一種智能家電通信可靠性測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

陳麗芬 趙鵬 李禹翔 馬慶 儲(chǔ)成誠(chéng)

1.中國(guó)家用電器研究院 北京 100037；2.安徽眾家云物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司 安徽滁州 239000

1 引言

智能家電[1]是一種新型的家用電器產(chǎn)品，它是將微處理器、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)引入家電設(shè)備后形成的家電產(chǎn)品，具有自動(dòng)感知功能，還具備自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)與接收遠(yuǎn)程控制信息的功能。作為智能家居的重要組成部分，智能家電并非單一的智能產(chǎn)品，它們可以通過家庭局域網(wǎng)連接到一起，還可以通過家庭網(wǎng)關(guān)接口與廠商服務(wù)平臺(tái)連接，最終與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)信息的傳遞和共享，幫助人們實(shí)現(xiàn)智能化的生活。

網(wǎng)絡(luò)通信[2]是家電智能化應(yīng)用的基礎(chǔ)。在通信方式上，家電企業(yè)做過很多嘗試，例如有線通信方式有電力線載波、BACnet、CEBUS、RS485、Lon Works、Home PNA等，無線通信方式有Bluetooth、ZigBee、Home RF、3G、4G以及今天普及率極高的Wi-Fi。但這些通信方式在功耗、信息安全、硬件成本、覆蓋范圍等方面并未實(shí)現(xiàn)相對(duì)完善的解決方案。

鑒于上述原因，有必要對(duì)智能家電產(chǎn)品的通信可靠性進(jìn)行測(cè)試，本文構(gòu)建了一種智能家電通信可靠性的測(cè)試系統(tǒng)，給出了測(cè)試方法并驗(yàn)證了該方法的可行性。

2 智能家電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能家電系統(tǒng)是由智能家電、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)以及智能家電服務(wù)平臺(tái)等共同組成的系統(tǒng)。智能家電系統(tǒng)在邏輯功能上可以劃分為三層，如圖1所示，即：感知互動(dòng)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用服務(wù)層。

本文提出的測(cè)試系統(tǒng)是對(duì)智能家電系統(tǒng)的整體測(cè)試，測(cè)試軟件通過開放的標(biāo)準(zhǔn)接口與廠商服務(wù)平臺(tái)相連接進(jìn)行通信可靠性測(cè)試，不直接對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

3 通信可靠性測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)包含硬件結(jié)構(gòu)搭建、軟件程序編寫以及測(cè)試流程構(gòu)建等。

3.1 硬件架構(gòu)

硬件連接如圖2所示。圖2所示的硬件框圖主要由測(cè)試終端、廠商服務(wù)平臺(tái)以及待測(cè)樣機(jī)構(gòu)成，測(cè)試終端上裝有測(cè)試軟件，測(cè)試終端向廠商服務(wù)平臺(tái)發(fā)送家電控制命令，平臺(tái)接收指令并解析后，將對(duì)應(yīng)控制信息發(fā)送給指定的待測(cè)樣機(jī)，樣機(jī)動(dòng)作后將執(zhí)行狀態(tài)返回給廠商服務(wù)平臺(tái)，平臺(tái)解析后將對(duì)應(yīng)信息返回給測(cè)試終端，測(cè)試終端軟件分析后判斷本條控制指令發(fā)送狀態(tài)是否成功。

控制終端搭載的測(cè)試軟件是通信可靠性測(cè)試系統(tǒng)的分析平臺(tái)，廠商服務(wù)平臺(tái)承擔(dān)著指令轉(zhuǎn)發(fā)的功能，待測(cè)樣機(jī)的通信模塊既可采用無線通信方式，也可采用有線通信方式。

3.2 軟件架構(gòu)

基于測(cè)試終端的測(cè)試軟件包含了用戶管理、測(cè)試模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

測(cè)試軟件可實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

（1）檢測(cè)待測(cè)樣機(jī)的在線狀態(tài)；

（2）建立測(cè)試終端與待測(cè)樣機(jī)間的指令收發(fā)機(jī)制；

（3）評(píng)估功能指令的執(zhí)行狀態(tài)；

（4）統(tǒng)計(jì)待測(cè)樣機(jī)的通信成功率。

其中，指令收發(fā)機(jī)制是測(cè)試的核心模塊，收發(fā)過程中相關(guān)的時(shí)間參數(shù)如表1所示。

指令收發(fā)流程如圖4所示。

為排除網(wǎng)絡(luò)環(huán)境波動(dòng)對(duì)測(cè)試造成的干擾，測(cè)試中過程中同時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)樣機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)與廠商服務(wù)平臺(tái)所在網(wǎng)絡(luò)間的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)（ms）以及上下行傳輸速率（kb/s）。

整理形成的測(cè)試記錄如圖5所示。

3.3 判斷依據(jù)

（1）通訊成功率

功能指令發(fā)出后，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)有返回值，且返回值正確，則認(rèn)為通信成功。通信成功的指令條數(shù)記為A1。

A1的比率為通信成功率，記為θ，如公式（1）所示。

n：表示指令總條數(shù)。

（2）單條指令發(fā)送間隔

為評(píng)估指令的傳輸速率，引入單條指令發(fā)送間隔，指Ci條指令發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，如公式（2）所示。

其中：

Tsci：表示第Ci條指令發(fā)送數(shù)據(jù)與返回?cái)?shù)據(jù)的間隔時(shí)間；

Tsendci：表示第Ci條指令的發(fā)送時(shí)間；

Trecci：表示第Ci條指令返回?cái)?shù)據(jù)的接收時(shí)間。

（3）考核指標(biāo)

通信可靠性以通信成功率作為考核指標(biāo)，如表2所示。

圖1 智能家電系統(tǒng)框架

圖2 測(cè)試硬件連接示意圖

圖3 結(jié)構(gòu)框圖

圖4 指令收發(fā)機(jī)制流程圖

表1 時(shí)間參數(shù)說明

表2 通信性能判據(jù)

表3 時(shí)間參數(shù)設(shè)置

表4 單臺(tái)樣機(jī)avgTsci值的標(biāo)準(zhǔn)偏差

圖5 測(cè)試記錄

3.4 試驗(yàn)項(xiàng)目

（1）基本通訊功能測(cè)試

測(cè)試時(shí)將待測(cè)樣機(jī)置于全電波暗室的轉(zhuǎn)臺(tái)上，在轉(zhuǎn)臺(tái)360°旋轉(zhuǎn)過程中測(cè)試待測(cè)樣機(jī)的通信成功率。

（2）典型場(chǎng)景測(cè)試

典型應(yīng)用場(chǎng)景模擬日常家居環(huán)境，包括客廳、廚房、衛(wèi)生間、臥室、老人房和兒童房等，測(cè)試時(shí)，將家電整機(jī)置于正常家居環(huán)境中，從上述6個(gè)環(huán)境中選取一個(gè)測(cè)試待測(cè)樣機(jī)的通信成功率。

（3）電磁兼容測(cè)試

該項(xiàng)共包含10個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，分別是靜電放電抗擾度試驗(yàn)、輻射騷擾抗擾度試驗(yàn)（80MHz～2.7GHz）、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)、浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)、電壓暫降短時(shí)中斷和電壓變化抗擾度試驗(yàn)、工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)、交流電源端口諧波諧間波及電網(wǎng)信號(hào)的抗擾度試驗(yàn)、模擬雷擊測(cè)試以及電壓變化電壓波動(dòng)和閃爍試驗(yàn)。

（4）環(huán)境實(shí)驗(yàn)

環(huán)境實(shí)驗(yàn)中包含5項(xiàng)測(cè)試，分別是高溫運(yùn)行、低溫運(yùn)行、高溫高濕運(yùn)行、快速溫變運(yùn)行以及交變濕熱運(yùn)行。試驗(yàn)過程中，如果樣機(jī)的正常工作溫濕度與試驗(yàn)溫濕度有沖突，以樣機(jī)可正常工作的溫濕度為試驗(yàn)溫濕度。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

三家廠商共6臺(tái)樣機(jī)參與了本系統(tǒng)的測(cè)試，樣機(jī)種類包括空調(diào)、除濕機(jī)、掃地機(jī)器人、空氣凈化器、加濕器、電飯煲等。

圖6所示為6臺(tái)樣機(jī)14個(gè)試驗(yàn)的通信成功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

如圖6所示，所有樣機(jī)的通信成功率都在90%以上，絕大部分在95%以上。

所有樣機(jī)在14個(gè)試驗(yàn)中的試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)不同，每個(gè)試驗(yàn)中均統(tǒng)計(jì)了Tsci的最大值、最小值以及平均值，為方便描述，將平均值記為avgTsci。圖7所示為6臺(tái)樣機(jī)的avgTsci值曲線。

從圖7可以看出，單臺(tái)樣機(jī)在不同試驗(yàn)中的avgTsci值有所偏差，使用標(biāo)準(zhǔn)偏差[4]做評(píng)估，結(jié)果如表4所示。標(biāo)準(zhǔn)偏差值不大于1.5。

在測(cè)試系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)環(huán)境相同的情況下，不同樣機(jī)在試驗(yàn)中的avgTsci值亦有所偏差，對(duì)同一樣機(jī)在不同試驗(yàn)中avgTsci值取均值，記為AVGTsci，圖8為AVGTsci值曲線。

5 結(jié)論

綜上，本文提出了一種智能家電通信可靠性的測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試對(duì)象是智能家電系統(tǒng)，采用通信成功率作為通信可靠性的評(píng)估依據(jù)，并使用不同廠商不同類型的樣機(jī)做了比對(duì)試驗(yàn)，得到了測(cè)試結(jié)果。

文中所做測(cè)試屬于黑盒測(cè)試[3]，關(guān)注的是整機(jī)在試驗(yàn)中是否可以正常工作并通信，測(cè)試環(huán)境選取的是有可能對(duì)通信信號(hào)產(chǎn)生干擾的環(huán)境，可能未涵蓋全部的干擾源，后續(xù)研究中將逐步補(bǔ)充。

基金項(xiàng)目：

智能家電互聯(lián)互通及互操作標(biāo)準(zhǔn)研制和試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)建設(shè)

圖6 樣機(jī)通信成功率結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖7 樣機(jī)Tsci均值曲線

圖8 樣機(jī)AVGTsci均值曲線