物联网产品应用领域及其传感器环境可靠性评价研究

引 言

随着科技的进步，科技生产力推动了网络技术、软件系统等信息技术发展，也推动了传感技术、制造工艺的突飞猛

进，物联网技术的发展应运而生 [1-3]。物联网从框架结构的角度可划分为感知层、应用层和网络层 3 层。感知层利用感知传感技术对周围环境进行感知识别并采集数据 ；应用层则侧重对感知层采集的数据进行计算、统计和分析处理，从而达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的 ；网络层注重互通互联感知层和应用层的感知数据与决策信息，必要时也与外界进行数据传输。物联网的显著特征是物联网架构的感知层和应用层，也是物联网的核心所在。

从信息传输空间的角度考虑，人们将感知层和应用层分布在物联网框架的两端，如图 1 所示。然而，从现实工作空间的角度讨论，感知层和应用层大多集成于智能设备，如图 2所示，这主要是为了确保传感器采集数据的真实性和内部数据传输的时效性。

智能设备的发展就是物联网技术的充分体现，如辅助驾驶汽车 [4]、智能手机 [5]、智能家电 [6] 等。目前，物联网技术的研究主要集中在开发智能设备的新颖功能 [7]，然而却忽视了智能设备耐用可靠方面的技术支持，尤其是所用传感器根据所处工作环境的可靠性分析往往被忽略 [8]。

1 物联网产品应用领域

物联网产品助推各行各业向智慧、便捷、人性化方向发展。其中，传感器被布置于工作环境中，直接参与每一次数据采集，为应用层执行每一次任务提供数据支持 [9]。

1.1 智慧工业

我国传统制造业面临劳动力成本不断上升、原材料利用率持续低下、能耗问题一直突出、环保意识普遍浅薄等严峻挑战，导致生产效率提高困难，进而严重影响我国制造企业的全球竞争力和社会影响力。智慧工业物联网技术通过构建物联网，优化调度制造业全流程，实现制造机械过程与信息系统的深度融合，从而孕育先进的制造业生产模式，提升产品附加值、加速转型升级、降低生产成本、减少能源消耗， 推动制造业向全球化、信息化、智能化、绿色化方向发展 [10]。作为制造业信息化的一种新兴技术，制造物联技术是现代制造工业中出现的一种新型制造模式和信息服务模式的技术， 它能够催生先进的制造业生产模式。

物联网在工业应用领域及主要涉及的数据采集传感器有 ：制造业供应链管理—RFID，生产过程工艺优化—（温湿度、压力、速度）传感器，产品监控管理—工业相机。

1.2 智慧交通

智慧交通是一个完善的数据收集、信息传递、技术处理的交通系统，即以云计算、人工智能、感知传感等多种技术为基础实现智能传感 - 通信传输 - 数据处理 - 信息网络等功能 [11]。智慧交通物联网体系由两大模块组成 ：一是前端传感侦测系统，二是智慧交通数据处理系统。物联网体系的各个组成单元都能够进行彼此之间的数据传输，从而达到所有交通信息的综合处理，并为其他各个组成部分提供所需的重要信息，构建了一个自动化、智能化的交通管理系统，更加科学化、人性化地为道路上的车辆和行人服务。

前端传感侦测系统包括车载传感和交通管理设施侦测， 可以通过对车辆和交通管理设施配备各类传感器，采集各种状况的数据，如路面状况、车流量状况、车速、行人情况等实时数据。该数据同步传送至信息存储及处理系统，系统及时分析、处理交通信息数据并迅速制定出处理方案反馈至前端交通管理设备或车辆终端，实时管理、疏通、引导车辆和行人。视频传感技术和图像处理技术可单独或与其他传感器配合完成对车辆违章行为的监控。激光雷达利用激光传感技术采集车辆特征数据和运动属性数据，达到监控车流量的效果。

1.3 辅助驾驶汽车

辅助驾驶汽车本质上是一个巨大的传感器网络。汽车个体都可以被视为一个超级传感器集合，通常一辆汽车配备了内部和外部温度计、亮度传感器、一个或多个摄像头、麦克风、超声波雷达以及其他传感器 [12-13]。随着智能汽车的发展，车载电脑、GPS定位仪和无线收发器等装置都已成为现有高端汽车标准配置。智能汽车能够通过车辆各部位安装的各种传感器感知车辆自身情况和周围环境态势，从而分析并判断车辆行驶状况，并控制车辆按照人的意愿到达目的地，最终达到替代人进行自动驾驶操作的目的。传感器网络连接计算机系统提升了车辆对周围环境的感知与控制能力，也使得行驶车辆之间甚至行车和路边基站之间能够无线通信。然而，各种环境感知传感器有着各自不同的特性，在使用中存在着各自的优势功能和技术盲区。

目前，摄像头、毫米波雷达及激光雷达、多传感器信息融合技术可以充分发挥多种不同类型的传感器技术优势，并根据需求对传感器感知信息进行整合，以获得所在环境和检测对象更加精确的信息，如路面位置、行驶速度、车辆身份信息等，从而使得车辆能够对当前环境态势和自身状况进行更为全面而及时的评估，进而做出更为智能合理的判断和控制。

1.4 智能家居

智能家居系统利用物联网技术和感知传感技术，依照家庭和个人生活需求，由家庭局域网将与家居生活息息相关的通信设备、家庭生活用电器及家用安防设备，连接到家用智能化体系上，该体系可执行现场内部或异地远端的监视和控制。利用物联网智能控制和管理，人们可合理安排时间，优化家庭生活形态，提高家居生活的舒适性和安全性，实现“以人为中心”的新型家居生活享受形式。此外，智能家居内各式各样的电器设备之间也可相互接发数据，根据不同的运行状态智能互动。智能家居设备的相应数据由传感器感知采集， 并通过无线通信技术传递到家庭网关中，最后直接发送至本地智能控制端或者经过互联网将数据发送到远程控制端。

其中，数据采集是智能家居中的第一步，如果没有准确的数据，那么后续的自动控制将毫无意义 [14]。传统家居以人的感官（眼和耳）为主进行数据采集，进行相应的判断并操控相应的家用电器，因此采用传感器技术代替人进行数据采集是必然趋势。其中音视频传感器是智能家居交流和互动使用的主要传感技术。

2 传感器可靠性评价

近年来，物联网产品发展迅速，但是相关检测规范不同步，导致各应用领域物联网产品注重功能创新轻视质量。然而，物联网产品智能分析及使用的前提是持续确保数据采集的真实性、可靠性、持续性。采集端硬件感知传感器因其工作环境不同需做出不同的可靠性评价，所以即使是相同传感器因工作环境不同采用的测试标准不同，可靠性评价的试验内容和试验参数的差异性也是十分明显的。

基于图像处理技术，摄像头在各个领域的数据采集方面都扮演着重要角色。本文以摄像头为例，对各个应用领域中重点关注的环境可靠性试验项目进行分析。环境可靠性试验可分为气候条件试验、机械强度试验和电磁兼容试验三大项， 每一大项都涵盖多个试验项目，如图 3 所示。摄像头的环境可靠性试验因工作环境不同需要检测的试验项目也各不相同。例如，对于工业相机，因工作环境差异巨大，需做出“因地制宜”的环境可靠性试验 ；手机摄像头与手机都需在机械强度试验中做跌落试验 ；车载镜头与普通民用电子产品不同， 在环境试验项目中要求比较多，如做气体腐蚀试验、冲击试验和大量的电磁兼容相关试验 ；在电磁兼容试验中，道路监控工作环境特殊性应与路灯类似做浪涌发生试验。各应用环境中摄像头环境可靠性试验项目见表 1 所列。

图 3 环境可靠性试验项目分类

3 结 语

在物联网时代背景下，物联网产品带来的影响远远超出了商业领域，其不仅能带来商业价值亦能产生社会价值。物联网产品创新发展不仅要注重功能新颖，对其产品的稳定性和可靠性也应越加重视。物联网传感层与应用层在实际工作层面相互重叠，导致产品传感器工作环境复杂化，所以对物联网产品传感器进行针对性环境可靠性测试意义明显。