一種智能家電通信可靠性測試系統的實現

陳麗芬 趙鵬 李禹翔 馬慶 儲成誠

1.中國家用電器研究院 北京 100037；2.安徽眾家云物聯網科技有限公司 安徽滁州 239000

1 引言

智能家電[1]是一種新型的家用電器產品，它是將微處理器、傳感器技術、網絡通信技術引入家電設備后形成的家電產品，具有自動感知功能，還具備自動控制、自動調節與接收遠程控制信息的功能。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品，它們可以通過家庭局域網連接到一起，還可以通過家庭網關接口與廠商服務平臺連接，最終與互聯網連接，實現信息的傳遞和共享，幫助人們實現智能化的生活。

網絡通信[2]是家電智能化應用的基礎。在通信方式上，家電企業做過很多嘗試，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現相對完善的解決方案。

鑒于上述原因，有必要對智能家電產品的通信可靠性進行測試，本文構建了一種智能家電通信可靠性的測試系統，給出了測試方法并驗證了該方法的可行性。

2 智能家電系統結構

智能家電系統是由智能家電、網絡通信系統以及智能家電服務平臺等共同組成的系統。智能家電系統在邏輯功能上可以劃分為三層，如圖1所示，即：感知互動層、網絡傳輸層、應用服務層。

本文提出的測試系統是對智能家電系統的整體測試，測試軟件通過開放的標準接口與廠商服務平臺相連接進行通信可靠性測試，不直接對樣機進行測試。

3 通信可靠性測試系統結構

測試系統包含硬件結構搭建、軟件程序編寫以及測試流程構建等。

3.1 硬件架構

硬件連接如圖2所示。圖2所示的硬件框圖主要由測試終端、廠商服務平臺以及待測樣機構成，測試終端上裝有測試軟件，測試終端向廠商服務平臺發送家電控制命令，平臺接收指令并解析后，將對應控制信息發送給指定的待測樣機，樣機動作后將執行狀態返回給廠商服務平臺，平臺解析后將對應信息返回給測試終端，測試終端軟件分析后判斷本條控制指令發送狀態是否成功。

控制終端搭載的測試軟件是通信可靠性測試系統的分析平臺，廠商服務平臺承擔著指令轉發的功能，待測樣機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

基于測試終端的測試軟件包含了用戶管理、測試模塊及數據存儲等功能，結構框圖如圖3所示。

測試軟件可實現的主要功能如下：

（1）檢測待測樣機的在線狀態；

（2）建立測試終端與待測樣機間的指令收發機制；

（3）評估功能指令的執行狀態；

（4）統計待測樣機的通信成功率。

其中，指令收發機制是測試的核心模塊，收發過程中相關的時間參數如表1所示。

指令收發流程如圖4所示。

為排除網絡環境波動對測試造成的干擾，測試中過程中同時監測待測樣機所在網絡與廠商服務平臺所在網絡間的網絡延時（ms）以及上下行傳輸速率（kb/s）。

整理形成的測試記錄如圖5所示。

3.3 判斷依據

（1）通訊成功率

功能指令發出后，在規定的時間內有返回值，且返回值正確，則認為通信成功。通信成功的指令條數記為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。

（2）單條指令發送間隔

為評估指令的傳輸速率，引入單條指令發送間隔，指Ci條指令發送數據與接收數據的時間間隔，如公式（2）所示。

其中：

Tsci：表示第Ci條指令發送數據與返回數據的間隔時間；

Tsendci：表示第Ci條指令的發送時間；

Trecci：表示第Ci條指令返回數據的接收時間。

（3）考核指標

通信可靠性以通信成功率作為考核指標，如表2所示。

圖1 智能家電系統框架

圖2 測試硬件連接示意圖

圖3 結構框圖

圖4 指令收發機制流程圖

表1 時間參數說明

表2 通信性能判據

表3 時間參數設置

表4 單臺樣機avgTsci值的標準偏差

圖5 測試記錄

3.4 試驗項目

（1）基本通訊功能測試

測試時將待測樣機置于全電波暗室的轉臺上，在轉臺360°旋轉過程中測試待測樣機的通信成功率。

（2）典型場景測試

典型應用場景模擬日常家居環境，包括客廳、廚房、衛生間、臥室、老人房和兒童房等，測試時，將家電整機置于正常家居環境中，從上述6個環境中選取一個測試待測樣機的通信成功率。

（3）電磁兼容測試

該項共包含10個測試項目，分別是靜電放電抗擾度試驗、輻射騷擾抗擾度試驗（80MHz～2.7GHz）、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗、浪涌(沖擊)抗擾度試驗、射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗、電壓暫降短時中斷和電壓變化抗擾度試驗、工頻磁場抗擾度試驗、交流電源端口諧波諧間波及電網信號的抗擾度試驗、模擬雷擊測試以及電壓變化電壓波動和閃爍試驗。

（4）環境實驗

環境實驗中包含5項測試，分別是高溫運行、低溫運行、高溫高濕運行、快速溫變運行以及交變濕熱運行。試驗過程中，如果樣機的正常工作溫濕度與試驗溫濕度有沖突，以樣機可正常工作的溫濕度為試驗溫濕度。

4 系統測試及結果分析

三家廠商共6臺樣機參與了本系統的測試，樣機種類包括空調、除濕機、掃地機器人、空氣凈化器、加濕器、電飯煲等。

圖6所示為6臺樣機14個試驗的通信成功率統計結果。

如圖6所示，所有樣機的通信成功率都在90%以上，絕大部分在95%以上。

所有樣機在14個試驗中的試驗時長不同，每個試驗中均統計了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臺樣機的avgTsci值曲線。

從圖7可以看出，單臺樣機在不同試驗中的avgTsci值有所偏差，使用標準偏差[4]做評估，結果如表4所示。標準偏差值不大于1.5。

在測試系統、網絡環境及實驗環境相同的情況下，不同樣機在試驗中的avgTsci值亦有所偏差，對同一樣機在不同試驗中avgTsci值取均值，記為AVGTsci，圖8為AVGTsci值曲線。

5 結論

綜上，本文提出了一種智能家電通信可靠性的測試系統，測試對象是智能家電系統，采用通信成功率作為通信可靠性的評估依據，并使用不同廠商不同類型的樣機做了比對試驗，得到了測試結果。

文中所做測試屬于黑盒測試[3]，關注的是整機在試驗中是否可以正常工作并通信，測試環境選取的是有可能對通信信號產生干擾的環境，可能未涵蓋全部的干擾源，后續研究中將逐步補充。

基金項目：

智能家電互聯互通及互操作標準研制和試驗驗證平臺建設

圖6 樣機通信成功率結果統計

圖7 樣機Tsci均值曲線

圖8 樣機AVGTsci均值曲線