下一個十年,物聯網產業全景解析

發布時間: 2020-06-15 15:42:51   來源:  作者:

  莊子將天地萬物與人平等對待,打破了“以人類為中心”的桎梏。如果說互聯網是以“人的需求”為中心構建的,那么物聯網,則真正實現將人與萬物并列,實現人與物,物與物的網絡溝通。網聯天下,智慧萬物就是物聯網的終極目標。

  1 物聯網是什么?

  有的人說,物聯網就是傳感器;有的人說,物聯網就是5G,NB-IOT;還有的人說,物聯網就是大數據;也有的人說,物聯網就是智慧地球,智慧城市,智能交通,智能家居;也有的人說,平安城市,天網工程,雪亮工程就是物聯網;甚至還有的人說,物聯網和人工智能差不多。

  物聯網的概念最早于1999年由美國麻省理工學院提出,英文名為Internet of Things,即“物物相連的網絡”。從物聯網的本質上看,物聯網是把任何物體的任何測量量,變成一串數字,然后利用網絡傳送出去,進行分析處理,然后支撐相關應用的數據轉換過程。

  2 物聯網感知層技術的發展趨勢

  物聯網區別于互聯網的本質在哪里?

  對,是感知層。感知層的基礎又是傳感器。

  其實,傳感器大家天天在使用,手機上,汽車上都有大量的傳感器。

  

 上世紀50年代,在歐美等國的軍事技術、航空航天領域的試驗研究過程中,傳感器技術開始發展。

  20世紀70年代開始,利用半導體、電介質、磁性材料等固體元件的某些特性,利用熱電效應、霍爾效應、光敏效應,分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器等。這就是固體傳感器時代。結構傳感器和固體傳感器均屬于模擬傳感器階段。70年代末,隨著集成技術、微電子技術及計算機技術的發展,出現了集成傳感器。集成傳感器功能多,成本低,性能良好。這個階段傳感器技術開始從模擬向數字方向發展。

  20世紀80年代,微型計算機技術與檢測技術相結合產生了智能傳感器。一開始,把信號轉換電路和微計算機、存貯器及接口集成在一個芯片上,和傳感器結合在一起,就是智能傳感器,具有檢測、數據處理以及自適應能力。90年代后,智能化測量技術促使傳感器本身實現智能化,具有了自診斷功能、記憶功能、多參量測量功能以及聯網通信功能等。

  在20世紀90年代,無線傳感器網絡技術逐漸成熟。傳感器技術發展歷程如下圖所示。

  進入21世紀,計算機技術的飛速發展,大幅提升了信息處理效率。LTE、5G的NB-IOT等無線通訊技術快速發展,提升了信息傳輸的效率。傳感器新材料、新工藝、新應用的不斷出現,檢測技術、控制技術得到了發展,信息采集能力、測量精度和可靠性得到了根本上的提升;與此同時,傳感器在進一步微型化、網絡化。幾種趨勢合在一起,促進了物聯網感知技術的進一步成熟,如下圖所示。

  現代傳感器正從傳統的單一功能朝著集成化、無線化、網絡化、數字化、系統化、微型化、智能化、多功能化、光機電一體化、無維護化的方向發展,與此同時,傳感器的功耗將越來越低,精度和可靠性將越來越高、測量范圍將越來越寬。

  受益于5G基礎通訊網絡的建設,受益于物聯網終端種類的持續增長,受益于物聯網各場景應用需求的暴增,有權威機構預測,到2025年,全球物聯網連接數量達1000億個。未來10年,物聯網將有上萬億元的市場,其產業規模將比互聯網大數倍。前景如此可觀!

  進入物聯網時代,為了匹配各種應用場景,傳感技術呈現出了以下新的發展趨勢:

  (1)開發和應用新的傳感器材料

  傳感器技術升級換代的重要推動力就是新材料的應用。新型的光電傳感器的敏感材料,具有檢測距離遠、分辨率高、響應快、檢測物體范圍廣等特點;生物敏感材料由于其選擇性好、靈敏度高、成本低,在食品、制藥、化工、臨床檢驗、生物醫學、環境監測等方面有著廣泛的應用前景;新型的納米材料促進了傳感器向微型方向的發展。隨著未來物聯網應用場景的不斷拓寬,人們將會開發出更多優質的傳感器新材料,新材料的應用水平將會不斷提升。

  (2)提升傳感器的集成度

  傳感器集成度的提高有兩個方向:一個是在同一個芯片上集成很多類型的傳感器;另一個是傳感器與后續其他功能電路的集成化。這兩個方向,都是傳感器的多功能化方向。一個多傳感器集成的芯片,可以檢測的參數,由點到面到體,可以實現多維參數的圖像化呈現。如醫學臨床上使用的一種傳感器,芯片尺寸僅為2.5mm×0.5mm,可同時快速檢測出一滴血液中Na+、K+和H+等多種離子的濃度。一個將傳感檢測功能與放大、運算、干擾補償等功能集成在一體的傳感器,具有了很好的自適應性,在機器人工業上,得到了大量應用。

  (3)無線網絡化

  無線網絡技術與傳感器技術的結合就是無線傳感網技術。在網絡中,傳感器作為一個收集各種測量量的節點,如溫度的高低、濕度的變化、壓力的增減、噪聲的升降。多個節點組成一個網絡。每一個傳感器節點可以看作是一個快速運算的微型計算機,將傳感器收集到的信息轉化成為數字信號。節點與節點之間可以彼此通信,也可以和中央處理中心進行聯系。無線傳感器網絡是由多學科高度交叉的新興熱點研究領域。隨著在工業、農業、軍事、環境、醫療、智能家居、智慧城市等領域應用需求的增多,傳感器的無線網絡化應用將會越來越成熟。

  (4)小型化、微型化

  傳感器新型材料的使用、集成度的提升,可以促進傳感器的小型化、微型化。微型化傳感器占用空間小、重量輕、反應快、靈敏度高、成本低、能耗低,便于安裝和維護。醫學上有一種“神經塵埃”傳感器,只有一粒沙子大小(長 3 毫米,高 1 毫米,寬 0.8 毫米),這種微型傳感器的晶體管負責搜集神經和肌肉組織的信息,然后以超聲波的形式,將相應信息反饋給體外的接收器,為醫生確認病情提供參考。隨著傳感技術的發展,微型傳感器可測量的物理量、化學量和生物量會越來越多。在航空、遠距離探測、醫療及工業自動化等領域的應用也會越來越多。

  (5)提高傳感器的智能化水平

  智能化傳感器是微處理器與傳感器的結合,既能夠采集信息,還可以進行信息的處理和存儲,進行邏輯思考和決策。智能傳感器將有數字通信接口,可以直接與其所屬計算機進行通信聯絡和交換信息。隨著微處理器技術的不斷發展,智能傳感器將在自適應、自維護、運算能力、實時性等方面得到進一步提升。

  3 物聯網感知層關鍵技術

  描述5G物聯網,就從感知層的技術開始。物體沒有感知周邊信息的能力,“聾子、啞巴”式的終端連在網上也沒有什么用。傳感器是物聯網信息之源,感知技術是物聯網互聯之本。

  物聯網感知層的“感知智行”功能的實現,依賴于一系列感知層的關鍵技術。

  首先,傳感技術是物聯網測量技術基礎,是物聯網信息產生的源頭。傳感器作為物聯網產業的關鍵器件,新材料技術、智能化技術、集成化技術、小型化技術是現代傳感器發展過程中離不開的課題。為了便于一次部署、永久使用,低功耗是目前傳感器產品研發的重要指標之一;為了促進物聯網的規模化應用,低成本也是傳感器研發的重要方向。

  視頻技術可以看作非接觸式的傳感技術,是物聯網視覺能力的重要基礎。視頻采集技術,不僅可在常規條件下使用,在夜間、高溫、能見度低的場景下也可使用。當然,在這些特殊的使用場景,需要有相應的視頻采集存儲和分析識別技術。視頻分析識別技術依賴于大量高清晰度的視頻資料,從中找到關于實際空間環境中的趨勢性、經驗性、不確定性、隨機性和模糊性的信息,提取關鍵信息和有價值數據,可以在各種行業應用中,如智能交通、商業智能、防災減災、安全生產、智能安防、安全監護等,成為解決實際問題的利器。

  標識技術是通過RFID標簽、條形碼、二維碼、語音、生物特征等手段來標識物體、識別物體的技術。給產品貼上可識別的標簽,增加了產品的外在特征,然后通過紅外、激光掃描,RFID等技術來識別這些外在特征,來證實和判斷物體本質的特征。RFID是一種自動識別技術、也可以看作是物聯網的信息采集技術,本質上也是一種傳感器技術,融合了無線射頻技術和嵌入式技術。RFID在自動識別、物品物流管理等領域有著廣闊的應用前景。

  在物聯網的龐大生態體系中,芯片的科技含量較高,是產業鏈的基礎和核心。傳感層硬件的基礎就是各種芯片,如傳感器、微控制器、存儲器、超低功耗通信部件、定位模塊、信號轉換元件、電源管理元件都需要相應的芯片。掌握了芯片技術的核心,就掌握了物聯網的核心話語權,也就掌握了物聯網一劍封喉的手段。

  物聯網中,傳感器數量多、讀寫設備多、識讀點多、硬件設備品種多,數據格式不一。傳感器中間件就是為了屏蔽底層設備的復雜性的關鍵部件,是銜接傳感器硬件設備和上層業務應用的橋梁。感知層的中間件有兩種大的類型,一類是屏蔽傳感器采集數據的復雜性,完成傳感器測量數據的采集、過濾和合并;另一類是提供上層業務和應用的數據過度,完成傳感數據的存儲、維護、訪問和聚合。傳感器中間件還可以為上層應用提供標準接口,使客戶很輕松地利用其接口上進行二次開發,提高感知層的定制開發能力和場景適配能力。

  眾多的無線傳感器節點,可以使用ZigBee協議組成傳感網來協調工作,形成更有價值的信息網絡。物聯網近距離的通信技術、ZigBee組網應用原理、嵌入式網關技術都是傳感網的關鍵技術。此外,各傳感器產生的數據,還需要通過遠距離無線通信的方式和平臺層的各種應用軟件相連。也就是說,傳感器節點本身就相當于具有無線通信功能的終端。在物聯網時代,作為傳感器節點的終端設備眾多,像手機需要操作系統一樣,各細分場景的物聯網智能終端設備也需要相應的嵌入式操作系統,來感知層硬件的復雜性、支撐無線傳感網近距離通信的功能。這物聯網中傳感器終端設備的操作系統技術也是核心競爭能力之一。

  在共享單車、共享汽車、安全出行、公共交通等應用中,定位技術可以用來測量目標的位置參數、時間參數、運動參數等時空信息,從而得知某一用戶或者物體的具體位置和運行軌跡,從而實現對人或物的位置跟蹤。定位技術也是物聯網感知層應用的關鍵技術之一。

  綜上所述,物聯網感知技術設計到的關鍵技術大家庭如下圖所示。

  4 IT、CT、IOT的分層融合架構

  我們經常聽到,5G要實現IT、CT、IOT的三T融合。

  把感知到的數據通過5G匯集在平臺側,然后通過云計算中心的處理或大數據挖掘處理,人工智能的算法決策,就可以形成各行各業的應用。也就是說,5G物聯網不是簡單地對互聯網進行延伸和擴展,而是需要完成垂直行業技術和信息技術的整合。

  物聯網(IOT)技術要利用5G技術實現物物相連,而且各垂直行業應用都需要一些共同的平臺技術:人工智能、大數據、云計算的互聯網。

  這樣物聯網IOT和其他T的界限并不是很清晰了,很多技術感覺是共通的。

  在5G時代——萬物有感知、萬物走5G、萬物上平臺、萬物有應用,這幾句話,就是5G物聯網的特點。

  了解了這些感知層技術,就掌握了5G物聯網的技術基礎,再加上5G通信技術和云計算、大數據和人工智能等平臺技術,就搭建起了5G時代的端管云知識體系架構。

  為了支撐各種物體產生的信息在物聯網的體系中暢通無阻,需要在物聯網體系中實現一連串的數據采集、數據轉換、數據傳送、數據分析、數據處理,這樣物聯網的支撐技術就需要包括多個層面:傳感層技術(傳感器技術、RFID技術、感知/識別技術、WSN技術)、網絡層技術(低功耗高帶寬無線通信技術、移動通信技術),平臺層技術(人工智能、大數據、云計算)、應用層技術。物聯網發展的基礎是物聯網各個組成要件的協同發展。

  首先,物聯網的本質是全面感知,因此感知層是物聯網最基礎的層面。物聯網將促進各種感知技術的廣泛應用。物聯網系統應用敏感元件,可以把那些人類感覺器官收集不到的有用信息提取出來,延長和擴展人類的感知能力。比如,紅外、紫外等光波敏感元件,可以擴展人們的視力;超聲和次聲傳感器,可以擴展人們的聽力。此外,各種嗅敏、味敏、光敏、熱敏、磁敏、濕敏等敏感元件也助力人類的感覺能力的提升。一旦給某個物體加上傳感器,這個物體就成為一個信息源,它就會像互聯網上的一切數字設備那樣,發出自己感知到的一切信息。一個有完整行業應用的物聯網,往往部署了海量的各種類型的傳感器,不同類型的傳感器會測量到不同的信息,而這個信息具有實時性,物聯網的數據處理中心可以按一定的頻率,周期性的采集傳感器產生的信息,從而得到最新的數據。

  其次,物聯網要實現可靠傳輸,就必須依賴通信網和互聯網。從物聯網上的傳感器定時采集到的信息需要通過有線、無線網絡或互聯網進行傳輸。海量的傳感器會產生海量的測量信息。為了保障數據傳送的正確性和及時性,數據傳輸過程必須適應各種異構網絡和協議。這些都要求物聯網的網絡層具有容量大、可靠、低延時、異構網兼容的特點。

  再次,物聯網上連接著的各個物體,應該可以被追蹤、控制,也可以實現個性化呈現、遠程升級、統計分析等等功能。這就要求物聯網要支撐智能處理和智能控制。當與大數據和人工智能(AI)結合,利用云計算、模式識別等各種計算機技術,物聯網可以變得有預測性,支撐協同工作。物聯網的平臺層具有海量數據的存儲、計算、分析能力,它的職責就是使物聯網變得智能、智慧。

  最后,物聯網要和一定的應用場景結合,才能解決人們在生產、生活中碰到的一類問題。比如城市安防、智慧校園、智能醫療、智能交通、車聯網、智慧農業、智能家居、智能電網、石油化工的監控、各種機器人的集中管理和控制,都是物聯網應用層常見的場景。隨著物聯網的發展,還會延伸到更多的應用場景,發現更新的應用領域和應用模式,還會從更多場景中的傳感器采集海量信息進行分析、加工和處理,以適應不同行業、不同用戶的不同需求。

  總之,物聯網有四個層級,分別是:感知層、網絡層、平臺層和應用層。這四個層級又完成了數據采集、數據傳送、數據分析的功能,如圖 1- 6所示。如果把物聯網比作人體,感知層的作用相當于人的眼睛、耳朵、鼻子、舌頭、皮膚、手腳等感覺器官,網絡層就相當于用來傳遞信息的神經系統,平臺層則是人的大腦,對接收到的大量信息進行處理分析。傳感器技術是感知層的基礎,無線通信技術是網絡層的關鍵,計算機技術又是平臺層的核心,它們在物聯網系統中分別起到“感官”、“神經”和“大腦”的作用。而應用層就相當于人要完成的任務,有明確的目標和方向,需要感覺器官、神經系統和大腦共同完成。

  5 5G+ABC應用前景

  感知層雖采集了大量數據,但是只完成了初步的、小范圍的數據傳輸、提取和處理,這些數據要想能夠“致千里”,物聯網就需要成為一個“假輿馬者”(通過5G),這樣數據就可以完成遠距離傳輸、天涯咫尺;海量的感知層數據匯聚到中央平臺,要想支撐有價值、有意義、新穎獨特的應用,物聯網就需要成為數據海洋的“假舟楫者”(通過ABC),利用人工智能、大數據、云計算這些超級“巨輪”完成數據的綜合分析處理,支撐應用呈現。

  5G作為移動通訊技術的主要發展方向,為用戶提供光纖般的接入速率,“零”時延的操作感知,千億設備的連接能力,將拉近萬物的距離,為用戶帶來身臨其境的信息盛宴。“人工智能+大數據+云計算”助用戶突破海量數據的時空限制,為用戶提供多場景、多應用而且智能、智慧的交互體驗,最終實現“信息隨心至,萬物觸手及”的總體愿景。

  “5G+ABC”必將開啟物聯網的新征程,并滲透到未來社會的各個領域,以用戶為中心構建全方位的信息生態系統。

  新感知、新應用。在“5G+ABC”時代背景下,將會涌現出很多新的物聯網應用,如車聯網、自動駕駛、云AR/VR、智慧牧場、聯網無人機、遠程醫療、個人AI輔助、可穿戴設備、全息投影、遠程旅游等等。當然,隨著物聯網各層技術的發展,各行各業還會有涌現出很多新的應用。

  物聯網在網絡層技術加平臺層技術(5G+ABC)雙輪運轉的驅動下,必將實現感知層技術與多個垂直行業的應用跨界融合。未來的應用,只有想不到,沒有做不到。

  6 展望

  未來十年,物聯網連接數將突破萬億,物聯網工業產值將突破萬億,那么有志于從事物聯網方向的大眾來說,如何快速入門?

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      關鍵詞: 物聯網
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