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基于物聯網的智能家居系統安全可靠性研究

嘉峪檢測網        2020-02-14 15:32

作者:許毅,馬會凱,田波,陸斌

 

借勢于近些年物聯網和智能化的浪潮,目前智能家居行業正站在具有眾多紅利的風口:一方面,國家為大力發展智能給予諸多紅利政策;另一方面,來自房產市場的需求熱度不減,新裝及重裝剛性需求始終都在;同時,新富裕群體對于智能家居具有較強需求,渴望智能化、個性化,該先進群體作為主要目標客戶群,將助推智能家居產業。智能家庭業務全景見圖1;智能家居基本系統構成見圖2。

基于物聯網的智能家居系統安全可靠性研究

圖1 智能家庭業務全景

設備:設備之間的互聯互通(聯網的設備:以屏幕為中心);

:不是簡單的個體業務變種,而是圍繞家庭人員可共享的業務(音樂、游戲、電教、電子醫療、虛擬現實(Tele presence)、Video、通訊(Voice+BB),以媒體娛樂為核心;

房子:圍繞房子展開業務(家庭網絡:安防、家居自動化、能源管理等),垂直業務。

基于物聯網的智能家居系統安全可靠性研究

圖2 智能家居系統基本構成

智能家居實現全屋智能的發展可分為五個成長和晉級階段:

1.0手機集中控制系統(手機app控制終端);

2.0場景控制系統;

3.0智能家居系統(傳感器+自動化工作);

4.0語音+智能家居(語音+智能);

5.0智慧家庭系統(語音+智能+多用戶+學習)。

本文針對基于物聯網的智能家居系統,重點提出智能家居產業在檢測領域面臨的問題與難點,建立性能評測體系框架,指出系統可靠性分析與系統化測試的主要分類和目標。

智能家居產業

檢測領域問題與難點

2019/12/22

物聯網標準體系尚未完善

  • 標準體系仍不完善,尤其是基礎性標準缺失嚴重;

  • 關鍵技術領域和應用領域的標準研制工作也遠遠落后于 產業的需求;

  • 重要應用領域標準研制進度較慢,跨行業應用標準制定難度大。

物聯網產品質量把控環節缺失

  • 國內物聯網項目普遍缺乏品質監控;產品與系統普遍缺乏有效的量化檢測評價指標;

  • 物聯網系統節點的故障率偏高,極限環境工作穩定性遭遇挑戰;

  • 消費市場的物聯網終端產品退貨率和投訴率較高。

智能家居

性能評測體系

2019/12/22

對應于實現全屋智能的五個發展階段,按照層次化和橫向的標準體系結構,基于物聯網的智能家居性能評測標準可分為四類,即總體架構標準、基礎標準、應用標準和安全標準,其整個體系的建立可分成三個進階:

智能家居多類終端產品和中間層的“器件級”/“設備級”檢測

對象包括:構成傳感網絡的器件、對反饋信息進行響應的控制和被控部件,如:自動控制器、智能開關和插座等;帶嵌入式控制器件的可離線運作或可單線通信實現其應用功能的智能家居單品,典型應用終端,如:智能門鎖、智能家電、智能音響、智能窗簾等;智能家庭服務器和網關等聯網設備;構成和操作應用場景的組合部件,如具備場景選擇和配置功能的智能總控器等幾大類。

 

內容涉及:關于智能家居相關終端設備的安全性和基本功能性驗證的檢測,如電氣安全、可靠性、EMC、工作穩定性等,屬于“器件級”/“設備級”的檢測,對應檢測項目、測試方法及要求。

 

結合應用場景的智能家居集成性能評測

針對某種特定應用場景下,對智能家居終端設備組合并能聯動操作的子系統進行評測,注重于多設備和器件在模塊化集成時,與應用場景的適用性和匹配度、運行安全性(包括電子電氣安全性)、有效性、穩定性、可靠性等方面的參考和量化指導。

 

網絡在線的智能家居系統化、端到端的性能評測

對智能家居成套解決方案的總體檢測和評價,包括應用層到傳感端的端到端業務可靠性驗證、網絡作為信息中轉層的安全性和可靠性驗證等,可涉及:通信系統和網絡的吞吐量及壓力測試等、系統智商評測等更多項目,形成完整的系統化評測框架體系。未來根據技術進步,智能發展到智慧,可評測項目或將不斷延展。

智能家居系統可靠性

分析與系統化測試

2019/12/22

從系統構成部分和層次而言,首先是智能家居終端產品的可靠性,以及主控(主機、網關)的可靠性,均屬于“器件級”/“設備級”可靠性;其次是信號傳輸中間網絡的可靠性,包括強電和弱電線路、傳輸網絡組成結構等的可靠性;再次是應用軟件的可靠性。此外,還包括終端與主控設備協調運行的兼容性和可靠性、系統容錯和備份功能;終端產品、控制單元以及傳輸系統的抗干擾能力等諸多層間可靠性內容。

 

從設計環節,智能家居系統可靠性設計內容包括但不限于:元器件的選擇和降額設計;元器件的容差和漂移設計;對高可靠性系統進行冗余設計、環境保護設計、熱設計和三防設計等;抗振動、沖擊設計、電磁兼容設計和防電磁泄漏設計;可維護性和可用性設計、軟件可靠性設計;系統可測試性設計、容錯技術等方面。

系統的可靠性分析是為了挖掘和確定系統或設備中薄弱環節及隱患,采取預防和改進措施,以清除薄弱環節和隱患,提高設備和系統的固有可靠性(包括穩定性和安全性)。

 

基于智能家居系統基本構成,從失效影響的范圍和程度,將智能家居系統失效情況簡單劃分為三個層次和類別:

底層子單元的失效:現象是構成系統的某具體控制單元無法對所管轄的電器終端執行控制動作。造成原因包括但不限于:子單元受到干擾、浪涌沖擊損壞電路等故障;子單元軟硬件設計缺陷等。

 

中間層(信息傳輸網絡)失效:現象是用戶可手動操控面板控制獨立的電器終端,但無法使用智能方式(如手機APP)執行遠程操控。造成原因是中間層即通信網絡層故障,包括但不限于:路由器透傳失敗,無線傳輸WIFI故障等。

 

系統級失效:最嚴重的現象是整個系統癱瘓無響應,用戶無法用任何手段控制和操作家居終端。造成原因一般是系統設計問題,比如:完全集中式控制設計,即子單元發送的用戶信息只能由主控單元接受和處理,所有終端的控制集中于主控配電箱并依賴于主控單元,主控單元失效或聯網機制故障則系統癱瘓,無冗余設計和容錯設計等。

系統可靠性測試,是通過相關的測試方法和測試工具,模擬用戶高密集度負載的情況下的系統穩定性和可靠性測試。智能家居系統可靠性分析和測試的目標,是對整個智能家居系統的靈活性、穩定性、響應度、延遲性、易用性、便利性、精確度、容錯性等多方面,提出細化要求和量化指標,盡可能的改進和增強系統的可靠性,其可靠性準則和指標的制定,也是使可靠性和性能設計相結合的有效方法。

 

對于智能家居系統的可靠性指標,可以考慮引入系統端到端的功能可靠性測試—MTBF(Mean Time Between Failure,平均無故障時間),與此相關的智能家居測試系統結構設計和自動化測試方案(包括:測試環境搭建、測試流程分析、測試應用)等研究處于初級階段[1],更多探索工作仍在進行中。

總結

2019/12/22

智能家居產業的發展和普及,使得傳統的硬件測試方式和方法無法滿足系統化測試需求,系統級的測試方法和工具嚴重缺失,成為服務于產品和系統工程質量提升的難以克服的障礙,甚至影響著新興產業鏈的發展和集聚。作為質檢機構,僅關注強制性單產品層面的質量檢驗和監督已不能滿足行業變革和發展的需求,檢測機構和質檢系統應轉變并嘗試新的運營模式和服務對象,結合應用場景的企業級市場和新智能化硬件在系統工程中的可靠性、安全性及性能評測是今后值得探索和深入研究的重要方向和業務領域。

參考文獻

[1] 沈杰, 陳秋歌, 劉會方.基于智能家居系統可靠性測試分析[J]. 電子技術與軟件工程,2015:147-148.

 

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來源:環境技術

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