智能傳感器在智能家電中的應(yīng)用現(xiàn)狀

劉夢(mèng)娟，胡進(jìn)偉

（中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心，廣東 廣州510663）

1 背景

當(dāng)前，家電行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革進(jìn)入突破性階段，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)調(diào)整，智能化技術(shù)正加速為所有家電產(chǎn)品賦能，智能家電是大勢(shì)所趨。中國(guó)智能家電市場(chǎng)前景非?？捎^，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，2018年家電智能市場(chǎng)的規(guī)模將近3 500億元。預(yù)測(cè)到2024年，可實(shí)現(xiàn)智能家電產(chǎn)業(yè)規(guī)模在2018年的基礎(chǔ)上翻一番，達(dá)到7 000 億元。隨著智能化技術(shù)的愈加完善和成熟、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展融合、國(guó)家利好政策的推動(dòng)和不同水平品牌商積極配合的大背景下，未來家電智能化將成為家電產(chǎn)品的主要發(fā)展趨勢(shì)。

家電智能化的實(shí)現(xiàn)主要依賴于智能芯片、智能控制器、智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)模塊等核心部件以及物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)。其中智能傳感器作為智能家電中最核心的關(guān)鍵零部件，其采集信息的能力和質(zhì)量，會(huì)對(duì)計(jì)算單元處理和傳輸信息的能力產(chǎn)生直接影響。這一特質(zhì)使其在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)扮演著不可或缺的角色。英特爾公司、ADI、安森美半導(dǎo)體、艾邁斯半導(dǎo)體等多家半導(dǎo)體龍頭企業(yè)紛紛加入了對(duì)智能傳感器的布局。在此背景下，只有做好對(duì)傳感器產(chǎn)品的相關(guān)研究工作，才能為智能家電產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

2 智能傳感器的常見類型

智能家電的一大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)對(duì)家電產(chǎn)品的控制，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的智能傳感器將被用于家電中，如空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、照明、電視等。智能傳感器在智能家電領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，已成為傳統(tǒng)家電轉(zhuǎn)型升級(jí)為智能家電的重要驅(qū)動(dòng)因素。智能傳感器的最大優(yōu)勢(shì)在于，它可以在工作過程中通過運(yùn)用數(shù)據(jù)來控制子系統(tǒng)以及調(diào)節(jié)其內(nèi)部行為，進(jìn)而消除外界的影響達(dá)到最好的效果[1]。智能傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對(duì)智能化傳感器分類有不同的標(biāo)準(zhǔn)，分類方式多種多樣，這里主要從智能化角度對(duì)智能傳感器進(jìn)行分類。

圖1 智能傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 按智能傳感器結(jié)構(gòu)分類

2.1.1 模塊式智能傳感器

模塊式智能傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。模塊式智能傳感器系統(tǒng)的整體由信號(hào)調(diào)理電路、傳感器敏感組件以及具有接口的微處理單元三部分組成[1]。

圖2 模塊式智能傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 集成式智能傳感器

集成式智能傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。集成式智能傳感器中的信號(hào)調(diào)理電路、接口電路、傳感單元和微處理單元這四部分通過大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理器技術(shù)被集成在單個(gè)芯片上[1]。

圖3 集成式智能傳感器組成圖

2.1.3 混合式智能傳感器

混合式智能傳感器的結(jié)構(gòu)是通過不同的組合形式把傳感器的各個(gè)環(huán)節(jié)集成在多塊芯片上，并將它們密封在同一個(gè)外殼中，幾種比較典型的混合式智能傳感器如圖4 所示。

圖4 混合式智能傳感器組成圖

2.2 按智能化技術(shù)分類

根據(jù)智能化技術(shù)又可分為采集存儲(chǔ)型智能傳感器、篩選型智能傳感器、控制型智能傳感器和其他智能傳感器，如表1 所示。

表1 智能傳感器的分類（根據(jù)智能化技術(shù)歸類）

按信號(hào)硬件處理的不同，智能傳感器又可分為基于系統(tǒng)IC、基于系統(tǒng)SoC 和其他處理硬件的智能傳感器，如表2 所示。

3 智能家電領(lǐng)域中智能傳感器現(xiàn)狀

3.1 國(guó)內(nèi)智能傳感器產(chǎn)業(yè)相對(duì)落后

智能家電領(lǐng)域的智能傳感器市場(chǎng)目前基本被國(guó)際巨頭企業(yè)把控。近年來，中國(guó)智能傳感器發(fā)展速度較快，但由于起步時(shí)間晚、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累不足等原因，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)企業(yè)整體上仍然存在規(guī)模以中小型為主、解決方案供給能力薄弱、產(chǎn)品線相對(duì)單一等系列問題。傳感器種類繁多，加上技術(shù)門檻不一，中國(guó)雖在普通的傳感器上有所布局，但高精度的傳感器仍然是短板。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)中高端智能傳感器主要依賴于進(jìn)口，其進(jìn)口比例超過80%，而高新技術(shù)產(chǎn)品如數(shù)字化、微型化、智能化等更是嚴(yán)重匱乏。

表2 智能傳感器的分類（根據(jù)信號(hào)硬件處理的不同歸類）

3.2 在智能特性的評(píng)價(jià)與測(cè)試方面標(biāo)準(zhǔn)少

近年來隨著技術(shù)快速發(fā)展，大量新型智能家電產(chǎn)品的出現(xiàn)對(duì)測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)也提出了新的需求，智能家電企業(yè)往往只注重整機(jī)產(chǎn)品測(cè)試，而對(duì)智能傳感器這種關(guān)鍵部件在整機(jī)中應(yīng)用的測(cè)試關(guān)注較少，導(dǎo)致智能家電傳感器可靠性、整機(jī)測(cè)試等標(biāo)準(zhǔn)缺失。比如對(duì)智能家電傳感器可靠性、功能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)較少，未考慮家電實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜環(huán)境等?，F(xiàn)有的智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)，雖涉及到性能評(píng)定方法、可靠性設(shè)計(jì)方法與評(píng)審，但往往剝離了整機(jī)的使用場(chǎng)景，造成性能要求失配、測(cè)試手段不足、測(cè)試環(huán)境差異等行業(yè)共性問題。

3.3 傳統(tǒng)的測(cè)試方式周期長(zhǎng)且成本高

目前智能家電使用的傳感器種類繁多，具有較大應(yīng)用面的傳感器主要包括傳統(tǒng)的溫度濕度傳感器、氣體與氣味傳感器、紅外傳感器與非接觸感溫模塊、手勢(shì)識(shí)別模塊、人體感應(yīng)與識(shí)別模塊、麥克風(fēng)與語音識(shí)別模塊、攝像頭與圖像識(shí)別模塊等新興的智能傳感器，上述所列新興智能傳感器在智能家電中的應(yīng)用各自有不同的功能特點(diǎn)和測(cè)試要求。傳統(tǒng)測(cè)試方法最大的弊端是，一旦測(cè)試對(duì)象發(fā)生變化，其測(cè)試系統(tǒng)的源程序也要求做出相應(yīng)的修改，從而造成測(cè)試時(shí)間過長(zhǎng)；由于每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目有各自的測(cè)試要求，導(dǎo)致已經(jīng)開發(fā)成功的測(cè)試軟件不能多次重復(fù)使用，進(jìn)而造成測(cè)試成本過高，無法構(gòu)建高效便捷的測(cè)試環(huán)境[2]。

4 建議和對(duì)策

4.1 加大研發(fā)投入

針對(duì)當(dāng)前中國(guó)智能傳感器技術(shù)薄弱、創(chuàng)新能力不強(qiáng)、有效供給不足、主要依賴于進(jìn)口等系列問題，國(guó)家先后相繼出臺(tái)了《中國(guó)制造2025》《加快推進(jìn)傳感器及智能化儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動(dòng)指南（2017—2019）》等多項(xiàng)產(chǎn)業(yè)推動(dòng)政策，鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)智能傳感器行業(yè)巨頭企業(yè)、國(guó)家科研機(jī)構(gòu)、全國(guó)重點(diǎn)大學(xué)加大對(duì)智能傳感器的研發(fā)投入，綜合利用政策、市場(chǎng)、項(xiàng)目等多種渠道，補(bǔ)齊設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試、芯片等關(guān)鍵技術(shù)短板，研發(fā)集信息采集、計(jì)算、存儲(chǔ)、決策等功能于一體的智能傳感器，提升中國(guó)智能傳感器產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，從而推動(dòng)智能家電領(lǐng)域的快速發(fā)展。

4.2 制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

梳理智能家電關(guān)鍵部件的現(xiàn)狀，制定智能家電傳感器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是提升國(guó)內(nèi)智能家電行業(yè)整體質(zhì)量水平的有效手段。智能家電行業(yè)智能傳感器模塊的測(cè)試指標(biāo)包括靜態(tài)特性量程和范圍、線性度、滯環(huán)、分辨率、靈敏度、重復(fù)性、靜態(tài)誤差、穩(wěn)定性等，動(dòng)態(tài)特性階躍響應(yīng)和頻率。通過對(duì)傳感器行業(yè)指標(biāo)研究，深入研究實(shí)際測(cè)試需求和技術(shù)要求，結(jié)合智能家電和智能傳感器行業(yè)的發(fā)展及技術(shù)現(xiàn)狀，綜合考慮反映智能傳感器的技術(shù)屬性和產(chǎn)品屬性，制定統(tǒng)一的測(cè)試驗(yàn)證規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，完善智能家電標(biāo)準(zhǔn)體系，進(jìn)而建立健全智能傳感器在智能家電中應(yīng)用的試驗(yàn)驗(yàn)證能力，實(shí)現(xiàn)智能傳感器與整機(jī)測(cè)試聯(lián)動(dòng)測(cè)試，最終提升面向智能家電領(lǐng)域的智能傳感器的可靠性、穩(wěn)定性與兼容性。

4.3 建立典型故障案例庫、典型故障模型庫

傳統(tǒng)的測(cè)試方法存在測(cè)試測(cè)試周期長(zhǎng)、測(cè)試成本高等缺點(diǎn)，不能很好地滿足智能傳感器快速發(fā)展的需求。針對(duì)這些迫切需求，需要找到更加高效、便捷的檢測(cè)方式，收集、分析、總結(jié)、歸納、預(yù)測(cè)有關(guān)智能傳感器故障的信息，同時(shí)建立健全的測(cè)試驗(yàn)證能力，開展深入測(cè)試研究，根據(jù)智能傳感器的特性配置典型故障案例庫和模型庫，案例庫通過分析研究，確認(rèn)各類部件在板級(jí)組裝、整機(jī)應(yīng)用或可靠性試驗(yàn)等過程中出現(xiàn)故障時(shí)的現(xiàn)象、故障模式，分辨故障機(jī)理、故障原因及相應(yīng)的影響因素、預(yù)防措施等。開發(fā)部件應(yīng)用系統(tǒng)，內(nèi)嵌案例數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)管理，更方便地為系統(tǒng)操作者提供有價(jià)值的科學(xué)依據(jù)和信息參考，為智能傳感器的故障分析打造一個(gè)易于使用、多維配置、高度可擴(kuò)展的環(huán)境[2]。

5 展望

智能傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于智能家電產(chǎn)品中，在推動(dòng)家電智能化升級(jí)進(jìn)程中扮演著不可或缺的角色。世界各國(guó)都非常重視智能傳感器的發(fā)展，紛紛加大對(duì)這一領(lǐng)域的布局，中國(guó)更是將智能傳感器上升為國(guó)家戰(zhàn)略的高度。相信在不久的將來，通過加大智能傳感器的研發(fā)投入、積極制定可靠性測(cè)試評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)、建立典型故障案例庫和模型庫等相關(guān)措施，智能家電領(lǐng)域中的智能傳感器將會(huì)邁入新的臺(tái)階。