智能家居產品測試驗證挑戰與應對

□ 文 于 力 金漢城

1 引言

智能家居行業在近些年發展迅速，不斷突破著原有智能家居的定義。通過最新的智能家居方案，用戶不僅可以擺脫對單個智能家居產品的接觸性手動控制，更可以獲得豐富、自由、智能化的家居設備控制新鮮體驗。而根據持續不斷的發展需求，僅僅實現對家居產品的控制是遠遠不夠的。不僅需要更進一步的提高豐富、自由和智能化的控制手段，還需要獲取充足有效的數據，以實現大數據價值分析，以及更加精準、更加和諧的場景適應和交互操作。

得益于近年來物聯網技術，特別是無線物聯網技術的快速發展，我們擁有了更多的網絡組織和數據傳遞方法。同時，云計算平臺的深化發展，使得數據更方便地存儲、交互，便于分析，帶來更大的價值。

同時，我們也看到，智能家居產品的高速發展，也面臨了很多挑戰。本文將分析其中四種主要的挑戰：由于新技術的引入帶來的挑戰、產品空前多樣性的挑戰、產品研發復雜度提高帶來的挑戰以及網絡信息安全的挑戰。

2 挑戰之一，新無線技術的引入

我們正處在一個新技術爆炸的時代，面向未來的發展，人工智能、云端AR/VR、邊緣計算等新技術將不斷加速推進家庭業務與垂直行業融合的解決方案創新，出現更為泛在化、更為豐富多彩的家庭融合生態。新技術引入以后，需要時間的積累，需要產品化的過程，需要充分的融合和磨合，這一過程向來是曲折而富有挑戰的。

結合近3～5年的發展預期，和智能家居端側產品關系比較密切的最新技術，主要是5G和Wi-Fi 6為代表的無線技術。

5G已經加快了步伐進入到我們的生產生活，它定義的增強移動寬帶、高可靠低時延連接和海量物聯三種場景，基本上可以覆蓋所有無線連接場景，同樣會逐步滲透到家庭智慧組網以及產品的設計領域。Wi-Fi 6，即802.11ax，是Wi-Fi技術家族的新成員，具有更高的速率、更靈活的分布式組網架構、多通道的通信方式。

而5G畢竟還處于產業研發初期，大多數5G網絡運營商還處于商用初期階段。5G的后兩個場景還處于標準化進程中，離商用還有很大距離，最理想的估計也要2020年底成熟。而Wi-Fi 6的商用化進程才剛剛開始，無論產品、檢測儀表還是應用方案，還都處于規劃階段。和5G及Wi-Fi 6有關的很多新的業務場景有待開發，很多產品化必然經歷的過程，我們都將經歷。我們必須面對產品不成熟帶來的問題、新場景開發帶來的機遇和挑戰。

3 挑戰之二，產品的多樣性

智能家居的應用領域寬、場景眾多、產業鏈長，蘊含龐大的產品市場。市場碎片化、需求泛在化，新的需求不斷催生，產品種類的數量將是巨大的數字，產品多樣性將組成完善的體系生態。

目前智能家居領域中的產品生態體系包括：安防監控、醫療健康、環境監測、智能家電、教育娛樂、控制節能等產品，智能組網設備、網關設備等組網產品，以及通用模組、芯片等通信單元。

產品種類數量多，貼近各類應用需求，用途不同，產品硬軟件設計標準不同，測試驗證方法千差萬別。

產品實現方式繁多，同類產品各家企業的方案不盡相同，產品的標準難于統一，測試驗證方法差異很大。

某些特定領域深度融合的產品復雜性、特異性更強，對測試驗證帶來更多的挑戰。

4 挑戰之三，產品研發復雜度

物聯網架構從下往上，分別為設備傳感層、網絡層、數據處理層和應用層，每一層都跟隨新技術發展不斷演化。

設備傳感層的主要職責是獲取數據、初級分析處理和傳輸。硬件整體配置，不同于傳統物聯網架構里的傳統傳感和端設備，新的智慧化物聯網架構需要硬件的設計、配置、工作特性和工作模式無限的適應，包括適應有效的傳輸、可靠和安全的數據、適合數據處理的一切更新。包括傳感器、芯片、終端、智能卡、外設和設備軟件設計。端類產品的集成程度、處理能力、可靠性不斷增強。

網絡層的作用是數據的有效傳遞。一方面，這是通信+的最主要結合點，而且當前智慧型物聯網的一大特點和重要優勢就是有線和無線網絡靈活、有效綜合運用。無線網絡的采用，擴展了物聯網應用的場景、提高了應用的QoS保障，物聯網進入無線網絡領域，才剛剛開始。近5年來新產生的無線通信技術，幾乎都為物聯網場景創新強相關，像5G、Wi-Fi 6等新無線技術，都為特定的物聯網應用場景預留了空間。無線通信技術、頻譜利用效率，因為考慮到物聯網的場景，而不斷提高。智慧型物聯網將更充分地挖掘利用有限的頻譜資源。

數據處理層是另一個在近年來物聯網受益新技術的例子。得益于云計算和大數據技術的高速發展，數據處理層的內涵和作用都產生了深遠的變化。不僅僅是簡單的數據匯集和存儲，云計算和大數據讓數據能夠更加靈活有效的轉動起來，產生更大的價值。

得益于技術的發展進步，應用層所能夠承載的應用場景、類型越來越復雜，更能無限的貼近用戶的使用感受。把用戶體驗做好，成了產品和用戶之間的最后一公里，更是產品獲得用戶青睞的最重要因素之一。

5 挑戰之四，安全和信息保護

智能生態產品，在近些年發展非常迅速，幾乎滲透到了我們生活的每一個角落。在人們享受著越來越豐富的智能生態產品帶來的生活改變同時，我們看到在安全性、連接性能、兼容性方面，新的挑戰也越來越多。

這些挑戰包括：

● 現有物聯網產品標識（身份）體系不完善，因此無法有效開展設備認證、有效追蹤等活動；

● 現有物聯網產品信息安全設計不規范，在設備端完整性、整體安全設計方面不完善，信息安全狀態無法做到可驗證、可跟蹤、可監測；

● 數據加密或隱私控制不到位。缺乏規范化的加密或控制體系，各架構層、各產品、各類技術采用的加密方式不同，在協同工作時產生隱患；

● 端到端連接的復雜性加深、復合性提高、連接鏈條加長，勢必增加了端到端鏈條中被攻擊的可能性。

近年來，物聯網行業在以史無前例的速度發展。隨著產業應用的引領，物聯網的幾個重要分支，已經進入到很多重要的領域，包括工業物聯網、市政（水、電、燃氣）、智慧廠區/園區/家庭，越重要的應用場景，物聯網安全的重要意義更大。物聯網規?；l展的同時，物聯網安全事件也在不斷增加。這就需要我們盡早從源頭、從體系、從整體上推進物聯網安全工作，減少和避免損失。

同時，智能家居產品是智能家居產業的基礎，是用戶感受智能家居系統最直接的界面。智能生態產品的特點包括：

● 種類繁多，能夠覆蓋到人們日常生活的方方面面；

● 產品智能化，體現在智能聯網、智能控制、智能應用等多個方面；

● 依賴于智能家居平臺，從而體現更大的智能效能。

平臺承載了所有的控制節點、數據存儲、狀態顯示，其安全性直接影響到整個物聯網體系的安全狀況。

6 現有檢測思路的重新審視：

在業內，已經具備較完備的移動智能終端硬件相關檢測能力，包括通信模塊接口、攝像頭與顯示屏、天線性能、電氣安全、可靠性、信息安全等。同時，移動智能終端、應用軟件等相關課題方向，制定相關技術標準及規范，參與國內和國際標準化相關工作，在技術發展和標準化研究方面還在為智能終端硬件檢測添加測試內容。完整的智能終端硬件測試驗證平臺，還應具備產品系統驗證、兼容性、電氣安全、可靠性、電源管理、設備應用場景等關鍵技術與評估驗證，圍繞智能終端硬件技術標準的編制需求，推進智能終端硬件關鍵技術的標準化及評估驗證的規范化，填補國內相關行業標準空白，向國際標準化組織輸出成果，從解決方案優化、標準化推進、評估驗證等多層面推動智能終端硬件新生態的構建。

智能終端硬件產品，近些年在全球范圍內蓬勃發展。根據多年的檢測經驗，智能終端硬件產品檢測，需要實驗室環境與模擬環境下搭建線下與線上的智能終端硬件測試驗證平臺，建設完整的測試標準體系，形成科技服務業商業模式、集成平臺、運營服務體系和檢驗檢測企業標準體系。目前，對智能組網產品、智能網關、5G連接設備、智能生態設備進行必要的實驗驗證。同時，在今后的實驗驗證角度，還應在網絡信息安全及隱私保護、重點產品的信息安全能力、與重要產業應用場景結合的產品驗證、中高端產品用戶使用體驗等方面，加強開展研究。

7 應對挑戰之一，積極布局新技術驗證

在初級階段，采取新技術的智能家居產品，應主要著眼于關鍵技術的實現，把技術吃透，把技術優勢發揮好。同時，扎實打好基礎，要在設計、研發和測試方面投入更多的精力，為今后技術成熟后騰出更多的精力，減少因基礎不牢固造成的浪費。

5G作為蜂窩無線通信技術的最新商用版本，產品的通信性能測試，常規主要包括射頻、協議、無線資源管理幾個方面。其中，射頻技術是無線信號傳播的基本技術，射頻測試是所有測試驗證的基礎。目前，5G的測試技術還在發展完善階段，測試儀表普遍在研發測試腳本階段。協議和無線資源管理測試項目沒有穩定，不具備全面驗證的基礎。5G射頻測試的最核心內容和基本的測試項目已經穩定，經實驗室的反復評估驗證，已經可以客觀反映產品的基本通信性能。

相對于4GLTE，5G是一種全新的技術，由于支持增強移動寬帶的5G終端采用大帶寬及毫米波傳輸，對于終端測試過程中的信號傳輸方式及射頻指標測試測量技術提出了新的挑戰。

5G測試指標的場景化差異，對終端測試指標體系的研究從廣度和復雜度上均大幅度增加。eMBB場景主要面向傳統移動終端，為用戶提供更高速率，更高移動性的業務。在eMBB場景中，主要面向終端物理層協議、射頻及外場方面的參數指標及性能進行測試驗證。uRLLC場景主要面向5G中的新應用，可服務于垂直行業，為特定業務場景提供更高的可靠性和更低的時延保障。在uRLLC場景下，各技術性能指標與不同行業的業務需求聯系緊密，導致uRLLC場景需求碎片化、標準進度滯后，因此為物理層、射頻指標在內的測試方法研究與指標體系構建提出了新的挑戰。

基于eMBB場景的物理層協議測試擬通過對隨機接入，調度，切換等物理層過程進行驗證，進而對上下行信道配置，參考信號配置等物理層參數進行驗證；擬通過儀表環境對調制、波形等物理層關鍵技術進行驗證。

5G無線通信技術引入了新型多址技術、大規模天線、超密集組網、全頻譜接入、新型調制編碼等新技術。新的編碼調制方式、更高的帶寬、多種頻段的組合給5G終端接收機和發射機設計帶來了極大的難度的同時，也給5G終端射頻測試都帶來了極大的挑戰。5G終端射頻指標測試可以分為發射機特性和接收機特性兩個方面。5G終端射頻測試分為傳導和空口（OTA）兩種方式，其中Sub 6G頻段，即6GHz以下以傳導方式為主；而6GHz以上頻段，包括毫米波只能采用空口方式。

Wi-Fi 6進行了全新的技術發展，為應對高帶寬業務、密集用戶接入等未來重點使用場景，針對性開發。Wi-Fi 6的革新技術包括：

1）物理層增強與高效，主要包括：

上行和下行方向正交頻分多址（OFDMA）、上行和下行方向多用戶-多輸入多輸出（MUMIMO）、上行鏈路資源調度、更高的調制方式，1024QAM。

2）MAC層增強與高效，主要包括：

基本服務集著色（BSS Coloring）、雙NAV機制、目標喚醒時間（Target Wakeup Time- TWT）

得益于這些技術的引入，Wi-Fi 6的理論最高速率可達9.6Gbit/s。這可以輕易滿足當前可以想見的業務需求。同時，Wi-Fi 6關注的重點并不是單設備的峰值速率。

Wi-Fi的使用場景中，密集用戶場景是一個典型應用。舊有的Wi-Fi技術，無法滿足像運動場、大型會議等密集場景的應用。簡單的帶寬增加，只有配合上合理的資源調度分配機制，才能起到作用。

另外，Wi-Fi 6也針對設備功耗增加了新的機制，這為Wi-Fi可以更好的服務于智慧家庭、智慧城市等物聯網應用，打下了基礎。

Wi-Fi 6作為一種新型的Wi-Fi無線接入技術版本，產品研發、設計都處于技術發展的初期階段，需要從基礎上進行詳細的驗證，特別是重要的新技術革新。

● Wi-Fi 6采用高達1024QAM的調制方式，需要相位噪聲性能更出色的振蕩器，以及線性能力更優異的射頻前端。測試中，將遵循更嚴格的EVM規定進行驗證。

● Wi-Fi 6采用的OFDMA系統，對于頻率偏移和時間同步誤差非常敏感。但不同于LTE系統直接利用GPS輕松獲得時鐘同步，Wi-Fi 6采取了內建的振蕩器進行同步參考。這需要極為密切的頻率同步化和頻率偏移修正。

● Wi-Fi 6使用更高階次的MIMO，獲得在密集場景下的良好體驗，同時，也給系統設計和驗證帶來了額外的困難。各個天線互相干擾，很容易影響到功率和EVM性能，進而對傳輸率帶來負面且顯著的影響。

8 應對挑戰之二，沉淀基礎應對產品的多樣性

盡管智能家居產品的種類繁多，產品參差不齊，驗證的統一性難度很大。而且還會繼續向更多、更融合、產業更復雜發展，測試驗證挑戰只會越來越大。我們可以從結構化的思維解決，以基礎+測評的方式解決。

首先，無論何種產品，畢竟是家庭使用，安全是根本性要求。因此，對所有智能生態產品，都應加強常規的安規檢驗。引導多類產品研發都從安規出發，不離其宗；引導企業從安規角度考慮，重視產品品質。

第二，從模塊化角度考慮，對產品重要的核心模塊，進行統一標準測試驗證。例如通信模塊、無線充電、電源和功耗這些共性內容。

第三，和產業結合，以評估的方式，解決重點品類、重要品類產品的測試驗證。

1）基礎驗證：

安規就是對產品安全的認證要求，包含組成產品的零件的安全要求，形成完整產品后的整體安全要求。智能生態產品是智能功能和使用功能的結合，企業對這種技術融合帶來的安全問題缺乏重視。很多傳統家居產品企業，設計更符合時代感和現代需求的產品，將智能化功能融入產品設計，注重產品對消費者的吸引，從成本角度考慮而忽略了安全，帶來很多隱患。一些有智能化開發基礎的企業，根據自己的理解將產品開發延伸到家庭使用，可能因經驗不足，忽視了家庭使用產品的安全因素。同時，智能生態產品中，很多和人們直接接觸和使用，對人身安全的影響很大，必須加強安規測試。

另外，電子產品的EMC測試，也非常必要。電磁兼容性，或稱電磁兼容（Electromagnetic compatibility，EMC）是指對電路或電子器件在工作中意外產生、傳播和接收電磁能量的研究。EMC是電子產品可靠性的重要組成部分，是世界各國重點關注的內容之一，是大部分市場準入要求中的必選內容。它確保了產品在受到外界電磁影響時，能夠正常工作，同時不會對周圍其他產品產生大的影響。智能生態產品在家居使用程度越深，家居內產品數量越多，電子產品電磁輻射產生的互相干擾隱患越大。為了減少互相干擾對產品功能、安全的影響，EMC測試應常抓不懈。

2）評估驗證：

智能生態產品的測試，可按照如下步驟評估測試方案：

首先，明確產品形態、功能、組成，確定產品的應用領域和場景，對其產品特性、技術特性有所了解。

第二，作為完整產品形態，首先進行安規和EMC測試驗證。（具體內容要求見后文）。

第三，對該產品的無線網絡連接技術、連接方法、模塊構成進行分析，包括制式、技術、頻率頻段、發射功率等級等。根據分析，確定具體連接測試的驗證方法。（具體內容要求見本章其他部分）。

9 應對挑戰之三，深入產品研發

首先，端類產品，跨在感知層和網絡層之間。

智能端類產品，大體上是功能產品加上通信模塊，但并不是簡單的疊加。為了讓產品的通信功能發揮最佳的效果，設計制造過程中，應充分了解通信模塊的基本原理、規避通信模塊合并設計可能存在的問題、將通信功能和應用場景更好的結合，避免不必要的彎路和成本浪費。

第二，組網不是簡單的堆砌

網絡層，無線特性的優化使用、無線性能的發揮，連接層，信息的有效傳遞、加密要求、可靠性。物聯網產品的使用場景，對通信組網的需求，明確其中的困難、難點、潛在風險。

第三，更智能化的云和大數據處理，結合應用需求，整體智能化匹配。

智能化生態產品帶來海量的數據資源，如何將這些數據充分合理的收集、傳遞和歸納，也依賴于產品的設計研發。平臺管理智能化，控制的有效性、兼容性、友好界面。

智能生態產品獨立工作所能達到的智能化效果非常有限，非常依賴于智能應用平臺、智能化系統設計、其他如組網設備以及其他智能設備的配合。因此在設計制造中，還必須考慮到在組網中的互操作性、兼容性、匹配性。

對于企業來說，也應當充分重視產品開發能力的建設。

首先，企業應對CCC、電氣性能這些基礎的測試驗證加強，重視進網等基礎產品認證要求。企業應重視和加強自身的基礎開發能力、質控能力建設。

第二，企業應加強跨領域融合，讓傳統電子、通信產品的認證測試理念逐步滲入到多形態終端生產領域。企業將行業領域的特殊情況擺在桌面，主動融合成熟電子產品的經驗。

第三，為了保障整體智能家居的功能實現，連接功能需要進行驗證。根據場景需要不同，不同的智能家居生態產品可能選擇不同的無線通信技術，需要進行特定的無線通信測試實施。

10 應對挑戰之四，分層分級評估網絡信息安全

智能家居安全是從底端到頂端的體系化問題。貫穿的單元包括傳感器安全、終端安全、網絡傳輸安全、云安全及應用層安全。每一個層存在信息安全弱點，都會成為攻擊突破口。因此，從整體架構考慮，物聯網信息安全可分別從設備傳感層安全、網絡層安全、數據處理層安全和應用層安全四個方面考慮。

設備傳感層安全，主要是設備安全，需要包括傳感器、芯片、終端、智能卡、外設和設備軟件設計在內的所有環節都考慮其在信息安全方面的加和。物理設計、電路設計、存儲安全這些基礎安全能力，要考慮到應用領域的需要，配合適合的安全設計思路；設備芯片的安全性，是產品最基礎的內容。物聯網設備多樣，但無論何種產品，其主芯片、主要通信芯片、主要處理芯片，都應具備安全設計基礎；一定程度采用安全芯片，是一種靈活、方便的提高產品和系統安全性的方法。根據應用特點，選擇合適的安全芯片，并進行充分的兼容性互通性研究，是必要的。

網絡層信息安全，主要考慮到網絡傳輸安全、接入控制和全程加密。實際上，無論小無線、LORA、Sigfox，還是Wi-Fi、Zigbee、蜂窩通信5G技術，都有自身的安全機制。標準化程度越高的技術，其信息安全機制也越高。因此，根據需要選擇技術，開展傳輸信息安全驗證；為了得到端到端信息安全的保障，應在設計初期采取良好的標識控制、接入認證機制；端到端加密，是在網絡通信的內在信息安全基礎上的信息安全提升。

數據處理層安全和應用層安全，應主要考慮數據存儲安全、云平臺是否具有充足的可靠性背書，或是否具有良好、充足的應用經驗。在整體設計中，應對告警、故障顯示等方面做詳細的設計。

另外，設備的用途不同、應用所處環境不同，其信息安全級別也有不同的需求。因此分層分用途進行信息安全的評估和認定，即有利于產品和方案的有序發展，也有利于信息安全用途的安全規劃和方案選擇。

總之，數字家庭、智慧家居，給我們的生活帶來改變，立足產業基礎，開展新產品創新研發應用的同時，應對相關產品的品質驗證和保證、使用效果評價提高重視?！?/p>