智能传感器节点身份识别与故障处理方法研究

罗亚军，孙兴林，郑森炎

(浙江大学 生物医学工程与仪器科学学院，浙江 杭州310027)

0 引 言

随着嵌入式系统的发展，智能传感器(intelligent sensor，or smart sensor)已经成为当今传感器技术的一个主要发展方向［1］，它由普通传感器、微处理器和相关的电路构成，具有自补偿、自校准、自诊断、数值处理和双向通信等特点［2，3］。目前，智能传感器已经广泛应用于航空、航天、国防、科技和工农业生产等各个领域中，但在虚拟化、网络化、高速数据传输等方面仍有着较大的研究空间［4］。

一种总线分布式的高速数据采集系统由通用的主控平台和大数据量的智能传感器节点构成，在不同的工业现场，可以将不同的智能传感器通过高速数据传输总线与主控平台进行连接，快速搭建出针对各种应用的传感器网络，缩短研发周期，并降低成本。这些智能传感器节点来自于不同的生产厂家，能够采集不同的物理量，在接口、功耗、数据量、实时性等方面也提出了不一样的要求，既丰富了数据采集系统的功能，也增加了设备管理的难度。由于大数据量和高实时性的要求，单凭数据传输总线已经无法实现自身的管理功能，因此，针对多样化、大数据量的智能传感器节点进行统一身份识别，快速检测并处理节点的故障，成为当前必须解决的问题。

Md Sajjad Rahaman 等人［5］设计了一种通用传感器接口，对数据传输总线进行改造，解决了一些低速传感器接口适配问题;王全［6］提出了智能传感器的软硬件通用设计，来解决矿用检测系统的通用性与扩展性问题;张粤等人［7］在环境监测系统中，研究了无线智能传感器节点的管理，提高了无线组网的灵活性。然而，目前并没有一种简单而有效的方法能够在不影响数据采集系统的实时性的前提下，解决大数据量智能传感器节点的身份识别和故障处理的难题。基于此，本文提出一种实用的解决方案。

1 智能传感器节点的管理方案

在图1 所示的高速数据采集系统中，主控平台是系统的控制中心，用于多传感器数据融合、存储和处理，并与远程上位机进行通信;智能传感器节点是根据实际应用进行定制和扩展的，可以测量温度、压力、流量、速度等多种物理量;数据传输总线是智能传感器节点与主控平台通信的桥梁，用于传达控制命令和大量的传感器数据，是一条高速的互联总线。

图1 智能传感器节点的管理方案Fig 1 Management scheme of smart sensor nodes

为了保证数据采集系统的实时性和可靠性，节点的管理不能依赖于高速繁忙的数据传输总线，可以用一条低成本、可靠、独立的管理总线来负责状态信息的接收和发送。如图1 所示，将一种简单通用的管理单元分布在每一个智能传感器节点中，它携带了节点的身份信息，也具备电源控制的能力，通过管理总线互联，即可实现对智能传感器节点的身份识别和故障处理功能。

2 智能传感器节点的身份识别

由于智能传感器网络是开放式的，必须引入统一的身份管理机制，一个新的传感器节点要成为数据采集系统的一部分，必须先通过身份识别，主控平台在获取了该节点的身份信息之后，才能下载或配置相应的驱动程序进行操作，实现资源的统一调配。

表1 是智能传感器节点的管理单元所包含的身份信息，其中，厂商ID、版本号、出厂序列号、设备类型，以及功耗等级为静态身份信息，描述的是智能传感器节点的固有属性，从节点中读取出来之后存储在管理单元中，并且设定为禁止修改的属性。在这里，设备类型涵盖了各种不同的传感器种类，如温度/湿度传感器、流量/质量传感器、速度/加速度传感器、位置/位移传感器等，主控平台可根据设备类型来选择合适的高速总线驱动方式和数据处理方式;功耗等级反映的是智能传感器节点中的元器件总功率，是额定工作状态下的参考值。其余的字段均为动态信息，描述的是该节点在传感器网络中的实时状态，如设备ID 是由主控平台统一分配的，它是区分传感器网络节点身份的唯一标志;数据采集优先级不同于总线仲裁优先级，它从应用层的角度定义了智能传感器节点数据采集的实时性要求、数据量大小，以及数据的重要程度;实时功耗可以通过管理单元检测出来，反映了该节点的工作负荷与电源使用情况，用于节点的安全性能分析。此外，还有状态码信息、故障累计次数和持续正常工作时间，以便于主控平台对智能传感器节点的稳定性与可靠性进行全面的评估。

表1 智能传感器节点身份信息Tab 1 Identity information of smart sensor nodes

在主控平台中保存一个注册表，存储智能传感器网络中所有节点的身份信息。身份识别可以用四次握手的过程来实现，如图2 所示，主控平台通过管理总线向该节点请求身份信息，智能传感器节点的管理单元收到请求之后，将厂商ID、版本号、出厂序列号、设备类型、功耗等级以及设备ID 返回给主控平台，在主控平台中将这些信息与原有的注册表进行对比，如果不相等，则视为新的智能传感器节点，通知主控平台的操作系统配置相应的驱动程序，一旦配置成功，则为该节点生成一个新的设备ID，并把它的身份信息添加到注册表，同时将设备ID、电流监控阈值等重要参数发送给智能传感器节点的管理单元，完成对该节点的初始化。然后由智能传感器节点管理单元向主控平台返回一个“设备就绪”的通知来完成注册。当移除一个智能传感器节点，需要清除它的注册表信息，主控平台卸载该节点的驱动程序，并通知该节点的管理单元切断电源，降低系统功耗，保证传感器安全。

3 智能传感器节点的故障处理

图2 身份识别的四次握手过程Fig 2 Four-time handshake process of identification

智能传感器节点常见的故障是短路，会对数据采集系统的安全造成威胁，因此，拥有故障处理机制对系统的可靠性至关重要。不同的智能传感器节点对电源的需求不一样，管理单元可以根据身份信息中的功率等级参数Power－Rate 来设定监控阈值TH1 和TH2，其中，TH1 为额定工作电流，TH2 为短路保护的阈值。通过管理单元的电源检测电路获得实时电流，当大于TH1 时提高监测的频率，一旦超过TH2，则立刻切断电源，防止智能传感器节点的短路损坏，并通过管理总线向主控平台汇报故障信息。

除了供电故障，智能传感器节点还可能出现其它的异常情况。管理单元通过简单的串行通信方式定期获取智能传感器节点的状态信息，包括数据采集接口的状态(如休眠、采样、中断、异常、其它)和数据传输总线的工作状态(如空闲、发送、接收、异常、其它)存储在状态码中，一旦接收到异常信号，立即通过管理总线通知主控平台，并采取短时等待、强制中断、远程复位、断电重启等一系列措施使智能传感器节点恢复正常。此外，对于故障累计次数过多的节点，也要通知主控平台，并且强制切断电源，保证系统的安全。智能传感器节点的故障处理方法如图3 所示。

图3 智能传感器节点故障处理方法Fig 3 Fault handling method of smart sensor nodes

4 实验验证

为了验证上述方法的可行性，设计了一个管理单元的实例应用在高速数据采集系统中。传统的监控设备多采用RS—232 和RS—485 等方式，实时性、扩展性和可靠性较差［8］。控制器局域网(controller area network，CAN)是一种开放式的现场总线［9］，它具有良好的实时性和可靠性，在控制成本、提高性能以及产品升级等方面具有很大的优势［10］。因此，设计了一个基于CAN 总线的管理系统对该方法进行验证。

管理单元的结构如图4 所示，微控制器采用Microchip公司的dsPIC30F6012A，它具有丰富的外设接口，能够大大简化硬件电路的设计，通过一个电流检测和开关控制电路对智能传感器节点的电源进行监控，利用UART，I2C，SPI，通用I/O 口等任意一种方式读取节点的工作状态。将管理单元分布在每个智能传感器节点的电源入口处，通过一组CAN 总线互连通信，实现管理消息的传输。为了查看实验结果，将主控平台管理单元的UART 通过电平转换后与上位机连接，在上位机使用串口调试助手显示相关信息。智能传感器节点通过四次握手的方式完成了身份识别，部分测试结果如表2 所示，其中，设备ID 是主控平台为智能传感器节点分配的统一识别码，设备类型用于区分传感器的种类，不同设备类型的节点，其功耗等级也不一样，可根据功耗等级来设置电流阈值，用于节点的电源监控。如设备ID 为0x05 的传感器节点，其设备类型是0xB6，代表该节点是一个多通道RS－485 数据采集前端，管理单元读出功耗等级为62，按照线性映射的关系设置电流阈值为1.24 A，当检测到实时电流大于阈值电流，立即采取了关断措施进行保护，并把故障信息通知给主控平台。实验证明:该方法对智能传感器节点的身份识别准确，对故障的处理迅速可靠，保证了数据采集系统的安全性。

图4 通过测试的管理单元设计实例Fig 4 Verified instance of management units

表2 节点身份识别与电流检测结果Tab 2 Results of identification and current detection

5 结 论

本文以一种可扩展的高速数据采集系统为背景，立足于解决主控平台下多样化智能传感器节点不识别、不兼容、不可靠、发生故障威胁整个网络的安全等问题，提出了一种针对智能传感器节点的身份识别与故障处理方法。该方法研究了不同智能传感器的特征属性，通过四次握手的方式完成新节点的注册;检测到故障之后，尝试各种方式进行恢复，采取局部断电的措施是保证系统安全最直接、最可靠的方式。为了对该方法进行验证，设计了一种基于CAN 总线的管理单元，经测试，能够实现智能传感器节点的身份识别、电源监控、故障处理等多项功能。这种方案的优点在于，维持了高速数据采集系统原有的结构，不影响数据传输总线的工作效率，且结构简单，性能稳定，大大提高了数据采集系统的兼容性，对于大数据量的智能传感器节点的扩展尤为适用。

［1］ 赵 丹，肖继学，刘 一.智能传感器技术综述［J］.传感器与微系统，2012，33(9):4－7.

［2］ 尹寄明.基于CAN 总线的智能传感器开发与应用技术研究［D］.南京:南京航空航天大学，2006.

［3］ Zhang Yong，Gu Yikang，Vlatkovic Vlatko，et al.Progress of smart sensor and smart sensor networks［C］∥Proceedings of the 5th World Congress on Intelligent Control and Automation，Hangzhou，China，2004:3600－3606.

［4］ 孙圣和.现代传感器发展方向［J］.电子测量与仪器学报，2009，23(1):1－10.

［5］ Md Sajjad Rahaman，Masud H Chowdhury，Irfan Nasir，et al.VSIB:A sensor bus architecture for smart－sensor network［C］∥2009 World Congress on Computer Science and Information Engineering，Los Angeles，American，2009:436－439.

［6］ 王 全.基于M－Bus 总线的矿用智能传感器网络的研究［D］.青岛:山东科技大学，2011.

［7］ 张 粤，倪桑晨，倪 伟.基于智能传感器网络的环境信息监测系统设计［J］.传感器与微系统，2012，31(2):140－145.

［8］ 王晓英，罗红波.基于CAN 总线的高低温试验箱监控系统［J］.微计算机信息，2005，21(5):26－27.

［9］ Chen Hanxing，Tian Jun.Research on the controller area network［C］∥2009 International Conference on Networking and Digital Society，Guiyang，China，2009:251－254.

［10］Mohd Sharil b Salleh，Herdawatie bt Abd Kadir，Mohd Helmy bin Abd Wahab.A modular controller area network vision system using programmable interface controller［C］∥2008 International Conference on Electronic Design，Penang，Malaysia，2008:1－4.