智能家居产品测试验证挑战与应对

□ 文 于 力 金汉城

1 引言

智能家居行业在近些年发展迅速，不断突破着原有智能家居的定义。通过最新的智能家居方案，用户不仅可以摆脱对单个智能家居产品的接触性手动控制，更可以获得丰富、自由、智能化的家居设备控制新鲜体验。而根据持续不断的发展需求，仅仅实现对家居产品的控制是远远不够的。不仅需要更进一步的提高丰富、自由和智能化的控制手段，还需要获取充足有效的数据，以实现大数据价值分析，以及更加精准、更加和谐的场景适应和交互操作。

得益于近年来物联网技术，特别是无线物联网技术的快速发展，我们拥有了更多的网络组织和数据传递方法。同时，云计算平台的深化发展，使得数据更方便地存储、交互，便于分析，带来更大的价值。

同时，我们也看到，智能家居产品的高速发展，也面临了很多挑战。本文将分析其中四种主要的挑战：由于新技术的引入带来的挑战、产品空前多样性的挑战、产品研发复杂度提高带来的挑战以及网络信息安全的挑战。

2 挑战之一，新无线技术的引入

我们正处在一个新技术爆炸的时代，面向未来的发展，人工智能、云端AR/VR、边缘计算等新技术将不断加速推进家庭业务与垂直行业融合的解决方案创新，出现更为泛在化、更为丰富多彩的家庭融合生态。新技术引入以后，需要时间的积累，需要产品化的过程，需要充分的融合和磨合，这一过程向来是曲折而富有挑战的。

结合近3～5年的发展预期，和智能家居端侧产品关系比较密切的最新技术，主要是5G和Wi-Fi 6为代表的无线技术。

5G已经加快了步伐进入到我们的生产生活，它定义的增强移动宽带、高可靠低时延连接和海量物联三种场景，基本上可以覆盖所有无线连接场景，同样会逐步渗透到家庭智慧组网以及产品的设计领域。Wi-Fi 6，即802.11ax，是Wi-Fi技术家族的新成员，具有更高的速率、更灵活的分布式组网架构、多通道的通信方式。

而5G毕竟还处于产业研发初期，大多数5G网络运营商还处于商用初期阶段。5G的后两个场景还处于标准化进程中，离商用还有很大距离，最理想的估计也要2020年底成熟。而Wi-Fi 6的商用化进程才刚刚开始，无论产品、检测仪表还是应用方案，还都处于规划阶段。和5G及Wi-Fi 6有关的很多新的业务场景有待开发，很多产品化必然经历的过程，我们都将经历。我们必须面对产品不成熟带来的问题、新场景开发带来的机遇和挑战。

3 挑战之二，产品的多样性

智能家居的应用领域宽、场景众多、产业链长，蕴含庞大的产品市场。市场碎片化、需求泛在化，新的需求不断催生，产品种类的数量将是巨大的数字，产品多样性将组成完善的体系生态。

目前智能家居领域中的产品生态体系包括：安防监控、医疗健康、环境监测、智能家电、教育娱乐、控制节能等产品，智能组网设备、网关设备等组网产品，以及通用模组、芯片等通信单元。

产品种类数量多，贴近各类应用需求，用途不同，产品硬软件设计标准不同，测试验证方法千差万别。

产品实现方式繁多，同类产品各家企业的方案不尽相同，产品的标准难于统一，测试验证方法差异很大。

某些特定领域深度融合的产品复杂性、特异性更强，对测试验证带来更多的挑战。

4 挑战之三，产品研发复杂度

物联网架构从下往上，分别为设备传感层、网络层、数据处理层和应用层，每一层都跟随新技术发展不断演化。

设备传感层的主要职责是获取数据、初级分析处理和传输。硬件整体配置，不同于传统物联网架构里的传统传感和端设备，新的智慧化物联网架构需要硬件的设计、配置、工作特性和工作模式无限的适应，包括适应有效的传输、可靠和安全的数据、适合数据处理的一切更新。包括传感器、芯片、终端、智能卡、外设和设备软件设计。端类产品的集成程度、处理能力、可靠性不断增强。

网络层的作用是数据的有效传递。一方面，这是通信+的最主要结合点，而且当前智慧型物联网的一大特点和重要优势就是有线和无线网络灵活、有效综合运用。无线网络的采用，扩展了物联网应用的场景、提高了应用的QoS保障，物联网进入无线网络领域，才刚刚开始。近5年来新产生的无线通信技术，几乎都为物联网场景创新强相关，像5G、Wi-Fi 6等新无线技术，都为特定的物联网应用场景预留了空间。无线通信技术、频谱利用效率，因为考虑到物联网的场景，而不断提高。智慧型物联网将更充分地挖掘利用有限的频谱资源。

数据处理层是另一个在近年来物联网受益新技术的例子。得益于云计算和大数据技术的高速发展，数据处理层的内涵和作用都产生了深远的变化。不仅仅是简单的数据汇集和存储，云计算和大数据让数据能够更加灵活有效的转动起来，产生更大的价值。

得益于技术的发展进步，应用层所能够承载的应用场景、类型越来越复杂，更能无限的贴近用户的使用感受。把用户体验做好，成了产品和用户之间的最后一公里，更是产品获得用户青睐的最重要因素之一。

5 挑战之四，安全和信息保护

智能生态产品，在近些年发展非常迅速，几乎渗透到了我们生活的每一个角落。在人们享受着越来越丰富的智能生态产品带来的生活改变同时，我们看到在安全性、连接性能、兼容性方面，新的挑战也越来越多。

这些挑战包括：

● 现有物联网产品标识（身份）体系不完善，因此无法有效开展设备认证、有效追踪等活动；

● 现有物联网产品信息安全设计不规范，在设备端完整性、整体安全设计方面不完善，信息安全状态无法做到可验证、可跟踪、可监测；

● 数据加密或隐私控制不到位。缺乏规范化的加密或控制体系，各架构层、各产品、各类技术采用的加密方式不同，在协同工作时产生隐患；

● 端到端连接的复杂性加深、复合性提高、连接链条加长，势必增加了端到端链条中被攻击的可能性。

近年来，物联网行业在以史无前例的速度发展。随着产业应用的引领，物联网的几个重要分支，已经进入到很多重要的领域，包括工业物联网、市政（水、电、燃气）、智慧厂区/园区/家庭，越重要的应用场景，物联网安全的重要意义更大。物联网规模化发展的同时，物联网安全事件也在不断增加。这就需要我们尽早从源头、从体系、从整体上推进物联网安全工作，减少和避免损失。

同时，智能家居产品是智能家居产业的基础，是用户感受智能家居系统最直接的界面。智能生态产品的特点包括：

● 种类繁多，能够覆盖到人们日常生活的方方面面；

● 产品智能化，体现在智能联网、智能控制、智能应用等多个方面；

● 依赖于智能家居平台，从而体现更大的智能效能。

平台承载了所有的控制节点、数据存储、状态显示，其安全性直接影响到整个物联网体系的安全状况。

6 现有检测思路的重新审视：

在业内，已经具备较完备的移动智能终端硬件相关检测能力，包括通信模块接口、摄像头与显示屏、天线性能、电气安全、可靠性、信息安全等。同时，移动智能终端、应用软件等相关课题方向，制定相关技术标准及规范，参与国内和国际标准化相关工作，在技术发展和标准化研究方面还在为智能终端硬件检测添加测试内容。完整的智能终端硬件测试验证平台，还应具备产品系统验证、兼容性、电气安全、可靠性、电源管理、设备应用场景等关键技术与评估验证，围绕智能终端硬件技术标准的编制需求，推进智能终端硬件关键技术的标准化及评估验证的规范化，填补国内相关行业标准空白，向国际标准化组织输出成果，从解决方案优化、标准化推进、评估验证等多层面推动智能终端硬件新生态的构建。

智能终端硬件产品，近些年在全球范围内蓬勃发展。根据多年的检测经验，智能终端硬件产品检测，需要实验室环境与模拟环境下搭建线下与线上的智能终端硬件测试验证平台，建设完整的测试标准体系，形成科技服务业商业模式、集成平台、运营服务体系和检验检测企业标准体系。目前，对智能组网产品、智能网关、5G连接设备、智能生态设备进行必要的实验验证。同时，在今后的实验验证角度，还应在网络信息安全及隐私保护、重点产品的信息安全能力、与重要产业应用场景结合的产品验证、中高端产品用户使用体验等方面，加强开展研究。

7 应对挑战之一，积极布局新技术验证

在初级阶段，采取新技术的智能家居产品，应主要着眼于关键技术的实现，把技术吃透，把技术优势发挥好。同时，扎实打好基础，要在设计、研发和测试方面投入更多的精力，为今后技术成熟后腾出更多的精力，减少因基础不牢固造成的浪费。

5G作为蜂窝无线通信技术的最新商用版本，产品的通信性能测试，常规主要包括射频、协议、无线资源管理几个方面。其中，射频技术是无线信号传播的基本技术，射频测试是所有测试验证的基础。目前，5G的测试技术还在发展完善阶段，测试仪表普遍在研发测试脚本阶段。协议和无线资源管理测试项目没有稳定，不具备全面验证的基础。5G射频测试的最核心内容和基本的测试项目已经稳定，经实验室的反复评估验证，已经可以客观反映产品的基本通信性能。

相对于4GLTE，5G是一种全新的技术，由于支持增强移动宽带的5G终端采用大带宽及毫米波传输，对于终端测试过程中的信号传输方式及射频指标测试测量技术提出了新的挑战。

5G测试指标的场景化差异，对终端测试指标体系的研究从广度和复杂度上均大幅度增加。eMBB场景主要面向传统移动终端，为用户提供更高速率，更高移动性的业务。在eMBB场景中，主要面向终端物理层协议、射频及外场方面的参数指标及性能进行测试验证。uRLLC场景主要面向5G中的新应用，可服务于垂直行业，为特定业务场景提供更高的可靠性和更低的时延保障。在uRLLC场景下，各技术性能指标与不同行业的业务需求联系紧密，导致uRLLC场景需求碎片化、标准进度滞后，因此为物理层、射频指标在内的测试方法研究与指标体系构建提出了新的挑战。

基于eMBB场景的物理层协议测试拟通过对随机接入，调度，切换等物理层过程进行验证，进而对上下行信道配置，参考信号配置等物理层参数进行验证；拟通过仪表环境对调制、波形等物理层关键技术进行验证。

5G无线通信技术引入了新型多址技术、大规模天线、超密集组网、全频谱接入、新型调制编码等新技术。新的编码调制方式、更高的带宽、多种频段的组合给5G终端接收机和发射机设计带来了极大的难度的同时，也给5G终端射频测试都带来了极大的挑战。5G终端射频指标测试可以分为发射机特性和接收机特性两个方面。5G终端射频测试分为传导和空口（OTA）两种方式，其中Sub 6G频段，即6GHz以下以传导方式为主；而6GHz以上频段，包括毫米波只能采用空口方式。

Wi-Fi 6进行了全新的技术发展，为应对高带宽业务、密集用户接入等未来重点使用场景，针对性开发。Wi-Fi 6的革新技术包括：

1）物理层增强与高效，主要包括：

上行和下行方向正交频分多址（OFDMA）、上行和下行方向多用户-多输入多输出（MUMIMO）、上行链路资源调度、更高的调制方式，1024QAM。

2）MAC层增强与高效，主要包括：

基本服务集着色（BSS Coloring）、双NAV机制、目标唤醒时间（Target Wakeup Time- TWT）

得益于这些技术的引入，Wi-Fi 6的理论最高速率可达9.6Gbit/s。这可以轻易满足当前可以想见的业务需求。同时，Wi-Fi 6关注的重点并不是单设备的峰值速率。

Wi-Fi的使用场景中，密集用户场景是一个典型应用。旧有的Wi-Fi技术，无法满足像运动场、大型会议等密集场景的应用。简单的带宽增加，只有配合上合理的资源调度分配机制，才能起到作用。

另外，Wi-Fi 6也针对设备功耗增加了新的机制，这为Wi-Fi可以更好的服务于智慧家庭、智慧城市等物联网应用，打下了基础。

Wi-Fi 6作为一种新型的Wi-Fi无线接入技术版本，产品研发、设计都处于技术发展的初期阶段，需要从基础上进行详细的验证，特别是重要的新技术革新。

● Wi-Fi 6采用高达1024QAM的调制方式，需要相位噪声性能更出色的振荡器，以及线性能力更优异的射频前端。测试中，将遵循更严格的EVM规定进行验证。

● Wi-Fi 6采用的OFDMA系统，对于频率偏移和时间同步误差非常敏感。但不同于LTE系统直接利用GPS轻松获得时钟同步，Wi-Fi 6采取了内建的振荡器进行同步参考。这需要极为密切的频率同步化和频率偏移修正。

● Wi-Fi 6使用更高阶次的MIMO，获得在密集场景下的良好体验，同时，也给系统设计和验证带来了额外的困难。各个天线互相干扰，很容易影响到功率和EVM性能，进而对传输率带来负面且显著的影响。

8 应对挑战之二，沉淀基础应对产品的多样性

尽管智能家居产品的种类繁多，产品参差不齐，验证的统一性难度很大。而且还会继续向更多、更融合、产业更复杂发展，测试验证挑战只会越来越大。我们可以从结构化的思维解决，以基础+测评的方式解决。

首先，无论何种产品，毕竟是家庭使用，安全是根本性要求。因此，对所有智能生态产品，都应加强常规的安规检验。引导多类产品研发都从安规出发，不离其宗；引导企业从安规角度考虑，重视产品品质。

第二，从模块化角度考虑，对产品重要的核心模块，进行统一标准测试验证。例如通信模块、无线充电、电源和功耗这些共性内容。

第三，和产业结合，以评估的方式，解决重点品类、重要品类产品的测试验证。

1）基础验证：

安规就是对产品安全的认证要求，包含组成产品的零件的安全要求，形成完整产品后的整体安全要求。智能生态产品是智能功能和使用功能的结合，企业对这种技术融合带来的安全问题缺乏重视。很多传统家居产品企业，设计更符合时代感和现代需求的产品，将智能化功能融入产品设计，注重产品对消费者的吸引，从成本角度考虑而忽略了安全，带来很多隐患。一些有智能化开发基础的企业，根据自己的理解将产品开发延伸到家庭使用，可能因经验不足，忽视了家庭使用产品的安全因素。同时，智能生态产品中，很多和人们直接接触和使用，对人身安全的影响很大，必须加强安规测试。

另外，电子产品的EMC测试，也非常必要。电磁兼容性，或称电磁兼容（Electromagnetic compatibility，EMC）是指对电路或电子器件在工作中意外产生、传播和接收电磁能量的研究。EMC是电子产品可靠性的重要组成部分，是世界各国重点关注的内容之一，是大部分市场准入要求中的必选内容。它确保了产品在受到外界电磁影响时，能够正常工作，同时不会对周围其他产品产生大的影响。智能生态产品在家居使用程度越深，家居内产品数量越多，电子产品电磁辐射产生的互相干扰隐患越大。为了减少互相干扰对产品功能、安全的影响，EMC测试应常抓不懈。

2）评估验证：

智能生态产品的测试，可按照如下步骤评估测试方案：

首先，明确产品形态、功能、组成，确定产品的应用领域和场景，对其产品特性、技术特性有所了解。

第二，作为完整产品形态，首先进行安规和EMC测试验证。（具体内容要求见后文）。

第三，对该产品的无线网络连接技术、连接方法、模块构成进行分析，包括制式、技术、频率频段、发射功率等级等。根据分析，确定具体连接测试的验证方法。（具体内容要求见本章其他部分）。

9 应对挑战之三，深入产品研发

首先，端类产品，跨在感知层和网络层之间。

智能端类产品，大体上是功能产品加上通信模块，但并不是简单的叠加。为了让产品的通信功能发挥最佳的效果，设计制造过程中，应充分了解通信模块的基本原理、规避通信模块合并设计可能存在的问题、将通信功能和应用场景更好的结合，避免不必要的弯路和成本浪费。

第二，组网不是简单的堆砌

网络层，无线特性的优化使用、无线性能的发挥，连接层，信息的有效传递、加密要求、可靠性。物联网产品的使用场景，对通信组网的需求，明确其中的困难、难点、潜在风险。

第三，更智能化的云和大数据处理，结合应用需求，整体智能化匹配。

智能化生态产品带来海量的数据资源，如何将这些数据充分合理的收集、传递和归纳，也依赖于产品的设计研发。平台管理智能化，控制的有效性、兼容性、友好界面。

智能生态产品独立工作所能达到的智能化效果非常有限，非常依赖于智能应用平台、智能化系统设计、其他如组网设备以及其他智能设备的配合。因此在设计制造中，还必须考虑到在组网中的互操作性、兼容性、匹配性。

对于企业来说，也应当充分重视产品开发能力的建设。

首先，企业应对CCC、电气性能这些基础的测试验证加强，重视进网等基础产品认证要求。企业应重视和加强自身的基础开发能力、质控能力建设。

第二，企业应加强跨领域融合，让传统电子、通信产品的认证测试理念逐步渗入到多形态终端生产领域。企业将行业领域的特殊情况摆在桌面，主动融合成熟电子产品的经验。

第三，为了保障整体智能家居的功能实现，连接功能需要进行验证。根据场景需要不同，不同的智能家居生态产品可能选择不同的无线通信技术，需要进行特定的无线通信测试实施。

10 应对挑战之四，分层分级评估网络信息安全

智能家居安全是从底端到顶端的体系化问题。贯穿的单元包括传感器安全、终端安全、网络传输安全、云安全及应用层安全。每一个层存在信息安全弱点，都会成为攻击突破口。因此，从整体架构考虑，物联网信息安全可分别从设备传感层安全、网络层安全、数据处理层安全和应用层安全四个方面考虑。

设备传感层安全，主要是设备安全，需要包括传感器、芯片、终端、智能卡、外设和设备软件设计在内的所有环节都考虑其在信息安全方面的加和。物理设计、电路设计、存储安全这些基础安全能力，要考虑到应用领域的需要，配合适合的安全设计思路；设备芯片的安全性，是产品最基础的内容。物联网设备多样，但无论何种产品，其主芯片、主要通信芯片、主要处理芯片，都应具备安全设计基础；一定程度采用安全芯片，是一种灵活、方便的提高产品和系统安全性的方法。根据应用特点，选择合适的安全芯片，并进行充分的兼容性互通性研究，是必要的。

网络层信息安全，主要考虑到网络传输安全、接入控制和全程加密。实际上，无论小无线、LORA、Sigfox，还是Wi-Fi、Zigbee、蜂窝通信5G技术，都有自身的安全机制。标准化程度越高的技术，其信息安全机制也越高。因此，根据需要选择技术，开展传输信息安全验证；为了得到端到端信息安全的保障，应在设计初期采取良好的标识控制、接入认证机制；端到端加密，是在网络通信的内在信息安全基础上的信息安全提升。

数据处理层安全和应用层安全，应主要考虑数据存储安全、云平台是否具有充足的可靠性背书，或是否具有良好、充足的应用经验。在整体设计中，应对告警、故障显示等方面做详细的设计。

另外，设备的用途不同、应用所处环境不同，其信息安全级别也有不同的需求。因此分层分用途进行信息安全的评估和认定，即有利于产品和方案的有序发展，也有利于信息安全用途的安全规划和方案选择。

总之，数字家庭、智慧家居，给我们的生活带来改变，立足产业基础，开展新产品创新研发应用的同时，应对相关产品的品质验证和保证、使用效果评价提高重视。■