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(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，具有自動感知功能，還具備自動控制、自動調(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)相對完善的解決方案。

鑒于上述原因，有必要對智能家電產(chǎn)品的通信可靠性進(jìn)行測試，本文構(gòu)建了一種智能家電通信可靠性的測試系統(tǒng)，給出了測試方法并驗(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：感知互動層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用服務(wù)層。

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

3 通信可靠性測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)包含硬件結(jié)構(gòu)搭建、軟件程序編寫以及測試流程構(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試終端、廠商服務(wù)平臺以及待測樣機(jī)構(gòu)成，測試終端上裝有測試軟件，測試終端向廠商服務(wù)平臺發(fā)送家電控制命令，平臺接收指令并解析后，將對應(yīng)控制信息發(fā)送給指定的待測樣機(jī)，樣機(jī)動作后將執(zhí)行狀態(tài)返回給廠商服務(wù)平臺，平臺解析后將對應(yīng)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(fā)送狀態(tài)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(tǒng)的分析平臺，廠商服務(wù)平臺承擔(dān)著指令轉(zhuǎn)發(fā)的功能，待測樣機(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)

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

測試軟件可實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

（1）檢測待測樣機(jī)的在線狀態(tài)；

（2）建立測試終端與待測樣機(jī)間的指令收發(fā)機(jī)制；

（3）評估功能指令的執(zhí)行狀態(tài)；

（4）統(tǒng)計(jì)待測樣機(jī)的通信成功率。

其中，指令收發(fā)機(jī)制是測試的核心模塊，收發(fā)過程中相關(guān)的時間參數(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)境波動對測試造成的干擾，測試中過程中同時監(jiān)測待測樣機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)與廠商服務(wù)平臺所在網(wǎng)絡(luò)間的網(wǎng)絡(luò)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(jù)

（1）通訊成功率

功能指令發(fā)出后，在規(guī)定的時間內(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)的間隔時間；

Tsendci：表示第Ci條指令的發(fā)送時間；

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

（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 時間參數(shù)說明

表2 通信性能判據(jù)

表3 時間參數(shù)設(shè)置

表4 單臺樣機(jī)avgTsci值的標(biāo)準(zhǔn)偏差

圖5 測試記錄

3.4 試驗(yàn)項(xiàng)目

（1）基本通訊功能測試

測試時將待測樣機(jī)置于全電波暗室的轉(zhuǎn)臺上，在轉(zhuǎn)臺360°旋轉(zhuǎn)過程中測試待測樣機(jī)的通信成功率。

（2）典型場景測試

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

（3）電磁兼容測試

該項(xiàng)共包含10個測試項(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)、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)、電壓暫降短時中斷和電壓變化抗擾度試驗(yàn)、工頻磁場抗擾度試驗(yàn)、交流電源端口諧波諧間波及電網(wǎng)信號的抗擾度試驗(yàn)、模擬雷擊測試以及電壓變化電壓波動和閃爍試驗(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)測試及結(jié)果分析

三家廠商共6臺樣機(jī)參與了本系統(tǒng)的測試，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臺樣機(jī)14個試驗(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個試驗(yàn)中的試驗(yàn)時長不同，每個試驗(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臺樣機(jī)的avgTsci值曲線。

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

在測試系統(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試系統(tǒng)，測試對象是智能家電系統(tǒng)，采用通信成功率作為通信可靠性的評估依據(jù)，并使用不同廠商不同類型的樣機(jī)做了比對試驗(yàn)，得到了測試結(jié)果。

文中所做測試屬于黑盒測試[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，測試環(huán)境選取的是有可能對通信信號產(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