不佳。 為此，本項(xiàng)目基于多目標(biāo)參數(shù)智能終端，通過(guò)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行配置，研發(fā)一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警終端，該終端能夠通過(guò)內(nèi)置的傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊與實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、雨量、能見(jiàn)度和空氣溫濕度傳感器對(duì)接，構(gòu)建一個(gè)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。 農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警終端內(nèi)置的傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊提供了對(duì)以上不同信號(hào)輸出類型農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測(cè)傳感器的支持，使得傳感器的接入方式標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。 項(xiàng)目進(jìn)度安排 3