赛迪顾问-关键技术“破冰”物联网产业的“攻坚战”.doc

关键技术“破冰”，物联网产业的“攻坚战”赛迪顾问股份有限公司一、物联网技术发展现状与问题（一）全球物联网技术发展概况物联网将新一代信息技术充分运用在各个领域，将传感器嵌入到各物体中，将传感网与基础通信网络整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。在这个系统当中，有计算能力强大的数据中心，能够对整合网络内人、物、网络设备实施管理和控制，以更加精细和动态的方式管理生产和生活，提高资源利用效率和生产力水平。物联网核心技术内涵丰富，包括射频识别（RFID）、智能传感器、全球定位系统、二维码等感知技术，也包括近距离无线通信技术、传感器节点、传感网组网和管理等传输技术，还包括海量信息存储和处理、数据挖掘、图像视频智能分析等处理技术，以及核心芯片及传感器微型化制造、物联网信息安全、高效能微电源等共性技术。“物联网”概念起源于美国的Auto-ID实验室，历经国际电信联盟（ITU）的扩展、“智慧地球”的充实，最终演变为现在的概念。物联网技术在不同的发展阶段，它的技术体系也不同，主要分为三个阶段：第一阶段（1999-2005年），物联网特指EPC网络，因此这一阶段物联网技术仅限于RFID和互联网；第二阶段（2005-2008年），物联网包括EPC网络和无线传感器网络，ITU在其报告中提出了物联网四大技术，即RFID、传感器、嵌入式系统和微型化，其中嵌入式系统指的是传感器节点，微型化技术针对传感器的小型化；第三个阶段（2008年至今），物联网包括EPC网络和无线传感器网络，融入了“智慧地球”的内容，物联网技术体系被分成三层架构：感知层技术除了原有的RFID和传感器外，进一步增加了地理位置感知、信息采集等；传输层除了原有的互联网和近距离无线通信外，进一步增加了公共移动通信系统、电力线载波通信、卫星通信、各种专网等，事实上认为任何通信的技术和方法都可以作为物联网的传输层；处理层除了原有的信息管理系统外，进一步增加了海量数据存储、数据挖掘、智能识别、网络搜索与发现等信息处理技术。（二）中国物联网技术发展现状我国物联网核心技术与国外的差距正在缩小，虽然高端技术领域普遍起步较晚，但国内科研院所已经拥有了一定的技术积累，需要利用市场杠杆促进高端核心技术的产品化和产业化过程。表1 物联网关键技术现状与趋势关键技术国内现状发展趋势RFID1、上海华虹、复旦微电子等多家公司已经完全掌握了13.56MHz RFID芯片的设计技术，广泛应用在我国公交卡、校园卡等领域，已经非常成熟；2、已经开发出超高频段的RFID芯片，支持ISO18000-6B/6C标准的产品；1、产品多样化；2、系统网络化；3、系统兼容多标准传感器1、上世纪六十年代就开始着力推进传感器的研发和生产，目前已经建立了比较完整的传感器产业体系；2、压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征，流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模较大。1、向高精度发展；2、向微型化发展；3、向微功耗及无源化发展；4、向智能化发展；5、向高可靠性发展。位置信息感知1、北斗二代于2012年建成覆盖部分区域、具有14颗卫星的导航系统，于2020年建成具有35颗卫星、覆盖全球的卫星导航系统；2、斗二代的导航性能将与GPS系统相当甚至超过GPS系统：1、多种系统并存；2、GPS与增强型定位系统（EPLS）相结合；3、使用差分导航技术MEMS1、已初步形成MEMS设计、加工、封装、测试的一条龙体系；2、由于历史原因造成的条块分割、力量分散，再加上投入严重不足，尽管已有不少成果，但在质量、性能价格比及商品化等方面与国外差距还很大。1、应用普及到消费类领域；2、设计制造的标准化加速；3、与CMOS生产工艺融合进一步加强。二维码1、长期以来使用的国家标准主要参照国际标准；2、我国已开发出“汉信码”、“紫光码”“矽感码”等一批自主知识产权的二维条码系统。1、小尺寸；2、低成本；3、信息量大。近距离无线通信1、本计划于2004年6月1日起强制实施WAPI标准，但遭到了英特尔等美国公司乃至美国政府的抵制，直至2009年6月WAPI首次获美、英、法等10余个国家成员的一致同意，将以独立文本形式推进为国际标准。1、协议走向根据应用进行分化的阶段；2、优先保证信息安全；3、以降低信息安全或者通信速率为代价，延长整个系统的寿命。无线传感网1、已经形成一批在传感器网络和节点技术领域具有一定水平的科研院所和企业；2、研发能力和产业化水平总体不足。1、微型化；2、智能化；3、功能综合化。海量数据存储1、我国的数据存储产业是从上个世纪九十年代开始，目前国内存储市场规模达百亿元左右；2、缺乏核心技术是制约我国信息存储基础产业发展的瓶颈。1、分布式存储与P2P存储；2、数据网格；3、智能存储系统；4、存储服务质量QoS；5、存储容灾。图像视频智能分析1、大多数生产和推广企业还只停留在普通的网络视频监控；2、中国市场智能视频监控产品基本上来源于国外厂商。1、识别精度；2、动态分析；中间件1、国内和国外在技术上的差距逐渐减小，但是在产品和市场方面的差距则越来越大；2、制约国内产业发展的主要瓶颈是规模小，缺乏大规模推广和销售的能力。1、面向企业应用和Internet应用；2、面向特定QoS要求；3、发展具有动态特性中间件。物联网信息安全1、由于我国在核心芯片、操作系统以及数据库软件等关键领域对外依存度很高，信息安全问题一直无法从根本上解决。1、密码技术；2、安全操作系统技术；3、网络隔离技术；4、网络行为安全监管技术；5、容灾与应急处理技术；6、身份认证技术。高效能微能源1、我国在微能源领域总体处于研发阶段，与国外先进水平尚有差距。1、与微加工技术结合；2、微型电池与能量获取装置集成。数据来源：赛迪顾问物联网产业数据库 2013，02二、物联网关键技术剖析与展望（一）物联网关键技术之感知技术1、超高频和微波RFID标签（1）概念在感知技术中，RFID用于对采集点信息进行标准化标识，通过射频识别读写器、二维码识读器等实现物联网应用的数据采集和设备控制。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，可同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID系统的工作频段是指读写器通过天线发送、接收并识读的标签信号频率范围。射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率，直接决定系统应用的各方面特性。按照工作频率的不同，RFID标签可以分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波等。不同频段的RFID工作原理不同，LF和HF频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理，而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁波发射原理。目前国际上广泛采用的频率分布于4种波段，低频、高频、超高频和微波。射频标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理、识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备成本。表2 RFID工作频段与特点频率低频（LF）125-135KHz高频（HF）13.56MHz超高频（UHF）860-960MHz微波2.45GHz识别距离小于60cm60cm10m10-50m传输方式电磁感应电磁感应电波感应电波感应特性受环境影响小，安全性较高，单一读取受环境影响小，安全性较高，可多重读取长距离，安全性一般，可大量读取长距离，可大量读取，受金属影响小数据来源：赛迪顾问物联网产业数据库 2013，02（2）现状我国RFID技术在电子标签、读写设备、中间件和系统集成方面已成了完整的产业链条。1994年，国家进行了信息化重大工程（金卡工程）建设，引导众多行业开展RFID应用试点。2006年6月9日以来，国家相继颁布了中国射频识别技术政策白皮书、800/900MHz频段试运行规定等相关政策规定，并将RFID技术列入国家中长期科学技术发展规划，表明我国已经开始RFID的技术研发和标准制定，RFID产业进入了加速发展的轨道。在低频和高频频段RFID技术的推动下，自主研发的低频标签芯片已成功应用到非接触公交卡、动物识别管理、食品追溯等领域；完全自主研发的具有高度信息安全功能的高频电子标签芯片已在第二代身份证、北京奥运会门票、上海世博会门票和广深城际铁路车票中得到了规模化的商业应用。低频和高频RFID技术相对成熟，而超高频和微波频段RFID关键技术的研发，也已经到达新的阶段。在超高频和微波频段的RFID芯片设计上，上海坤锐、同方微电子、复旦微电子和中兴集成电路等企业已经开发出超高频段的RFID芯片，支持ISO18000-6B/6C标准的产品。在RFID封装、系统集成与系统软件开发方面，我国RFID卡片形式的封装技术已经非常成熟，模块封装（芯片装配）、制卡（天线制作）和印刷等RFID封装的三个主要环节均拥有大量的加工企业，系统集成和软件开发在低频和高频频段RFID技术的作用下，也拥有大量具有一定研发实力的企业。图1 超高频RFID架构数据来源：赛迪顾问物联网产业数据库 2013，022、智能传感器（1）概念传感器可以感知声、光、电、热、压、温、湿、振动、化学、生物等各种类型信号，为物联网系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的数据信息。随着电子技术的不断进步提高，传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化；同时，也正经历着一个从传统传感器到智能传感器不断丰富发展的过程。应用新理论、新技术，采用新工艺、新结构、新材料，研发各类新型传感器，提升传感器功能与性能，降低成本是实现物联网的基础。智能传感器的概念最初是美国宇航局1978年在开发宇宙飞船过程中形成的。因为宇宙飞船上需要大量的传感器不断向地面发送温度、位置、速度和姿态等数据信息，用一台大型计算机很难同时处理如此庞杂的数据，于是提出把CPU分散化，从而产生出智能化传感器。智能传感器自70年代初出现以来，已成为当今传感器技术发展中的主要方向之一。随着传感器智能化程度的进步，传感器的概念也逐步扩展，由单一的敏感元件扩展为集信号获取、处理、存储与传输等功能在内的传感器系统。关于智能传感器系统的定义主要有以下三种：a.智能传感器系统是能够调节系统内部性能，以优化对外界数据获取能力的传感器系统。在这一定义中，对环境的适应及补偿能力是智能传感器的核心；b.智能传感器系统是将敏感元件及信号处理器组合在单一集成电路中的器件。在这一定义中，对信号处理器的最低要求并不是很明确；c.智能传感器系统是可提供比正确表达被测对象参量更多功能的传感器系统。图2 传感器架构数据来源：赛迪顾问物联网产业数据库 2013，02（2）现状传感器产品的门类品种繁多，目前我国共有10大类42小类近6000种传感器产品。全国有1600多家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用，年产量达24亿只，市场规模超过900亿元。但我国传感器及芯片厂商处于起步阶段，主要业务集中在低端产品，由于材料、工艺等基础薄弱，传感器技术自主创新能力不足，产品在功能、性能、可靠性、成本方面与国外有较大差距。国内中高端传感器多依赖于进口，成为制约传感器规模应用的主要瓶颈。跨国公司受到中国传感器市场的吸引，重点面向高端传感器市场开展营销，美国著名的传感器公司有PCB、Honeywell、IST、CAS、ITC等企业，其中PCB公司主要从事压电测量技术的研究、开发和制造，产品包括加速度、压力、扭矩传感器以及测量仪器，广泛应用于航天、航空、船舶、核工业、石化、电力等工业领域。德国著名的传感器公司有Siemens、Proxitron等，其中Proxitron公司以生产高温接近开关、热金属探测仪、气体流量开关和红外测温变送器为主。3、位置感知技术（1）概念对位置的感知主要通过卫星导航定位系统或无线蜂窝网络定位，辅助以感知姿态和加速度的陀螺仪和加速度计。目前全球卫星导航定位系统主要有美国GPS、“伽利略”系统、俄罗斯Glonass系统、中国“北斗二代”组成。其中GPS覆盖率最高，占据了全球卫星导航系统应用的95%，所发射的信号编码有精码与粗码之分，精码保密主要提供给美国及其盟国的军事用户使用，而粗码则为全球客户的民用服务；“伽利略”系统凭借先进的技术和良好的兼容性，在民用市场展现了不凡的竞争力，相对而言是一个经济、实用、高效、先进的系统，具有技术优势和系统兼容性；俄罗斯Glonass系统由于经济问题运行不畅，目前处于降效运行状态，其定位精度比GPS系统的定位精度略低。“北斗二代”是我国自行研制的卫星导航定位系统。我国自二十世纪70年代开始引进第一代卫星定位技术即多普勒技术，80年代中期开始引进研究美国全球卫星定位技术。2000年10月31日和12月21日，我国先后发射了第一颗和第二颗自主开发的北斗导航试验卫星，构成了我国第一代卫星导航定位系统。2003年5月25日，我国成功的将第三颗北斗导航定位卫星送入太空，建立了完善的第一代卫星导航定位系统北斗系统。2007年4月14日成功发射了北斗二代系统的第一颗卫星，目前为止已发射16颗北斗卫星。“北斗”卫星导航定位系统需要发射35颗卫星，比GPS多出11颗，提供开放服务和授权服务。图3 “北斗二代”星座图数据来源：赛迪顾问物联网产业数据库 2013，02（2）现状GPS经过多年的发展，其产业链已然完备。在GPS芯片领域，有SiRF、U-blox、高通、Trimble等跨国公司；在GPS模块领域，有Trimble、Rockwell、Garmin等，中国本土企业也有涉及；在GPS终端领域，导航仪、GPS测绘仪器等细分市场厂商无数，主要完成终端产品化及市场最终用户的推广。目前国内有多家企业涉足北斗二代射频、基带芯片的研发，包括和芯星通、国腾电子、华力创通、海格通信、时代民芯等。虽然有众多厂商参与北斗芯片的研发，但真正掌握核心基带芯片和软件技术的企业目前只有十余家，产业化水平不高，系统性能不能完全满足应用要求。随着北斗二代区域系统组建完成，定位精度将提高到与GPS相当，同时提供授权和开放服务，吸引终端厂商进入推广，为产业链的快速增长提供可能。图4 北斗芯片系统架构数据来源：赛迪顾问物联网产业数据库 2013，024、MEMS传感器（1）概念微电子机械系统（MEMS）是指采用微机械加工技术可以批量制作的、集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通信等于一体的微型器件或微型系统。MEMS是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。MEMS是以微电子技术为基础，以单晶硅为主要材料，辅以体硅加工、表面加工、离子刻蚀以及电镀、电火花加工等技术手段，进行毫米和亚毫米级的微零件、微传感器和微执行器的三维或准三维加工，并利用硅IC工艺的优势，制作出集成化的微型机电系统。随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展，MEMS传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势，极大地促进了传感器的微型化、智能化、多功能化和网络化发展。MEMS传感器正逐步占据传感器市场，并逐渐取代传统机械传感器的主导地位，已得到消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等各领域的青睐。表3 MEMS传感器种类种类分类类型MEMS物理传感器MEMS力学传感器MEMS加速度计MEMS角速度计MEMS惯性测量组合MEMS压力传感器MEMS流量传感器MEMS位移传感器MEMS电学传感器MEMS电场传感器MEMS电场强度传感器MEMS电流传感器MEMS磁学传感器MEMS磁通传感器MEMS磁场强度传感器MEMS热学传感器MEMS温度传感器MEMS热流传感器MEMS热导率传感器MEMS光学传感器MEMS红外传感器MEMS可见光传感器MEMS激光传感器MEMS声学传感器MEMS噪声传感器MEMS声表面波传感器MEMS超声波传感器MEMS化学传感器MEMS气体传感器可燃性气体传感器毒性气体传感器大气污染气体传感器汽车用传感器MEMS湿度传感器MEMS离子传感器MEMS PH传感器MEMS离子浓度传感器MEMS生物传感器MEMS生理量传感器MEMS生物浓度传感器MEMS触觉传感器MEMS生化量传感器数据来源：赛迪顾问物联网产业数据库 2013，02（2）现状我国MEMS的研究始于20世纪90年代初，在国家科研基金的支持下，已经形成以科研院所为主体、集中于华北、华东、东北、西南、西北五大研发区域，如清华大学、北京大学、中科院电子所、上海微系统所、航天771所等。经过多年发展，我国已在微型惯性器件和惯性测量组合、机械量微型传感器和制动器、微流量器件和系统、生物传感器和生物芯片、微型机器人和微操作系统、硅和非硅制造工艺等方面取得一定成果。现有的技术条件已初步形成MEMS设计、加工、封装、测试的一条龙体系，为保证我国MEMS技术的进一步发展提供了较好的平台。但是，由于历史原因造成的条块分割、力量分散，再加上投入严重不足，尽管已有不少成果，但在质量、性能价格比及商品化等方面与国外差距还很大。5、二维码解码芯片（1）概念