传感器网络系统行业投资潜力及发展前景

传感器网络系统行业投资潜力及发展前景 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、 传感器行业发展现状 传感器技术与通信技术、计算机技术并称现代信息产业的三大支柱，是当代科学技术发展的重要标志之一。自21世纪以来，传感器逐渐由传统型向智能型方向发展，传感器市场也日益繁荣。 近年来随着人工智能、物联网、5G等前沿科技的不断发展，我国传感器市场规模不断扩大。数据显示，截至2021年我国传感器市场规模约为2975．1亿元，同比增长18．74%；预计2022年我国传感器市场规模将突破3400亿元。其中2021年我国智能传感器市场规模从2017年的792．8亿元上升至1084．2亿元。预计2022年我国智能传感器行业市场规模将达1179．1亿元。2021年MEMS行业市场规模由2017年的434亿元增长至838亿元。预计2022年我国MEMS行业市场规模将达1008亿元。 三、 磁传感器行业未来发展趋势 磁传感器在传统燃油车和新能源汽车中均有广泛应用，在传统燃油车中，磁传感器可以应用于汽车传动轴，泵、阀开关检测、油门踏板位置检测、车轮速度检测等；在新能源车中，磁电流传感器可以用于新能源车主驱、OBC、DC/DC等组件的电流传感中，磁位置传感器还可以用于BMS液冷系统阀门的控制。根据相关数据测算，在新能源汽车中单车需要约15-30个磁传感器。未来随着汽车功能复杂度的提升和安全要求的提升，预期汽车磁传感器应用规模将持续增长。 从技术路线来看，TMR传感器的性能提升十分显著，利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应，与霍尔元件、AMR、GMR相比，优势突出：1）温度性能好，前端模块电镀了纳米厚度的氧化层，而不是半导体；2）电流功耗小，从霍尔的5-20mA减少到μA级别；3）敏感性很强，规模上量后成本更低，霍尔元件需要用钕铁硼等强力磁铁。 TMR传感器将凭借突出的产品性能，在高要求应用场景替代霍尔传感器：替代霍尔传感器：1）角度角度、转速、位臵类传感器：包括BLDC转子位臵、方向盘转角、轮速、节气门位臵、曲轴/凸轮轴角度等功能安全等级要求非常高的应用场合；2）液位传感器：TMR取代干簧管，干簧管容易破裂、一致性差、成本较高，TMR灵敏度高、成本低、克服破碎问题。 传感器的上游为各种原材料，包括芯片、电路、电源、不同类型的元件等；中游为各种类型的传感器，包括电容式气压传感器、红外气体传感器、图像传感器等；下游应用于消费电子、汽车电子、工业电子、通信电子等。 近年来，国家在政策层面给予传感器行业一系列支持，推动行业技术水平的提升及在重点应用领域的拓展，逐步实现进口替代。2021年1月，工信部发布《基础电子元器件产业发展行动计划（2021-2023）》提出，重点发展小型化、低功耗、集成化、高灵敏度的敏感元件，温度、气体、位移、速度、光电、生化等类别的高端传感器，为传感器带来良好的发展机遇。 目前，中国传感器在传感器、工业制造、网络通信、消费电子及医疗电子中应用较为广泛。数据显示，传感器在传感器领域中占比最高，达24．2%；其次传感器在工业制造领域的占比为21．1%，排第二；传感器在网络通信、消费电子、医疗电子领域的占比分别为21%、14．7%、7．2%。 传感器市场规模的稳步增长为智能传感器的发展奠定了基础，中国智能传感器市场规模从2017年的792．8亿元上升至2019年的928．3亿元，同期国内厂商智能传感器产值从94．9亿元上升至250．7亿元，国产化增速显著高于市场整体增速，预计到2022年中国智能传感器行业市场规模将达1179．1亿元。 MEMS即微机电系统，相比传统的机械系统，微机电系统具有微型化、重量低、功耗低、成本低、功能多等竞争优势，可通过微纳加工工艺进行批量制造、封装和测试，因此量产性与一致性都优于传统机械系统。MEMS技术满足了消费电子市场对小体积、高性能传感器的需求，正逐步取代传统的机械传感器。数据显示，中国MEMS行业市场规模由2016年的363亿元增长至2020年的705亿元，年均复合增长率为6．9%。相关研究机构预测，2022年中国MEMS行业市场规模将达1008亿元。 MEMS传感器凭借着微型化、成本低和功能多等优势，在消费电子、汽车电子、工业、医疗和通信等领域有着越来越广泛的应用。2020年下游应用领域中，消费电子占比达59．6%，其次是汽车电子占比18．9%，工业占比10．9%。 企查查数据显示，2017-2019年中国传感器相关企业注册量呈增长趋势，由6964家增至8611家，复合增长率为11%。2020年受新冠肺炎疫情影响，我国传感器相关企业注册量降至5205家，2021年进一步降低至2333家。截止2022年7月，传感器行业相关企业注册量仅为328家。 目前，我国传感器企业区域分布较为集中，主要分布在华东地区，占比超5成，约占全国企业总数的56．9%。其次，中南地区的传感器企业占总传感器企业数量的23．1%；华北地区、西北地区的传感器企业数量占比分别为8．4%、4．4%。 四、 中国传感器行业发展趋势 中国传感器行业未来发展趋势预计会朝着智能化、高性能、多功能、低成本、高精度、小型化、集成化和环保等方向发展。随着物联网、工业互联网、智能制造、智能家居、智能汽车、智能城市等领域的快速发展，传感器将会在这些领域中发挥重要作用。同时，随着技术的不断提升，传感器的性能将会越来越高，成本也会越来越低，这将有助于普及传感器的应用。此外，政府对于传感器产业的大力支持也将有助于传感器行业的发展。另外，随着人工智能和机器学习技术的不断发展，传感器数据在人工智能和机器学习中的应用将会越来越广泛，这也是传感器行业未来发展的重要方向。 五、 传感器细分行业情况 近年来，我国航天行业蓬勃发展，每年完成航天发射任务次数持续上升。根据中国航天科技集团发布的《中国航天科技活动蓝皮书（2021年）》，2020年全球共实施114次航天发射任务，其中中国实施了39次，发射89个航天器，发射次数和发射载荷质量均位居世界第二。2021年，中国航天发射次数再创新高，包括长征系列火箭、快舟系列火箭和民营航天企业研制的火箭在内，我国航天发射次数达到创纪录的55次，较去年增长约41%，超过美国（51次）和俄罗斯（25次），将上百颗（含搭载）航天器送入太空，航天发