传感器网络系统行业情况分析

传感器网络系统行业情况分析 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、 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。 三、 智能传感器主要应用于汽车电子工业制造等领域 从应用领域看，目前我国智能传感器产品主要应用于汽车电子、工业制造、网络通信、消费电子和医疗领域，占比分别为24．2%、21．1%、21%、14．7%和7．2%。汽车电子对智能传感器的应用占比最大，汽车对智能传感器的需求类型还在持续拓展，如针对新能源汽车电池冷却用冷媒泄漏监测的气体传感器，随着新能源车产销量逐年扩大，可能迎来发展机遇。 四、 中国智能传感器行业发展加速 传感器自诞生以来，大致经历了结构型、固体型、智能型三个阶段，随着各类技术的进步，前两类传感器逐渐无法满足对数据采集、处理等流程的需求，融合了AI技术的智能传感器开始受到关注。 20世纪开始，我国开始智能传感器领域的探索。20世纪80年代-2010年，我国对于智能传感器的研究不断深入。2013年起，智能传感器行业扶持政策陆续出台，重点为使传感器及智能仪器仪表实现微型化、数字化、模块化、网络化;2017年，工信部制定了《智能传感器产业三年行动计划（2017-2019年）》，明确传感器产业的发展目标和方向。伴随物联网和智能制造的兴起，智能传感器得到了广泛地关注。 五、 磁传感器综述 传感器是将现实世界的信号转化为数字世界信号的装置，是数字世界信号处理的起点。一个完整的传感器由前端的敏感元件和后端的信号调理ASIC芯片构成，由于敏感元件存在非线性或受温度影响较大等特点，需要信号调理ASIC芯片对敏感元件输出的电信号进行调理。按照工作原理，传感器主要可分为MEMS、磁、化学、温度四大类。 磁传感器是利用电磁感应原理，对位置、速度、电流、通断等变量进行检测的传感器元件。按照技术类型，磁传感器可以分为霍尔、AMR、GMR、TMR等类型。其中霍尔传感器利用霍尔效应对磁场进行检测，通常由一块薄的矩形p型半导体材料（如GaAs、InSb等）组成。AMR传感器利用磁阻元件电阻随磁场变化的原理，以检测磁场方向的变化。GMR的原理基于电子自旋，利用一系列由不同磁性和非磁性材料组成的超薄层，创造出阻值随磁场方向连续变化的传感器件。TMR传感器则利用隧道磁阻效应，实现电阻随磁场方向变化的传感器件。目前汽车上应用的磁传感器大多为霍尔传感器。 六、 智能传感器国产化率稳步提升 我国国内厂商智能传感器总产值占比从2016年的13%快速提升到2020年的31%，显著高于行业增速，未来随着国内厂商技术持续迭代、产品线进一步丰富、市场认知度持续提升，智能传感器市场国产化率有望进一步提高。 七、 行业上下游情况 传感器上游为芯片、电路、电源、不同类型的元件等各种原材料；中游是电容式气压传感器、红外气体传感器、图像传感器等各种类型的传感器制造；下游则是于消费电子、汽车电子、工业电子、通信电子等下游应用。 （一）上游产业 近年来随着消费电子、移动互联网、汽车电子、工业控制、医疗电子等市场需求的不断提升，以及国家支持政策的不断提出，我国集成电路行业发展快速。数据显示，2021年我国集成电路市场规模由2016年的4336亿元增长至10458亿元，年均复合增长率为19．3%。预计2022年我国集成电路行业市场规模将达12036亿元。 电源可将各种形式的能量转换成电能，是各类电子设备的心脏，是电力电子设备实现正常运行及电压调节的基础。不同的电源具有不同的工作原理和功能，可广泛应用于经济建设、科学研究、国防建设等多个领域。 近年来受益于技术的进步和社会电气化程度提高，我国电源产业实现快速增长。根据中国电源学会数据，2021年我国电源行业市场规模由2016年的2056亿元增长至3416亿元。预计2022年我国电源行业市场规模将达3700亿元。 （二）下游产业 目前我国传感器在汽车电子、工业制造、网络通信、消费电子及医疗电子中应用较为广泛。其中传感器在汽车电子领域中占比最高，达24．2%；其次在工业制造领域，占比为21．1%，排第二。 汽车电子是用传感器、微处理器、执行器、数十甚至上百个及其零部件组成的电控系统，是车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的总称，主要是提高汽车的安全性、舒适性、经济性和娱乐性。 近年来随着汽车智能化和电动化趋势的影响以及政策的推动，汽车电子广泛应用于汽车各种领域中，使得我国汽车电子市场的快速成长，渗透率不断提升。有相关数据显示，2020年我国后倒车雷达渗透率为86．25%，中控屏幕渗透率为85．57%，驻车影像系统渗透率为78．50%，巡航系统渗透率为72．58%，前倒车雷达的渗透率为37．46%，倒车车侧预警系统的渗透率为13．54%，并线辅助的渗透率为20．79%。同时占整车的比重快速增长。2020年我国汽车电子占整车的比重从1980年的10%增长到了34．32%。预计在互联网、娱乐、节能、安全四大趋势的驱动下，汽车电子化水平将持续增长，到2030年汽车电子占整车制造成本的比重将接近50%。 随着渗透率不断提升，我国汽车电子市场规模也保持稳定增长态势。数据显示，2021年我国汽车电子市场规模达1104亿美元，同比增长7．3%。其中动力控制系统占比最多，占整体市场的28．7%；其次为底盘与安全控制系统，占比为26．7%。 近年来，随着我国各级政府高度重视不断重视通信行业发展，我国通信行业发展较为迅速。进入2021年，进一步推进网络强国和数字中国建设，5G和千兆光网等新型信息基础设施建设覆盖和应用普及全面加速，行业发展质量和增长水平进一步提升。数据显示，2021年电信业务收入累计完成1．47万亿元，比上年增长8．0%，增速同