智能傳感器在智能家電中的應用現狀

劉夢娟，胡進偉

（中國質量認證中心，廣東 廣州510663）

1 背景

當前，家電行業供給側結構性改革進入突破性階段，產業結構升級調整，智能化技術正加速為所有家電產品賦能，智能家電是大勢所趨。中國智能家電市場前景非常可觀，前瞻產業研究院數據顯示，2018年家電智能市場的規模將近3 500億元。預測到2024年，可實現智能家電產業規模在2018年的基礎上翻一番，達到7 000 億元。隨著智能化技術的愈加完善和成熟、物聯網和互聯網的不斷發展融合、國家利好政策的推動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品的主要發展趨勢。

家電智能化的實現主要依賴于智能芯片、智能控制器、智能傳感器、物聯網模塊等核心部件以及物聯網、人工智能、云計算等關鍵技術。其中智能傳感器作為智能家電中最核心的關鍵零部件，其采集信息的能力和質量，會對計算單元處理和傳輸信息的能力產生直接影響。這一特質使其在整個物聯網應用系統扮演著不可或缺的角色。英特爾公司、ADI、安森美半導體、艾邁斯半導體等多家半導體龍頭企業紛紛加入了對智能傳感器的布局。在此背景下，只有做好對傳感器產品的相關研究工作，才能為智能家電產業的高質量發展提供堅實的技術支撐。

2 智能傳感器的常見類型

智能家電的一大特點是實現對家電產品的控制，隨著物聯網的發展，越來越多的智能傳感器將被用于家電中，如空調、冰箱、洗衣機、照明、電視等。智能傳感器在智能家電領域的應用非常廣泛，已成為傳統家電轉型升級為智能家電的重要驅動因素。智能傳感器的最大優勢在于，它可以在工作過程中通過運用數據來控制子系統以及調節其內部行為，進而消除外界的影響達到最好的效果[1]。智能傳感器的結構如圖1所示。

對智能化傳感器分類有不同的標準，分類方式多種多樣，這里主要從智能化角度對智能傳感器進行分類。

圖1 智能傳感器結構示意圖

2.1 按智能傳感器結構分類

2.1.1 模塊式智能傳感器

模塊式智能傳感器的結構如圖2所示。模塊式智能傳感器系統的整體由信號調理電路、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構圖

2.1.2 集成式智能傳感器

集成式智能傳感器的結構如圖3 所示。集成式智能傳感器中的信號調理電路、接口電路、傳感單元和微處理單元這四部分通過大規模集成電路技術和微處理器技術被集成在單個芯片上[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構是通過不同的組合形式把傳感器的各個環節集成在多塊芯片上，并將它們密封在同一個外殼中，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 按智能化技術分類

根據智能化技術又可分為采集存儲型智能傳感器、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（根據智能化技術歸類）

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

3 智能家電領域中智能傳感器現狀

3.1 國內智能傳感器產業相對落后

智能家電領域的智能傳感器市場目前基本被國際巨頭企業把控。近年來，中國智能傳感器發展速度較快，但由于起步時間晚、技術經驗積累不足等原因，導致國內企業整體上仍然存在規模以中小型為主、解決方案供給能力薄弱、產品線相對單一等系列問題。傳感器種類繁多，加上技術門檻不一，中國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。據統計，中國中高端智能傳感器主要依賴于進口，其進口比例超過80%，而高新技術產品如數字化、微型化、智能化等更是嚴重匱乏。

表2 智能傳感器的分類（根據信號硬件處理的不同歸類）

3.2 在智能特性的評價與測試方面標準少

近年來隨著技術快速發展，大量新型智能家電產品的出現對測試方法標準也提出了新的需求，智能家電企業往往只注重整機產品測試，而對智能傳感器這種關鍵部件在整機中應用的測試關注較少，導致智能家電傳感器可靠性、整機測試等標準缺失。比如對智能家電傳感器可靠性、功能測試的標準較少，未考慮家電實際應用場景的復雜環境等?，F有的智能傳感器標準，雖涉及到性能評定方法、可靠性設計方法與評審，但往往剝離了整機的使用場景，造成性能要求失配、測試手段不足、測試環境差異等行業共性問題。

3.3 傳統的測試方式周期長且成本高

目前智能家電使用的傳感器種類繁多，具有較大應用面的傳感器主要包括傳統的溫度濕度傳感器、氣體與氣味傳感器、紅外傳感器與非接觸感溫模塊、手勢識別模塊、人體感應與識別模塊、麥克風與語音識別模塊、攝像頭與圖像識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用各自有不同的功能特點和測試要求。傳統測試方法最大的弊端是，一旦測試對象發生變化，其測試系統的源程序也要求做出相應的修改，從而造成測試時間過長；由于每個測試項目有各自的測試要求，導致已經開發成功的測試軟件不能多次重復使用，進而造成測試成本過高，無法構建高效便捷的測試環境[2]。

4 建議和對策

4.1 加大研發投入

針對當前中國智能傳感器技術薄弱、創新能力不強、有效供給不足、主要依賴于進口等系列問題，國家先后相繼出臺了《中國制造2025》《加快推進傳感器及智能化儀器儀表產業發展行動計劃》《智能傳感器產業三年行動指南（2017—2019）》等多項產業推動政策，鼓勵國內智能傳感器行業巨頭企業、國家科研機構、全國重點大學加大對智能傳感器的研發投入，綜合利用政策、市場、項目等多種渠道，補齊設計、制造、封裝、測試、芯片等關鍵技術短板，研發集信息采集、計算、存儲、決策等功能于一體的智能傳感器，提升中國智能傳感器產業的核心競爭力，從而推動智能家電領域的快速發展。

4.2 制定技術標準

梳理智能家電關鍵部件的現狀，制定智能家電傳感器的技術標準是提升國內智能家電行業整體質量水平的有效手段。智能家電行業智能傳感器模塊的測試指標包括靜態特性量程和范圍、線性度、滯環、分辨率、靈敏度、重復性、靜態誤差、穩定性等，動態特性階躍響應和頻率。通過對傳感器行業指標研究，深入研究實際測試需求和技術要求，結合智能家電和智能傳感器行業的發展及技術現狀，綜合考慮反映智能傳感器的技術屬性和產品屬性，制定統一的測試驗證規范標準，完善智能家電標準體系，進而建立健全智能傳感器在智能家電中應用的試驗驗證能力，實現智能傳感器與整機測試聯動測試，最終提升面向智能家電領域的智能傳感器的可靠性、穩定性與兼容性。

4.3 建立典型故障案例庫、典型故障模型庫

傳統的測試方法存在測試測試周期長、測試成本高等缺點，不能很好地滿足智能傳感器快速發展的需求。針對這些迫切需求，需要找到更加高效、便捷的檢測方式，收集、分析、總結、歸納、預測有關智能傳感器故障的信息，同時建立健全的測試驗證能力，開展深入測試研究，根據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，確認各類部件在板級組裝、整機應用或可靠性試驗等過程中出現故障時的現象、故障模式，分辨故障機理、故障原因及相應的影響因素、預防措施等。開發部件應用系統，內嵌案例數據庫，實現計算機管理，更方便地為系統操作者提供有價值的科學依據和信息參考，為智能傳感器的故障分析打造一個易于使用、多維配置、高度可擴展的環境[2]。

5 展望

智能傳感器作為物聯網的基礎，廣泛應用于智能家電產品中，在推動家電智能化升級進程中扮演著不可或缺的角色。世界各國都非常重視智能傳感器的發展，紛紛加大對這一領域的布局，中國更是將智能傳感器上升為國家戰略的高度。相信在不久的將來，通過加大智能傳感器的研發投入、積極制定可靠性測試評估標準、建立典型故障案例庫和模型庫等相關措施，智能家電領域中的智能傳感器將會邁入新的臺階。