一种智能家电通信可靠性测试系统的实现

陈丽芬 赵鹏 李禹翔 马庆 储成诚

1.中国家用电器研究院 北京 100037；2.安徽众家云物联网科技有限公司 安徽滁州 239000

1 引言

智能家电[1]是一种新型的家用电器产品，它是将微处理器、传感器技术、网络通信技术引入家电设备后形成的家电产品，具有自动感知功能，还具备自动控制、自动调节与接收远程控制信息的功能。作为智能家居的重要组成部分，智能家电并非单一的智能产品，它们可以通过家庭局域网连接到一起，还可以通过家庭网关接口与厂商服务平台连接，最终与互联网连接，实现信息的传递和共享，帮助人们实现智能化的生活。

网络通信[2]是家电智能化应用的基础。在通信方式上，家电企业做过很多尝试，例如有线通信方式有电力线载波、BACnet、CEBUS、RS485、Lon Works、Home PNA等，无线通信方式有Bluetooth、ZigBee、Home RF、3G、4G以及今天普及率极高的Wi-Fi。但这些通信方式在功耗、信息安全、硬件成本、覆盖范围等方面并未实现相对完善的解决方案。

鉴于上述原因，有必要对智能家电产品的通信可靠性进行测试，本文构建了一种智能家电通信可靠性的测试系统，给出了测试方法并验证了该方法的可行性。

2 智能家电系统结构

智能家电系统是由智能家电、网络通信系统以及智能家电服务平台等共同组成的系统。智能家电系统在逻辑功能上可以划分为三层，如图1所示，即：感知互动层、网络传输层、应用服务层。

本文提出的测试系统是对智能家电系统的整体测试，测试软件通过开放的标准接口与厂商服务平台相连接进行通信可靠性测试，不直接对样机进行测试。

3 通信可靠性测试系统结构

测试系统包含硬件结构搭建、软件程序编写以及测试流程构建等。

3.1 硬件架构

硬件连接如图2所示。图2所示的硬件框图主要由测试终端、厂商服务平台以及待测样机构成，测试终端上装有测试软件，测试终端向厂商服务平台发送家电控制命令，平台接收指令并解析后，将对应控制信息发送给指定的待测样机，样机动作后将执行状态返回给厂商服务平台，平台解析后将对应信息返回给测试终端，测试终端软件分析后判断本条控制指令发送状态是否成功。

控制终端搭载的测试软件是通信可靠性测试系统的分析平台，厂商服务平台承担着指令转发的功能，待测样机的通信模块既可采用无线通信方式，也可采用有线通信方式。

3.2 软件架构

基于测试终端的测试软件包含了用户管理、测试模块及数据存储等功能，结构框图如图3所示。

测试软件可实现的主要功能如下：

（1）检测待测样机的在线状态；

（2）建立测试终端与待测样机间的指令收发机制；

（3）评估功能指令的执行状态；

（4）统计待测样机的通信成功率。

其中，指令收发机制是测试的核心模块，收发过程中相关的时间参数如表1所示。

指令收发流程如图4所示。

为排除网络环境波动对测试造成的干扰，测试中过程中同时监测待测样机所在网络与厂商服务平台所在网络间的网络延时（ms）以及上下行传输速率（kb/s）。

整理形成的测试记录如图5所示。

3.3 判断依据

（1）通讯成功率

功能指令发出后，在规定的时间内有返回值，且返回值正确，则认为通信成功。通信成功的指令条数记为A1。

A1的比率为通信成功率，记为θ，如公式（1）所示。

n：表示指令总条数。

（2）单条指令发送间隔

为评估指令的传输速率，引入单条指令发送间隔，指Ci条指令发送数据与接收数据的时间间隔，如公式（2）所示。

其中：

Tsci：表示第Ci条指令发送数据与返回数据的间隔时间；

Tsendci：表示第Ci条指令的发送时间；

Trecci：表示第Ci条指令返回数据的接收时间。

（3）考核指标

通信可靠性以通信成功率作为考核指标，如表2所示。

图1 智能家电系统框架

图2 测试硬件连接示意图

图3 结构框图

图4 指令收发机制流程图

表1 时间参数说明

表2 通信性能判据

表3 时间参数设置

表4 单台样机avgTsci值的标准偏差

图5 测试记录

3.4 试验项目

（1）基本通讯功能测试

测试时将待测样机置于全电波暗室的转台上，在转台360°旋转过程中测试待测样机的通信成功率。

（2）典型场景测试

典型应用场景模拟日常家居环境，包括客厅、厨房、卫生间、卧室、老人房和儿童房等，测试时，将家电整机置于正常家居环境中，从上述6个环境中选取一个测试待测样机的通信成功率。

（3）电磁兼容测试

该项共包含10个测试项目，分别是静电放电抗扰度试验、辐射骚扰抗扰度试验（80MHz～2.7GHz）、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、浪涌(冲击)抗扰度试验、射频场感应的传导骚扰抗扰度试验、电压暂降短时中断和电压变化抗扰度试验、工频磁场抗扰度试验、交流电源端口谐波谐间波及电网信号的抗扰度试验、模拟雷击测试以及电压变化电压波动和闪烁试验。

（4）环境实验

环境实验中包含5项测试，分别是高温运行、低温运行、高温高湿运行、快速温变运行以及交变湿热运行。试验过程中，如果样机的正常工作温湿度与试验温湿度有冲突，以样机可正常工作的温湿度为试验温湿度。

4 系统测试及结果分析

三家厂商共6台样机参与了本系统的测试，样机种类包括空调、除湿机、扫地机器人、空气净化器、加湿器、电饭煲等。

图6所示为6台样机14个试验的通信成功率统计结果。

如图6所示，所有样机的通信成功率都在90%以上，绝大部分在95%以上。

所有样机在14个试验中的试验时长不同，每个试验中均统计了Tsci的最大值、最小值以及平均值，为方便描述，将平均值记为avgTsci。图7所示为6台样机的avgTsci值曲线。

从图7可以看出，单台样机在不同试验中的avgTsci值有所偏差，使用标准偏差[4]做评估，结果如表4所示。标准偏差值不大于1.5。

在测试系统、网络环境及实验环境相同的情况下，不同样机在试验中的avgTsci值亦有所偏差，对同一样机在不同试验中avgTsci值取均值，记为AVGTsci，图8为AVGTsci值曲线。

5 结论

综上，本文提出了一种智能家电通信可靠性的测试系统，测试对象是智能家电系统，采用通信成功率作为通信可靠性的评估依据，并使用不同厂商不同类型的样机做了比对试验，得到了测试结果。

文中所做测试属于黑盒测试[3]，关注的是整机在试验中是否可以正常工作并通信，测试环境选取的是有可能对通信信号产生干扰的环境，可能未涵盖全部的干扰源，后续研究中将逐步补充。

基金项目：

智能家电互联互通及互操作标准研制和试验验证平台建设

图6 样机通信成功率结果统计

图7 样机Tsci均值曲线

图8 样机AVGTsci均值曲线