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智能传感器在智能家电中的应用现状

www.cechina.cn2021.09.27阅读 1043

  随着5G时代的到来,智能家电成为大势所趋,深深影响和改变着人们的生活。家电智能化的实现主要依靠智能芯片、智能传感器、智能控制器、物联网模块等核心部件以及物联网、人工智能云计算等关键技术。其中,智能传感器作为智能家电中最核心的零部件,其质量、可靠性和性能水平将对智能家电品质产生重大影响。主要从智能传感器的分类、在智能家电领域中的应用现状、建议和对策这几个方面进行介绍。
  1 背景
  当前,家电行业供给侧结构性改革进入突破性阶段,产业结构升级调整,智能化技术正加速为所有家电产品赋能,智能家电是大势所趋。中国智能家电市场前景非常可观,前瞻产业研究院数据显示,2018 年家电智能市场的规模将近3500亿元。预测到2024年,可实现智能家电产业规模在2018年的基础上翻一番,达到7000亿元。随着智能化技术的愈加完善和成熟、物联网和互联网的不断发展融合、国家利好政策的推动和不同水平品牌商积极配合的大背景下,未来家电智能化将成为家电产品的主要发展趋势。
  家电智能化的实现主要依赖于智能芯片、智能控制器、智能传感器、物联网模块等核心部件以及物联网、人工智能、云计算等关键技术。其中智能传感器作为智能家电中最核心的关键零部件,其采集信息的能力和质量,会对计算单元处理和传输信息的能力产生直接影响。这一特质使其在整个物联网应用系统扮演着不可或缺的角色。英特尔公司、ADI、安森美半导体、艾迈斯半导体等多家半导体龙头企业纷纷加入了对智能传感器的布局。在此背景下,只有做好对传感器产品的相关研究工作,才能为智能家电产业的高质量发展提供坚实的技术支撑。
  2 智能传感器的常见类型
  智能家电的一大特点是实现对家电产品的控制,随着物联网的发展,越来越多的智能传感器将被用于家电中,如空调、冰箱、洗衣机、照明、电视等。智能传感器在智能家电领域的应用非常广泛www.cechina.cn,已成为传统家电转型升级为智能家电的重要驱动因素。智能传感器的最大优势在于,它可以在工作过程中通过运用数据来控制子系统以及调节其内部行为,进而消除外界的影响达到最好的效果[1]。智能传感器的结构如图1所示。对智能化传感器分类有不同的标准,分类方式多种多样,这里主要从智能化角度对智能传感器进行分类。

图1 智能传感器结构示意图

  2.1 按智能传感器结构分类
  2.1.1 模块式智能传感器
  模块式智能传感器的结构如图2所示。模块式智能传感器系统的整体由信号调理电路、传感器敏感组件以及具有接口的微处理单元三部分组成[1]。

图2 模块式智能传感器结构图

  2.1.2 集成式智能传感器
  集成式智能传感器的结构如图3所示。集成式智能传感器中的信号调理电路、接口电路、传感单元和微处理单元这四部分通过大规模集成电路技术和微处理器技术被集成在单个芯片上[1]。

图3 集成式智能传感器组成图

  2.1.3 混合式智能传感器
  混合式智能传感器的结构是通过不同的组合形式把传感器的各个环节集成在多块芯片上,并将它们密封在同一个外壳中,几种比较典型的混合式智能传感器如图4所示。

图4 混合式智能传感器组成图

  2.2 按智能化技术分类
  根据智能化技术又可分为采集存储型智能传感器、筛选型智能传感器、控制型智能传感器和其他智能传感器,如表1所示。

表1 智能传感器的分类 (根据智能化技术归类)

  按信号硬件处理的不同,智能传感器又可分为基于系统IC、基于系统 SoC 和其他处理硬件的智能传感器,如表2所示。

表 2 智能传感器的分类 (根据信号硬件处理的不同归类)

  3 智能家电领域中智能传感器现状
  3.1 国内智能传感器产业相对落后
  智能家电领域的智能传感器市场目前基本被国际巨头企业把控。近年来,中国智能传感器发展速度较快,但由于起步时间晚、技术经验积累不足等原因,导致国内企业整体上仍然存在规模以中小型为主、解决方案供给能力薄弱、产品线相对单一等系列问题。传感器种类繁多,加上技术门槛不一,中国虽在普通的传感器上有所布局,但高精度的传感器仍然是短板。据统计,中国中高端智能传感器主要依赖于进口CONTROL ENGINEERING China版权所有,其进口比例超过 80%,而高新技术产品如数字化、微型化、智能化等更是严重匮乏。
  3.2 在智能特性的评价与测试方面标准少
  近年来随着技术快速发展,大量新型智能家电产品的出现对测试方法标准也提出了新的需求CONTROL ENGINEERING China版权所有,智能家电企业往往只注重整机产品测试,而对智能传感器这种关键部件在整机中应用的测试关注较少,导致智能家电传感器可靠性、整机测试等标准缺失。比如对智能家电传感器可靠性、功能测试的标准较少,未考虑家电实际应用场景的复杂环境等。现有的智能传感器标准,虽涉及到性能评定方法、可靠性设计方法与评审,但往往剥离了整机的使用场景,造成性能要求失配、测试手段不足、测试环境差异等行业共性问题。
  3.3 传统的测试方式周期长且成本高
  目前智能家电使用的传感器种类繁多,具有较大应用面的传感器主要包括传统的温度湿度传感器、气体与气味传感器、红外传感器与非接触感温模块、手势识别模块、人体感应与识别模块、麦克风与语音识别模块、摄像头与图像识别模块等新兴的智能传感器,上述所列新兴智能传感器在智能家电中的应用各自有不同的功能特点和测试要求。传统测试方法最大的弊端是,一旦测试对象发生变化,其测试系统的源程序也要求做出相应的修改,从而造成测试时间过长;由于每个测试项目有各自的测试要求,导致已经开发成功的测试软件不能多次重复使用,进而造成测试成本过高,无法构建高效便捷的测试环境[2]。
  4 建议和对策
  4.1 加大研发投入
  针对当前中国智能传感器技术薄弱、创新能力不强、有效供给不足、主要依赖于进口等系列问题,国家先后相继出台了《中国制造 2025》《加快推进传感器及智能化仪器仪表
  产业发展行动计划》《智能传感器产业三年行动指南(2017-2019)》 等多项产业推动政策,鼓励国内智能传感器行业巨头企业、国家科研机构、全国重点大学加大对智能传感器的研发投入,综合利用政策、市场、项目等多种渠道,补齐设计、制造、封装、测试、芯片等关键技术短板,研发集信息采集、计算、存储、决策等功能于一体的智能传感器,提升中国智能传感器产业的核心竞争力,从而推动智能家电领域的快速发展。
  4.2 制定技术标准
  梳理智能家电关键部件的现状,制定智能家电传感器的技术标准是提升国内智能家电行业整体质量水平的有效手段。智能家电行业智能传感器模块的测试指标包括静态特性量程和范围、线性度、滞环、分辨率、灵敏度、重复性、静态误差、稳定性等,动态特性阶跃响应和频率。通过对传感器行业指标研究,深入研究实际测试需求和技术要求,结合智能家电和智能传感器行业的发展及技术现状,综合考虑反映智能传感器的技术属性和产品属性,制定统一的测试验证规范标准,完善智能家电标准体系,进而建立健全智能传感器在智能家电中应用的试验验证能力,实现智能传感器与整机测试联动测试,最终提升面向智能家电领域的智能传感器的可靠性、稳定性与兼容性。
  4.3 建立典型故障案例库、典型故障模型库
  传统的测试方法存在测试测试周期长、测试成本高等缺点,不能很好地满足智能传感器快速发展的需求。针对这些迫切需求,需要找到更加高效、便捷的检测方式,收集、分
  析、总结、归纳、预测有关智能传感器故障的信息,同时建立健全的测试验证能力,开展深入测试研究,根据智能传感器的特性配置典型故障案例库和模型库,案例库通过分析研究,确认各类部件在板级组装、整机应用或可靠性试验等过程中出现故障时的现象、故障模式,分辨故障机理、故障原因及相应的影响因素、预防措施等。开发部件应用系统CONTROL ENGINEERING China版权所有,内嵌案例数据库,实现计算机管理,更方便地为系统操作者提供有价值的科学依据和信息参考,为智能传感器的故障分析打造一个易于使用、多维配置、高度可扩展的环境[2]。
  5 展望
  智能传感器作为物联网的基础,广泛应用于智能家电产品中,在推动家电智能化升级进程中扮演着不可或缺的角色。世界各国都非常重视智能传感器的发展,纷纷加大对这一领域的布局,中国更是将智能传感器上升为国家战略的高度。相信在不久的将来,通过加大智能传感器的研发投入、积极制定可靠性测试评估标准、建立典型故障案例库和模型库等相关措施,智能家电领域中的智能传感器将会迈入新的台阶。
  参考文献:
  [1] 徐文劼.浅谈物联网智能传感器特性及其分类[J].自动化仪表控制工程网版权所有,2017,38(3):44-48.
  [2] 李贺. 基于泛应用场景组态架构的智能传感器测试技术[J].信息系统工程,2019(1):53.
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