物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域及其傳感器環(huán)境可靠性評(píng)價(jià)研究

霍大云 孫晨陽(yáng) 董軍 趙介軍 過(guò)峰 王振宇 蔣科

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在影響著每個(gè)領(lǐng)域，越來(lái)越多的工作、生產(chǎn)和生活的決策行為將日益基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析而做出。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將萬(wàn)物互聯(lián)，萬(wàn)物互聯(lián)即萬(wàn)物數(shù)據(jù)互聯(lián)，所以數(shù)據(jù)采集端可靠性是對(duì)其分析的前提條件。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深入到各行各業(yè)，攝像頭、RFID、雷達(dá)、傳感器等數(shù)據(jù)采集端硬件迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇，然而數(shù)據(jù)采集傳感器由于應(yīng)用領(lǐng)域和工作環(huán)境不同，受到的環(huán)境可靠性挑戰(zhàn)差異明顯。因此，為了確保感知數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的傳感器做針對(duì)性環(huán)境可靠性試驗(yàn)分析意義重大。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);云計(jì)算;傳感器;可靠性檢測(cè);RFID;數(shù)據(jù)采集

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2019）05-0-03

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，科技生產(chǎn)力推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件系統(tǒng)等信息技術(shù)發(fā)展，也推動(dòng)了傳感技術(shù)、制造工藝的突飛猛進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生[1-3]。物聯(lián)網(wǎng)從框架結(jié)構(gòu)的角度可劃分為感知層、應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層3層。感知層利用感知傳感技術(shù)對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行感知識(shí)別并采集數(shù)據(jù);應(yīng)用層則側(cè)重對(duì)感知層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和分析處理，從而達(dá)到對(duì)物理世界實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策的目的;網(wǎng)絡(luò)層注重互通互聯(lián)感知層和應(yīng)用層的感知數(shù)據(jù)與決策信息，必要時(shí)也與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。物聯(lián)網(wǎng)的顯著特征是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的感知層和應(yīng)用層，也是物聯(lián)網(wǎng)的核心所在。

從信息傳輸空間的角度考慮，人們將感知層和應(yīng)用層分布在物聯(lián)網(wǎng)框架的兩端，如圖1所示。然而，從現(xiàn)實(shí)工作空間的角度討論，感知層和應(yīng)用層大多集成于智能設(shè)備，如圖2所示，這主要是為了確保傳感器采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性和內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性。

智能設(shè)備的發(fā)展就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的充分體現(xiàn)，如輔助駕駛汽車(chē)[4]、智能手機(jī)[5]、智能家電[6]等。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究主要集中在開(kāi)發(fā)智能設(shè)備的新穎功能[7]，然而卻忽視了智能設(shè)備耐用可靠方面的技術(shù)支持，尤其是所用傳感器根據(jù)所處工作環(huán)境的可靠性分析往往被忽略[8]。

1 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品助推各行各業(yè)向智慧、便捷、人性化方向發(fā)展。其中，傳感器被布置于工作環(huán)境中，直接參與每一次數(shù)據(jù)采集，為應(yīng)用層執(zhí)行每一次任務(wù)提供數(shù)據(jù)支持[9]。

1.1 智慧工業(yè)

我國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)面臨勞動(dòng)力成本不斷上升、原材料利用率持續(xù)低下、能耗問(wèn)題一直突出、環(huán)保意識(shí)普遍淺薄等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)， 導(dǎo)致生產(chǎn)效率提高困難，進(jìn)而嚴(yán)重影響我國(guó)制造企業(yè)的全球競(jìng)爭(zhēng)力和社會(huì)影響力。智慧工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)，優(yōu)化調(diào)度制造業(yè)全流程，實(shí)現(xiàn)制造機(jī)械過(guò)程與信息系統(tǒng)的深度融合，從而孕育先進(jìn)的制造業(yè)生產(chǎn)模式，提升產(chǎn)品附加值、加速轉(zhuǎn)型升級(jí)、降低生產(chǎn)成本、減少能源消耗，推動(dòng)制造業(yè)向全球化、信息化、智能化、綠色化方向發(fā)展[10]。作為制造業(yè)信息化的一種新興技術(shù)，制造物聯(lián)技術(shù)是現(xiàn)代制造工業(yè)中出現(xiàn)的一種新型制造模式和信息服務(wù)模式的技術(shù)，它能夠催生先進(jìn)的制造業(yè)生產(chǎn)模式。

物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域及主要涉及的數(shù)據(jù)采集傳感器有：制造業(yè)供應(yīng)鏈管理—RFID，生產(chǎn)過(guò)程工藝優(yōu)化—（溫濕度、壓力、速度）傳感器，產(chǎn)品監(jiān)控管理—工業(yè)相機(jī)。

1.2 智慧交通

智慧交通是一個(gè)完善的數(shù)據(jù)收集、信息傳遞、技術(shù)處理的交通系統(tǒng)，即以云計(jì)算、人工智能、感知傳感等多種技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)智能傳感-通信傳輸-數(shù)據(jù)處理-信息網(wǎng)絡(luò)等功能[11]。智慧交通物聯(lián)網(wǎng)體系由兩大模塊組成：一是前端傳感偵測(cè)系統(tǒng)，二是智慧交通數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)體系的各個(gè)組成單元都能夠進(jìn)行彼此之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而達(dá)到所有交通信息的綜合處理，并為其他各個(gè)組成部分提供所需的重要信息，構(gòu)建了一個(gè)自動(dòng)化、智能化的交通管理系統(tǒng)，更加科學(xué)化、人性化地為道路上的車(chē)輛和行人服務(wù)。

前端傳感偵測(cè)系統(tǒng)包括車(chē)載傳感和交通管理設(shè)施偵測(cè)，可以通過(guò)對(duì)車(chē)輛和交通管理設(shè)施配備各類(lèi)傳感器，采集各種狀況的數(shù)據(jù)，如路面狀況、車(chē)流量狀況、車(chē)速、行人情況等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)同步傳送至信息存儲(chǔ)及處理系統(tǒng)，系統(tǒng)及時(shí)分析、處理交通信息數(shù)據(jù)并迅速制定出處理方案反饋至前端交通管理設(shè)備或車(chē)輛終端，實(shí)時(shí)管理、疏通、引導(dǎo)車(chē)輛和行人。視頻傳感技術(shù)和圖像處理技術(shù)可單獨(dú)或與其他傳感器配合完成對(duì)車(chē)輛違章行為的監(jiān)控。激光雷達(dá)利用激光傳感技術(shù)采集車(chē)輛特征數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)屬性數(shù)據(jù)，達(dá)到監(jiān)控車(chē)流量的效果。

1.3 輔助駕駛汽車(chē)

輔助駕駛汽車(chē)本質(zhì)上是一個(gè)巨大的傳感器網(wǎng)絡(luò)。汽車(chē)個(gè)體都可以被視為一個(gè)超級(jí)傳感器集合，通常一輛汽車(chē)配備了內(nèi)部和外部溫度計(jì)、亮度傳感器、一個(gè)或多個(gè)攝像頭、麥克風(fēng)、超聲波雷達(dá)以及其他傳感器[12-13]。隨著智能汽車(chē)的發(fā)展，車(chē)載電腦、GPS定位儀和無(wú)線收發(fā)器等裝置都已成為現(xiàn)有高端汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)配置。智能汽車(chē)能夠通過(guò)車(chē)輛各部位安裝的各種傳感器感知車(chē)輛自身情況和周?chē)h(huán)境態(tài)勢(shì)，從而分析并判斷車(chē)輛行駛狀況，并控制車(chē)輛按照人的意愿到達(dá)目的地，最終達(dá)到替代人進(jìn)行自動(dòng)駕駛操作的目的。傳感器網(wǎng)絡(luò)連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提升了車(chē)輛對(duì)周?chē)h(huán)境的感知與控制能力，也使得行駛車(chē)輛之間甚至行車(chē)和路邊基站之間能夠無(wú)線通信。然而，各種環(huán)境感知傳感器有著各自不同的特性，在使用中存在著各自的優(yōu)勢(shì)功能和技術(shù)盲區(qū)。

目前，攝像頭、毫米波雷達(dá)及激光雷達(dá)、多傳感器信息融合技術(shù)可以充分發(fā)揮多種不同類(lèi)型的傳感器技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并根據(jù)需求對(duì)傳感器感知信息進(jìn)行整合，以獲得所在環(huán)境和檢測(cè)對(duì)象更加精確的信息，如路面位置、行駛速度、車(chē)輛身份信息等，從而使得車(chē)輛能夠?qū)Ξ?dāng)前環(huán)境態(tài)勢(shì)和自身狀況進(jìn)行更為全面而及時(shí)的評(píng)估，進(jìn)而做出更為智能合理的判斷和控制。

1.4 智能家居

智能家居系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和感知傳感技術(shù)，依照家庭和個(gè)人生活需求，由家庭局域網(wǎng)將與家居生活息息相關(guān)的通信設(shè)備、家庭生活用電器及家用安防設(shè)備，連接到家用智能化體系上，該體系可執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部或異地遠(yuǎn)端的監(jiān)視和控制。利用物聯(lián)網(wǎng)智能控制和管理，人們可合理安排時(shí)間，優(yōu)化家庭生活形態(tài)，提高家居生活的舒適性和安全性，實(shí)現(xiàn)“以人為中心”的新型家居生活享受形式。此外，智能家居內(nèi)各式各樣的電器設(shè)備之間也可相互接發(fā)數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的運(yùn)行狀態(tài)智能互動(dòng)。智能家居設(shè)備的相應(yīng)數(shù)據(jù)由傳感器感知采集，并通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)傳遞到家庭網(wǎng)關(guān)中，最后直接發(fā)送至本地智能控制端或者經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程控制端。

其中，數(shù)據(jù)采集是智能家居中的第一步，如果沒(méi)有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，那么后續(xù)的自動(dòng)控制將毫無(wú)意義[14]。傳統(tǒng)家居以人的感官（眼和耳）為主進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行相應(yīng)的判斷并操控相應(yīng)的家用電器，因此采用傳感器技術(shù)代替人進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是必然趨勢(shì)。其中音視頻傳感器是智能家居交流和互動(dòng)使用的主要傳感技術(shù)。

2 傳感器可靠性評(píng)價(jià)

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品發(fā)展迅速，但是相關(guān)檢測(cè)規(guī)范不同步，導(dǎo)致各應(yīng)用領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品注重功能創(chuàng)新輕視質(zhì)量。然而，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品智能分析及使用的前提是持續(xù)確保數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性、可靠性、持續(xù)性。采集端硬件感知傳感器因其工作環(huán)境不同需做出不同的可靠性評(píng)價(jià)，所以即使是相同傳感器因工作環(huán)境不同采用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)不同，可靠性評(píng)價(jià)的試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)參數(shù)的差異性也是十分明顯的。

基于圖像處理技術(shù)，攝像頭在各個(gè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集方面都扮演著重要角色。本文以攝像頭為例，對(duì)各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)境可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行分析。環(huán)境可靠性試驗(yàn)可分為氣候條件試驗(yàn)、機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)和電磁兼容試驗(yàn)三大項(xiàng)，每一大項(xiàng)都涵蓋多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，如圖3所示。攝像頭的環(huán)境可靠性試驗(yàn)因工作環(huán)境不同需要檢測(cè)的試驗(yàn)項(xiàng)目也各不相同。例如，對(duì)于工業(yè)相機(jī)，因工作環(huán)境差異巨大，需做出“因地制宜”的環(huán)境可靠性試驗(yàn);手機(jī)攝像頭與手機(jī)都需在機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)中做跌落試驗(yàn);車(chē)載鏡頭與普通民用電子產(chǎn)品不同，在環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目中要求比較多，如做氣體腐蝕試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和大量的電磁兼容相關(guān)試驗(yàn);在電磁兼容試驗(yàn)中，道路監(jiān)控工作環(huán)境特殊性應(yīng)與路燈類(lèi)似做浪涌發(fā)生試驗(yàn)。各應(yīng)用環(huán)境中攝像頭環(huán)境可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表1所列。

3 結(jié) 語(yǔ)

在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品帶來(lái)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了商業(yè)領(lǐng)域，其不僅能帶來(lái)商業(yè)價(jià)值亦能產(chǎn)生社會(huì)價(jià)值。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展不僅要注重功能新穎，對(duì)其產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性也應(yīng)越加重視。物聯(lián)網(wǎng)傳感層與應(yīng)用層在實(shí)際工作層面相互重疊，導(dǎo)致產(chǎn)品傳感器工作環(huán)境復(fù)雜化，所以對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品傳感器進(jìn)行針對(duì)性環(huán)境可靠性測(cè)試意義明顯。

參 考 文 獻(xiàn)

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