У I2C устройств есть адрес. Как минимум 7 бит (максимум - 10, если не ошибаюсь). Не вдавался в подробности реализации I2C в AVR, но какой то адрес (может и не все 7/10 бит) там быть должен

Адрес зашивать в EEPROM. Можно предусмотреть 1 стартовый адрес, который будет изначально шиться во все устройства. Главное устройство при обнаружении такого датчика будет присваивать ему первый свободный адрес.
Ограничение - новые датчики должны подключаться к главному устройству строго по 1шт зараз.