传感器网络系统行业发展基本情况

传感器网络系统行业发展基本情况 一、 传感器网络系统行业情况 （一）传感器网络系统简介 传感器网络系统是指由许多在空间上分布的传感器组成的一种网络系统，这些传感器通过软件系统相互协作，监控不同位置的物理或环境状况。其本质是传感器技术与信号采集及处理技术的融合与发展，当二者在同一个系统内集成应用后将会同时满足信息采集、传输、处理的需求，进一步实现战场监测、武器装备存储环境监测、武器装备工作状态监测等功能；在民用领域可实现工业设备健康状态监测与实时控制、交通控制、环境与生态监测、健康监护等功能。 （二）传感器网络技术发展 20世纪70年代，第一代传感器网络诞生，传感器节点与传感控制器采用点对点的连接模式，构成了一个传感器网络。第二代传感器网络相较于第一代产品的进步在于它能够读取多种信号，是一种能够综合多种信息的传感器网络。在上世纪90年代后期，第三代传感器网络出现，可通过局域网形式，更加智能化地综合获取、处理各种信息。目前第四代传感器网络还处于研发阶段，由于节点成本高、电池生命周期短、自组网难度大等原因，大规模使用情况尚未普及。这一代网络主要采用无线通信模式，可大批量地撒播具有数据采集、数据处理的传感器节点，自组织地实现网络间节点的无线通信，这就构成了第四代传感器网络，也叫无线传感器网络。 随着无线传感器网络成为主流技术方向，其特性对高可靠传感器网络的设计与实现提出了新的挑战，主要体现在四个方面：低能耗、实时性、抗干扰和协作性。 通常某一传感器网络的传感器节点数多为数百或数千个，布局分散。一般采用电池供电技术的传感器件能源容量较为有限，因网络信号不均、测量物理量不同等原因，同一网络内各个器件耗电速率差距较大，在需要长期监测的应用场景下，传感器能源管理的矛盾就较为突出。因此，传感器网络设计一方面要选择低功耗的传感器产品及技术，另一方面要根据现场环境，选择合适的拓扑结构和网络协议方案，以节约和有效管理电能消耗。 高可靠无线传感器网络的应用大多要求有较好的实时性。例如，目标在进入监测区域之后，传感器网络需要在一个很短的时间内对这一事件做出响应，若其反应的时间过长，则目标可能已离开监测区域，从而使得到的数据失效；又如，车载监控系统需要在很短的时间内读取加速度计的测量值，否则将无法正确估计速度，导致交通事故，这些应用都对无线传感器网络的实时性设计提出了很大的挑战。 无线传感器网络系统具有严格的资源限制，需要设置低开销的通信协议。由于高可靠传感器节点通常会在各种恶劣环境下部署传感节点，所以每一节点必须具备良好的抗干扰能力。现场环境可能会存在宽温区、潮湿、多砂、强振动、强电磁干扰等恶劣条件，为应对以上不利外部环境因素，传感器网络研发生产不仅要考虑节点的防护设计，还要考虑内部电路的设计。因此，如何使用较少的能耗完成数据加密、身份认证、入侵检测及在破坏或受干扰的情况下可靠地完成任务，也是高可靠无线传感器网络研究与设计面临的一个重要挑战。 通常一个传感器网络需要同时检测不同量值的动态变化，包括温度、湿度、压力、位移、振动、转速、光、生物、化学元素等。为了对获得的数据进行加工、汇总和过滤，并以事件的形式输出最终结果，需要选择合适的传感器产品型号，定义标准输出信号，并实现不同传感信号在统一的标准下稳定传输。因此，网络的协作性也是目前研究的热点之一。 （三）传感器网络产品在领域的发展前景 自海湾战争后，现代战争已进入信息战争时代，目前正在向无人化、智能化时代迈进。打造高效的C4ISR系统（指挥、控制、通信、计算机、情报及监视与侦察系统）是现代信息化建设的发展方向。该系统可以使通过信息化整合实现一体化的作战能力：将目标探测跟踪、指挥控制、火力打击、战场防护和毁伤评估等功能实现一体化，将指挥中心和各军种之间的作战组织实现一体化。从内部构成看该系统分为感知层、信息智慧控制层以及执行层三层。感知器件和感知网络属于该系统的感知层，是作战组织实现一体化的最底层，担负着准确实时收集战场信息及装备、物资状态数据的关键任务，对形成高质量决策起到至关重要的作用。美军自上世纪90年代开始实施C4ISR建设，目前已建成全球最先进的C4ISR系统。根据Frost&Sullivan数据显示，美军C4ISR支出由1999年的110亿美元提升到2019年的536亿美元，过去20年复合增速达到8．24%，2019年美军国防预算约7，320亿美元，C4ISR支出占比约7．3%。由于我国C4ISR建设仍处于初级阶段，随着我国信息化的不断发展，装备无人化、智能化的自主创新突破，预计我国的C4ISR系统建设投入也将显著增长。 （四）传感器网络产品在工业领域的发展前景 工业传感器网络与工业物联网、工业传感器市场发展有着密切的联系。工业传感器网络作为工业物联网的核心部分，其市场需求随着工业物联网应用的不断成熟而持续提升，工业传感器网络市场规模将进一步扩大。 随着近年来我国5G、物联网技术的不断发展以及国家对工业物联网的大力扶持，我国工业物联网市场规模也随之不断壮大。在经历新冠疫情的冲击后，以工业物联网为载体的新型工业和经济模式成为我国生产和经济复苏的发力点，成为促进我国经济高质量发展的重要力量。据中国工业互联网研究院资料显示，2020年我国工业物联网产业增加值规模达到3．57万亿元，同比增长11．56%，占GDP比重为3．67%。工业传感器网络技术作为工业物联网技术的重要组成部分，其相关产品主要由传感器、无线网关、监控主机等构成，具备范围广、布设方便、稳定性高、成本低等特点。此外，随着工业生产智能化成为未来工业转型的重要手段，作为工业智能化重要技术之一的传感器网络技术必将发挥越来越重要的作用，而工业传感器网络市场也将迎来更为广阔的发展机遇，行业增长速度有望稳定增长。 二、 MEMS（含传感器）行业情况 （一）MEMS技术行业情况 MEMS（全称MicroElectromechanicalSystem）即微机电系统，是一种利用集成电路（IC）制造技术和微结构加工技术把微传感器、微执行器等制造在一块或者多块芯片上的微型集成系统，其尺寸约为几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。MEMS是一个多学科交叉的前沿性研究领域，涉及了物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术。 MEMS技术被誉为21世纪具有革命性的新技术，最早可追溯到1987年美国，当年伯克利加州大学发明的微马达被认为是MEMS技术的开端。1993年ADI的微加速度计产品大批量应用于汽车防撞气囊，MEMS正式走入产业化阶段。20世纪90年代MEMS技术快速发展，围绕深槽蚀刻技术发展出多种加工工艺，微镜、喷墨打印头等MEMS产品不断涌现。2007年以后，以智能手机为代表的消费电子产品大量应用MEMS传感器，惯性传感器、磁力计、光学MEMS、射频MEMS等应运而生。近年来，物联网的发展不断推动MEMS技术进步，MEMS集成化、智能化是未来发展趋势。 （二）MEMS传感器行业情况 MEMS传感器即运用了MEMS技术的传感器。与传统传感器相比，MEMS传感器具有体积小、重量轻、集成度高、智能化、低成本、功耗低、可大规模生产等优点，MEMS内部一般在微米甚至纳米级别，使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。 MEMS传感器由传感器、信息处理单元、执行器和通讯/接口单元等组成。其输入信号通过传感器转换为电信号，经过信号处理（模拟的或/和数字的）后，由执行器与外界产生作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号（电、光、磁等物理量）与其他的微系统进行通信。 在封装方面，相较于普通IC封装，MEMS传感器产品的封装更庞大、更复杂、更困难。首先，相较于普通IC较为温和的工作环境，MEMS传感器常处于高压力、强振动、高温度、高湿度等恶劣环境之中，因此要求封装结构与封装材料能适应各种复杂的工作环境，对封装技术要求较高。其次，由于MEMS传感器需要感知外部世界，在封装过程中需要提供让芯片敏感区与外界环境交互作用的通道，因此相较于普通IC的封装，MEMS封装还需保证芯片敏感区与外界环境充分交互作用。同时，MEMS封装还需要保护芯片敏感区不因两者间的交互作用产生性能恶化，保持其性能稳定。由于以上两点需同时满足，这对封装技术而言是一个挑战。此外，由于MEMS制造工艺的多样性、结构的复杂性以及应用环境的多样性，使得MEMS封装技术难以像普通芯片封装技术一样实现规范化与标准化，无法采用统一的封装形式与封装工艺，因此对封装技术提出了更高要求。 在测试方面，与传统IC不同，MEMS传感器产品的非标准化特性明显，即使同类型传感器的测试方法、测试设备也可能存在差异，因此具备更高的测试难度。综上，在MEMS传感器产品的量产化过程中，封装与测试是最重要的环节，其所占的成本比重已经越来越大。根据赛迪顾问统计，封装测试的成本往往占据产品成本的大半，甚至超过70%。 （三）MEMS（含传感器）行业发展概况 1、全球MEMS行业发展概况 随着物联网时代到来，传感器将作为基础设施得到先行发展。传感器的应用已渗透进各行各业，如消费电子、医疗诊断、工业自动化、汽车电子、环境监测、交通运输、资源开发等。根据国外权威机构Statista的测算，2020年MEMS传感器市场规模为149亿美元，同比增长5．7%。 随着MEMS产业化浪潮的推进，预计到2026年，MEMS传感器的市场规模将实现突破性增长。Statista预计MEMS传感器市场规模将达到269亿美元，年复合增长率为10．34%。 2、中国MEMS行业发展概况 从全球产业竞争格局来看，全球MEMS销售收入以亚太地区为主，主要系亚太地区是消费电子、汽车和工业领域的主要市场，对于MEMS的需求规模较大，其次为北美地区。 目前，随着下游行业的迅速发展，国内MEMS的市场应用正处于快速增长阶段，中国已经成为全球MEMS市场发展最快的地区。根据赛迪顾问统计，近几年MEMS市场规模增长均保持在20%左右，即使2020年受新冠疫情影响，我国MEMS行业规模仍达到736．70亿元，增速达到23．2%，远高于同年国内GDP增速。赛迪顾问预计，2022年市场规模将突破1，000亿元，并且未来仍会以20%左右的速度持续增长。 （四）MEMS行业市场结构 1、MEMS行业的产品结构 从2020年全球MEMS行业的产品结构来看，射频、压力、麦克风、加速度、陀螺仪和惯性组合是目前应用最为广泛的器件。其中，行业产品涉及的压力传感器、加速度传感器在MEMS行业占比达到14．3%和10．5%。 2020年中国MEMS行业的产品结构与全球类似，根据赛迪顾问发布的数据显示，2020年国内射频MEMS产品、压力传感器、麦克风、惯性组合、加速度计占比较高。其中MEMS压力传感器是将压强信号转化为电信号的压力测量器件，受益于其体积小、重量轻、功耗低等特点，广泛应用于汽车、航空航天、工业控制、消费电子和医疗保健领域。 伴随着物联网的迅速发展，下游客户对MEMS压力传感器和加速度传感器的需求将不断增加。行业产品涉及的压力传感器在MEMS行业占比达到19．2%，根据YoleDevelopment预测，2025年其全球市场规模可达约20亿美元。此外，随着工业智能的快速发展和的实施，航空航天、轨道交通、冶金制造等工业领域对于MEMS温度、湿度、加速度等传感器的需求也将迅速增长。 2、MEMS行业的应用领域结构 从MEMS的应用领域结构来看，过去MEMS主要用在家电和消费领域，占比超过50%。如今，伴随着MEMS行业市场规模的整体扩大，汽车、工业、医疗的新兴应用领域也正在蓬勃发展，2022年，工业领域的MEMS应用规模将由2018年的50．53亿元增长至114．87亿元。 按照产品应用领域，行业的MEMS传感器产品主要应用于航天、航空、兵器、轨道交通、工程机械、冶金、能源等行业。根据赛迪顾问的数据显示，2020年工业