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

引 言

隨著科技的進(jìn)步，科技生產(chǎn)力推動了網(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)對周圍環(huán)境進(jìn)行感知識別并采集數(shù)據(jù) ；應(yīng)用層則側(cè)重對感知層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和分析處理，從而達(dá)到對物理世界實(shí)時控制、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 [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)

我國傳統(tǒng)制造業(yè)面臨勞動力成本不斷上升、原材料利用率持續(xù)低下、能耗問題一直突出、環(huán)保意識普遍淺薄等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率提高困難，進(jìn)而嚴(yán)重影響我國制造企業(yè)的全球競爭力和社會影響力。智慧工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過構(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、降低生產(chǎn)成本、減少能源消耗， 推動制造業(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，并為其他各個組成部分提供所需的重要信息，構(gòu)建了一個自動化、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輛和行人服務(wù)。

前端傳感偵測系統(tǒng)包括車載傳感和交通管理設(shè)施偵測， 可以通過對車輛和交通管理設(shè)施配備各類傳感器，采集各種狀況的數(shù)據(jù)，如路面狀況、車流量狀況、車速、行人情況等實(shí)時數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)同步傳送至信息存儲及處理系統(tǒng)，系統(tǒng)及時分析、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)備或車輛終端，實(shí)時管理、疏通、引導(dǎo)車輛和行人。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車輛違章行為的監(jiān)控。激光雷達(dá)利用激光傳感技術(shù)采集車輛特征數(shù)據(jù)和運(yùn)動屬性數(shù)據(jù)，達(dá)到監(jiān)控車流量的效果。

1.3 輔助駕駛汽車

輔助駕駛汽車本質(zhì)上是一個巨大的傳感器網(wǎng)絡(luò)。汽車個體都可以被視為一個超級傳感器集合，通常一輛汽車配備了內(nèi)部和外部溫度計(jì)、亮度傳感器、一個或多個攝像頭、麥克風(fēng)、超聲波雷達(dá)以及其他傳感器 [12-13]。隨著智能汽車的發(fā)展，車載電腦、GPS定位儀和無線收發(fā)器等裝置都已成為現(xiàn)有高端汽車標(biāo)準(zhǔn)配置。智能汽車能夠通過車輛各部位安裝的各種傳感器感知車輛自身情況和周圍環(huán)境態(tài)勢，從而分析并判斷車輛行駛狀況，并控制車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)提升了車輛對周圍環(huán)境的感知與控制能力，也使得行駛車輛之間甚至行車和路邊基站之間能夠無線通信。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)揮多種不同類型的傳感器技術(shù)優(yōu)勢，并根據(jù)需求對傳感器感知信息進(jìn)行整合，以獲得所在環(huán)境和檢測對象更加精確的信息，如路面位置、行駛速度、車輛身份信息等，從而使得車輛能夠?qū)Ξ?dāng)前環(huán)境態(tài)勢和自身狀況進(jìn)行更為全面而及時的評估，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。智能家居設(shè)備的相應(yīng)數(shù)據(jù)由傳感器感知采集， 并通過無線通信技術(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，如果沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，那么后續(xù)的自動控制將毫無意義 [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。其中音視頻傳感器是智能家居交流和互動使用的主要傳感技術(shù)。

2 傳感器可靠性評價

近年來，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品發(fā)展迅速，但是相關(guān)檢測規(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價，所以即使是相同傳感器因工作環(huán)境不同采用的測試標(biāo)準(zhǔn)不同，可靠性評價的試驗(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，對各個應(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)境不同需要檢測的試驗(yàn)項(xiàng)目也各不相同。例如，對于工業(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)目見表 1 所列。

圖 3 環(huán)境可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目分類

3 結(jié) 語

在物聯(lián)網(wǎng)時代背景下，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品帶來的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了商業(yè)領(lǐng)域，其不僅能帶來商業(yè)價值亦能產(chǎn)生社會價值。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，所以對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品傳感器進(jìn)行針對性環(huán)境可靠性測試意義明顯。