傳感器與檢測技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用

張植超

貴州六廣建設(shè)工程有限公司

摘要：本文主要討論了適用傳感器、遙測技術(shù)等的低功耗、低頻帶的無線內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，解釋了現(xiàn)代建筑控制系統(tǒng)主要取決于擁有快速而精確的傳感器，提出了未來智能辦公樓的感知用戶接口的關(guān)鍵問題；在安全和保障領(lǐng)域分析了改進(jìn)建筑場所安全性的新的傳感系統(tǒng)和技術(shù)，希望為提高建筑工程的舒適性、可靠性、安全性提供參考。

關(guān)鍵詞：傳感器檢測技術(shù)；智能建筑；自動化

前言

現(xiàn)代建筑中，尤其是智能建筑中的家庭設(shè)施、安全及能量控制需要機(jī)械的、化學(xué)的以及生物的多種類型的傳感器。并且這些傳感器系統(tǒng)也在朝著高性能的傳感器、新型傳感器、集成化、低成本的方向發(fā)展。同時(shí)建筑內(nèi)的電器設(shè)施也可直接連接到外部網(wǎng)絡(luò)（如因特網(wǎng)、局域電信網(wǎng)）或住宅區(qū)網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、診斷及管理，從而提高服務(wù)的效率，降低交通費(fèi)用。

1現(xiàn)代建筑工程中傳感器系統(tǒng)的需求

特殊用途的傳感器的開發(fā)要求對傳感器設(shè)備、技術(shù)、信號處理以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行正確的選擇。因此，傳感器系統(tǒng)的新發(fā)展從這些領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)的不斷進(jìn)步中受益。

對現(xiàn)代化智能建筑傳感器系統(tǒng)的發(fā)展來說，應(yīng)當(dāng)考慮到被端用戶接受的基本先決條件。由于在整個(gè)樓宇的自動化控制中，使用大量的傳感器，對成本及支出的考慮十分重要。用戶不愿被迫為系統(tǒng)的購買付過高的費(fèi)用，或者在運(yùn)行期間受到麻煩的維護(hù)過程的困擾。為此，在必要部件的選擇和開發(fā)時(shí)要考慮到許多方面。傳感器系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)總體上滿足許多要求，比如：低成本、小型化、安裝簡易、運(yùn)行簡易且成本低等。

對大多數(shù)應(yīng)用而言，為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)主要功能，同時(shí)需使用若干傳感器。因此，在多傳感器模型中集成型傳感器更為合適，這可由微系統(tǒng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，從而，制造成本和安裝成本都顯著減少。

低成本運(yùn)行不僅涉及降低功耗，還包括高可靠性和長期穩(wěn)定性，這大大減少了維護(hù)成本。通過使用微系統(tǒng)技術(shù)、周期性操作模式以及對單獨(dú)系統(tǒng)部分的操作模式進(jìn)行管理，傳感器系統(tǒng)在運(yùn)行期間的能耗可大大降低。

2傳感器與檢測技術(shù)在建筑機(jī)電一體化體系中的應(yīng)用分析

2.1傳感器在樓宇自控系統(tǒng)的應(yīng)用

（1）基于路由的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)要求了數(shù)據(jù)在從源節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點(diǎn)（簡稱 節(jié)點(diǎn)）的過程中，中間節(jié)點(diǎn)要根據(jù)數(shù)據(jù)的內(nèi)容，對來自多個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合操作，以降低信息冗余，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，達(dá)到節(jié)能的目的。為此，需要將路由技術(shù)和數(shù)據(jù)融合結(jié)合起來，通過在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過程中適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行數(shù)據(jù)融合，減輕數(shù)據(jù)匯聚過程中的網(wǎng)絡(luò)擁塞，協(xié)助路由協(xié)議延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，包括兩方面的功能：尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑；將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議需要高效利用能量，并且傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量往往很多，節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這就要求路由協(xié)議能在局部網(wǎng)絡(luò)信息的基礎(chǔ)上選擇合適路徑。此外無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集的原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量非常大，同一區(qū)域的節(jié)點(diǎn)所采集的信息具有很大的冗余性。因此在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息融合中，要在保證實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)的同時(shí)通過本地計(jì)算和融合，減少無線通信的信息量，節(jié)省能量來延長網(wǎng)絡(luò)生存周期[1]。

（2）無線傳感器對建筑物監(jiān)測應(yīng)用

任何建筑物都有一定的使用周期，建筑物的安全性會隨著使用時(shí)間的增加逐漸惡化。周期性的監(jiān)測能夠提供建筑物的健康程度信息，對險(xiǎn)情及時(shí)報(bào)警，從而減少一些不必要的人員、財(cái)產(chǎn)損失。傳統(tǒng)的建筑物監(jiān)測系統(tǒng)多采用有線方式，即傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)在建筑物內(nèi)一些重要的位置上，通過光纜與監(jiān)測中心連接。這種有線監(jiān)測系統(tǒng)存在較多缺點(diǎn)：首先是成本高，系統(tǒng)使用的光纜和專用傳感器價(jià)格昂貴；其次是可靠性差，光纜會隨著使用時(shí)間的延長逐漸老化，在強(qiáng)風(fēng)、地震等惡劣氣候的影響下，線路很容易遭到破壞而不能進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)可以有效的解決這一問題，其技術(shù)要點(diǎn)主要應(yīng)考慮：

1）節(jié)能問題。對于一些大型建筑物，傳感器節(jié)點(diǎn)需要分布在各個(gè)角落，其中大部分離監(jiān)測中心很遠(yuǎn)。而無線監(jiān)測系統(tǒng)，由于無線傳輸?shù)木嚯x有限且傳感器節(jié)點(diǎn)只依靠電池供電的方式工作，如何遠(yuǎn)距離地傳送數(shù)據(jù)以及如何節(jié)省能量以便盡量延長系統(tǒng)的維護(hù)周期是構(gòu)建無線監(jiān)測系統(tǒng)所需要考慮的關(guān)鍵問題。

2）無線傳感器的選擇。傳統(tǒng)的建筑物健康監(jiān)測傳感器具有價(jià)格昂貴、布局困難和能量消耗等缺點(diǎn)，不適合應(yīng)用在無線監(jiān)測中。隨著微機(jī)電（MEMS）技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，傳感器在成本和能量消耗上已經(jīng)大大降低。選擇價(jià)格合適、性能符合要求的傳感器也是很重要的。

3）數(shù)據(jù)的產(chǎn)生速率。在建筑健康監(jiān)測的準(zhǔn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，需要考慮測量建筑響應(yīng)時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)的產(chǎn)生率，它給出了接近實(shí)時(shí)性能的系統(tǒng)吞吐量需求。

4）數(shù)據(jù)的同步。在無線監(jiān)控環(huán)境中，由于從傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采樣到監(jiān)測站接收數(shù)據(jù)的延時(shí)是不可控的，因此系統(tǒng)必須提供分布傳感器數(shù)據(jù)同步的方法。

2.2安全傳感器檢測系統(tǒng)

（1）火情檢測

火情檢測器的及時(shí)反應(yīng)以及可靠性十分重要。樓宇中的傳感器系統(tǒng)可以提供有關(guān)人員存在以及他們的健康狀況信息，從而救援措施可以更為有效。

主要思路是通過在它們上附加氣體傳感器來提高火情檢測器的性能（見圖1）?？偟膩碇v，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，能量和物質(zhì)的發(fā)生了轉(zhuǎn)化。材料轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)由其產(chǎn)生的物質(zhì)表現(xiàn)出來，一方面是灰塵，另一方面是散發(fā)的氣體和煙粒。因?yàn)樵诨馂?zāi)的初始階段，氣體比煙粒擴(kuò)散快得多，氣體傳感器陣列的應(yīng)用有助于提高監(jiān)測速度和可靠性[2]。

圖1 用于火情檢測的傳感器系統(tǒng)

目前氣體檢測由基于不同物理原理的不同類型氣體傳感器來進(jìn)行。在伴隨著火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室中的測試和試驗(yàn)進(jìn)行的調(diào)查和仿真后，選擇了對和進(jìn)行檢測的，由半導(dǎo)體金屬氧化物傳感器組成的氣體傳感器陣列。這些傳感器成本很低，且對其他氣體有不同的交叉敏感度。因此，它們能在火災(zāi)發(fā)展過程中檢測出一些特性氣體。

此外為了能減小檢測空間的范圍，且提取出表現(xiàn)火災(zāi)情況特征的合適信息，需要一個(gè)特征提取單元。隨后，提取出的特征必須被分類，從而估計(jì)出測量的數(shù)據(jù)屬于哪一類，并知道是否應(yīng)發(fā)送報(bào)警到火災(zāi)服務(wù)中心。調(diào)查顯示，在火情檢測中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適于進(jìn)行模式識別。（2）氣體檢測

在確定建筑物中的位置（如廚房或汽車間）中，由明火產(chǎn)生的有毒氣體（如一氧化碳）就需要更高的二氧化碳濃度。需要檢測的是這些有毒氣體，并在危急情況下應(yīng)采取通風(fēng)措施。

在易燃?xì)怏w的檢測中，一般使用PELLISTORS。這些是基于對氣體樣品燃燒過程中釋放的熱量測量，而這反映了現(xiàn)存易燃?xì)怏w的濃度。所釋放的熱量通過對PELLISTORS內(nèi)的電阻增長的測量測得[3]。

在對有毒氣體的檢測中，基于不同原理的氣體傳感器，例如，金屬氧化物、電化學(xué)電池以及紅外傳感器，在商業(yè)上可用且可應(yīng)用于智能建筑中。其他傳感器，如石英微平衡（QMB）和表面聲波（SAW）傳感器已開發(fā)出來，并正走向市場。

在有高可靠性要求的應(yīng)用中，使用冗余的氣體傳感器有許多優(yōu)勢。通過傳感器信號的比較，發(fā)生的故障可識別出來。可用信號處理措施來排除缺陷傳感器，該傳感器系統(tǒng)的使用壽命是單獨(dú)傳感器壽命的數(shù)倍。

3.結(jié)語

未來的建筑物將變得更加智能。其主要趨勢是降低能耗、優(yōu)化方便、更加舒適以及更好的安全保證。在這些趨勢中，具有更高性能特征的新傳感器系統(tǒng)將是關(guān)鍵的技術(shù)和可實(shí)現(xiàn)的因素。因此這些傳感器系統(tǒng)的性能指標(biāo)將不斷提高，傳感器系統(tǒng)本身將發(fā)展得更新型、更加集成，為創(chuàng)造出更為舒適、更為安全、更為方便的建筑使用環(huán)境提供保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]李小玲.傳感器與檢測技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，01：121-122.

[2]林青.淺析傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].福建廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，03：67-70.

[3]許健棟，佟建中.傳感器與檢測技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015，24：94.