物联网时代仪器仪表产业的发展机遇.pdf

物联网时代给仪器仪表行业物联网时代给仪器仪表行业 带来的市场机遇带来的市场机遇 北京自动化技术研究院北京自动化技术研究院 赵力行赵力行 2013-11-23 企业战略选择企业战略选择 仪器仪表行业虽然是属于传统制造业，但仪器仪表行业虽然是属于传统制造业，但 是在中国经济进行产业结构升级，发展方是在中国经济进行产业结构升级，发展方 式转变过程中承担着的重要角色。同时与式转变过程中承担着的重要角色。同时与 七大战略新兴产业密不可分。七大战略新兴产业密不可分。 中小企业战略重点：中小企业战略重点： 集中一点集中一点 特色经营特色经营 灵活应变灵活应变 拾遗补缺拾遗补缺 提纲提纲 物联网产生的技术基础物联网产生的技术基础 物联网时代对仪器仪表的新要求物联网时代对仪器仪表的新要求 物联网促进仪器仪表产业发展物联网促进仪器仪表产业发展 案例介绍案例介绍 现阶段存在的问题现阶段存在的问题 分享分享 提纲提纲 物联网产生的技术基础物联网产生的技术基础 物联网时代对仪器仪表的新要求物联网时代对仪器仪表的新要求 物联网促进仪器仪表产业发展物联网促进仪器仪表产业发展 案例介绍案例介绍 现阶段存在的问题现阶段存在的问题 分享分享 物联网产生的技术基础物联网产生的技术基础 物联网最主要的三大技术基础物联网最主要的三大技术基础 传感器技术传感器技术 网络通信技术网络通信技术 计算机技术（网络计算、云计算）计算机技术（网络计算、云计算） 网络通信技术发展到今天已经无处不在网络通信技术发展到今天已经无处不在 广域、局域、短距离广域、局域、短距离 有线、无线、光纤有线、无线、光纤 GSM、GPRS、3G、TDCDMA、WPAN、Wi- Fi、ZigBee、Bluetooth、IPv6 IPv6 物联网的前提是必须为物品赋以独一无二的地址物联网的前提是必须为物品赋以独一无二的地址 现有标准现有标准IPv4只支持大概只支持大概40亿（亿（232次方）个网络次方）个网络 地址，平均每个人不到地址，平均每个人不到1个，人都不够分的。个，人都不够分的。 IPv6是互联网协议第四版（是互联网协议第四版（IPv4）的更新版）的更新版 Pv6支持支持2128（约（约3.4 1038）个地址，这等价于）个地址，这等价于 在地球上每平方英寸有在地球上每平方英寸有4.31020地址地址 （6.71017地址地址mm2） 丰富的地址资源使得物联网成为可能丰富的地址资源使得物联网成为可能。 物联网概念物联网概念 物联网的英文名称叫“物联网的英文名称叫“The Internet of things”，顾名思义，物联网就是“物物相，顾名思义，物联网就是“物物相 连的互联网”。连的互联网”。 物联网的定义是物联网的定义是：通过信息传感设备，按：通过信息传感设备，按 照约定的协议，把任何物品与互联网连接照约定的协议，把任何物品与互联网连接 起来，进行信息交换和通讯，以实现智能起来，进行信息交换和通讯，以实现智能 化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种 网络。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。它是在互联网基础上延伸和扩展的 网络。网络。(摘自政府工作报告注释）摘自政府工作报告注释） 物联网概念物联网概念 无线传感器网络（无线传感器网络（WSN） 物联网的构成物联网的构成 目前目前国外物联网的国外物联网的现状现状 美国： “智慧地球”确定为国家战略 欧盟： “物联网是我们的未来” 日本： 泛在网为立国之本 国际电信联盟ITU：展开物联网标准研究 国际标准化组织ISO：成立了物联网特别工作组 物联网被正式提升为战略性新兴产业，国家物联网 标准联合工作组成立 中国中国物联网成为战略新兴产业物联网成为战略新兴产业 提纲提纲 物联网产生的技术基础物联网产生的技术基础 物联网时代对仪器仪表的新要求物联网时代对仪器仪表的新要求 物联网促进仪器仪表产业发展物联网促进仪器仪表产业发展 案例介绍案例介绍 现阶段存在的问题现阶段存在的问题 分享分享 传感器的概念传感器的概念 什么是传感器？什么是传感器？ 传感器是这样一种装置，它能够探测、传感器是这样一种装置，它能够探测、 感受感受外界的信号、物理条件（如光、热、外界的信号、物理条件（如光、热、 湿度）或化学组成，并按照一定的规律转湿度）或化学组成，并按照一定的规律转 换成可用信号，最后将探知的信息换成可用信号，最后将探知的信息传递传递给给 其他装置。其他装置。 传感器的概念传感器的概念 传感器是对物质世界的信息进行测量的基传感器是对物质世界的信息进行测量的基 础手段和设备，是信息产业的础手段和设备，是信息产业的源头源头。温总。温总 理提出“理提出“感知中国感知中国”，传感器是感知的数”，传感器是感知的数 据来源。传感器的种类繁多，传感器广泛据来源。传感器的种类繁多，传感器广泛 应用在生产生活的方方面面，其发展水平应用在生产生活的方方面面，其发展水平 是国家科技水平和综合国力的重要体现。是国家科技水平和综合国力的重要体现。 传感器是物联网的技术基础之一，没有智传感器是物联网的技术基础之一，没有智 能传感器就谈不上物联网。能传感器就谈不上物联网。 测控仪表的分类测控仪表的分类 按照需要测量的物理量可分为：按照需要测量的物理量可分为： 热工量：温度、压力、流量、物位、真空度热工量：温度、压力、流量、物位、真空度 电量：电压、电流、功率、频率、射线量电量：电压、电流、功率、频率、射线量 声学、光学、辐射：噪音、光学测量、核仪器声学、光学、辐射：噪音、光学测量、核仪器 机械量：位移、速度、加速度、转速、振动、机械量：位移、速度、加速度、转速、振动、 重量、力、力矩、尺寸、表面粗糙度、硬度重量、力、力矩、尺寸、表面粗糙度、硬度 物性与成份量：物质成分、浓度、黏度、粒度、物性与成份量：物质成分、浓度、黏度、粒度、 湿度、露点、酸碱度、纯度、分子量等等湿度、露点、酸碱度、纯度、分子量等等 种类繁多，用途广泛。种类繁多，用途广泛。 测控仪表的指标测控仪表的指标 测控仪表指标：测控仪表指标：测量范围（量程）、精确测量范围（量程）、精确 度、分辨率、灵敏度、线性度、重复性、度、分辨率、灵敏度、线性度、重复性、 频率响应、滞后、长期稳定性、零点漂移、频率响应、滞后、长期稳定性、零点漂移、 温度漂移、蠕变、寿命、温度漂移、蠕变、寿命、价格价格等等等等 光学光学栅格栅格 物镜物镜 二极管二极管 UV 传送光源传送光源 三棱反射镜三棱反射镜 电容器电容器 偏转反射镜偏转反射镜 前窗口前窗口 测控技术的相关领域测控技术的相关领域 测控技术涉及许多基础科学、通用技测控技术涉及许多基础科学、通用技 术和保障性技术，大致包括：材料科学、术和保障性技术，大致包括：材料科学、 机械设计与加工工艺、检测技术、光学技机械设计与加工工艺、检测技术、光学技 术、电子电路设计、可靠性工程、环境适术、电子电路设计、可靠性工程、环境适 应性技术、防爆安保技术、安全技术、标应性技术、防爆安保技术、安全技术、标 准化等，所以说测控技术是一个国家基础准化等，所以说测控技术是一个国家基础 工业与科学技术综合实力的体现。工业与科学技术综合实力的体现。 测控仪表行业是高科技产业测控仪表行业是高科技产业，专利和专利和 情报工作也尤为重要。情报工作也尤为重要。 测控仪表的构成测控仪表的构成 对测量信号的对测量信号的感受采集感受采集 对测量信号的对测量信号的分析处理分析处理 对测量信号的对测量信号的表达输出表达输出 能源能源 信号的感受采集信号的感受采集-检测技术检测技术 常用检测原理常用检测原理 电磁、光学、微波、超声波、半导体效应、核电磁、光学、微波、超声波、半导体效应、核 辐射、电化学分析、色谱分析、质谱分析辐射、电化学分析、色谱分析、质谱分析 误差理论误差理论 概率、误差、误差传递、误差分配概率、误差、误差传递、误差分配 力学、流体力学和热力学等基础理论力学、流体力学和热力学等基础理论 检测技术检测技术电磁原理电磁原理 电磁原理电磁原理 电阻：热敏、压敏、磁敏、光敏、气敏、湿敏电阻：热敏、压敏、磁敏、光敏、气敏、湿敏 电容：电容：CS/d，频率电路、交流电桥、脉冲，频率电路、交流电桥、脉冲 电感：自感、互感电感：自感、互感 电势：电磁感应、热电效应、压电效应电势：电磁感应、热电效应、压电效应 磁性检测：热磁效应（磁氧分析）磁性检测：热磁效应（磁氧分析） 磁弹性（磁致伸缩）磁弹性（磁致伸缩） 铁磁材料的磁性能变化铁磁材料的磁性能变化 核磁共振效应核磁共振效应 信号的分析处理信号的分析处理计算技术计算技术 硬件上这些年随着半导体技术的发展，计硬件上这些年随着半导体技术的发展，计 算机、单片机的功能越来越强大，特别是算机、单片机的功能越来越强大，特别是 数字处理芯片（数字处理芯片（DSP）的出现大大提高了）的出现大大提高了 软硬件的综合性能。仪器仪表的开发可根软硬件的综合性能。仪器仪表的开发可根 据仪表的需求从最小的据仪表的需求从最小的8脚的单片机，到脚的单片机，到 大规模的大规模的DSP芯片选择不同规模的处理器。芯片选择不同规模的处理器。 软件技术也是随着计算机的出现应运而生，软件技术也是随着计算机的出现应运而生， 离散数学快速发展，产生数字信号处理技离散数学快速发展，产生数字信号处理技 术，主要方法有数字滤波、快速傅里叶变术，主要方法有数字滤波、快速傅里叶变 换和小波变换等方法，直至目前的嵌入式换和小波变换等方法，直至目前的嵌入式 系统。系统。 信号的表达输出信号的表达输出网络技术网络技术 仪表检测结果的表达输出已经从原来仪表检测结果的表达输出已经从原来 的就地指针、数字显示发展到依靠网络技的就地指针、数字显示发展到依靠网络技 术实现远程显示、存储、分析、运算、控术实现远程显示、存储、分析、运算、控 制等功能。制等功能。 现场总线现场总线 无线网络无线网络 保障技术保障技术可靠性工程可靠性工程 可靠性基本理论可靠性基本理论 故障机理：温度、磨损、振动、电磁干扰、辐射故障机理：温度、磨损、振动、电磁干扰、辐射 可靠性预计、分配和分析可靠性预计、分配和分析 指标：平均无故障时间、失效率、可靠度指标：平均无故障时间、失效率、可靠度 提高可靠性的设计方法提高可靠性的设计方法 降额设计、冗余设计降额设计、冗余设计 屏蔽、接地、隔离、滤波器屏蔽、接地、隔离、滤波器 简化设计和退化分析、最坏情况设计、概率设计法简化设计和退化分析、最坏情况设计、概率设计法 提高可靠性的工艺措施提高可靠性的工艺措施 老化筛选、装配焊接、工艺卫生、老化筛选、装配焊接、工艺卫生、QC活动活动 可靠性试验可靠性试验 抽样方法、寿命试验数据处理方法、失效率和抽样方法、寿命试验数据处理方法、失效率和MTBF验验 证证 保障技术保障技术环境适应性技术环境适应性技术 气候环境试验气候环境试验 温度、湿热、低气压、沙尘、盐雾、腐蚀性气体、雨温度、湿热、低气压、沙尘、盐雾、腐蚀性气体、雨 淋、霉菌、太阳辐射淋、霉菌、太阳辐射 机械环境试验机械环境试验 振动、冲击、碰撞、倾跌与翻倒、自由落体、倾斜与振动、冲击、碰撞、倾跌与翻倒、自由落体、倾斜与 摇摆、稳态加速度摇摆、稳态加速度 电磁兼容试验电磁兼容试验 抗扰度：静电放电、射频、快瞬脉冲群、浪涌、工频抗扰度：静电放电、射频、快瞬脉冲群、浪涌、工频 磁场、共模、串模、电源电压暂降、中断、频率磁场、共模、串模、电源电压暂降、中断、频率 发射：谐波电流发射、传导骚扰、辐射骚扰发射：谐波电流发射、传导骚扰、辐射骚扰 电器安全试验电器安全试验 防电击：电器强度、绝缘、接地防电击：电器强度、绝缘、接地 保障技术保障技术防爆安保技术防爆安保技术 爆炸基础理论爆炸基础理论 爆炸环境要素：点燃源、爆炸性物质、空气爆炸环境要素：点燃源、爆炸性物质、空气 爆炸混合物的特征参数：爆炸极限、最小点燃能爆炸混合物的特征参数：爆炸极限、最小点燃能 量、爆炸压力、自燃温度、最大试验安全间隙量、爆炸压力、自燃温度、最大试验安全间隙 爆炸性物质的分类、分级、危险场所的区域划分爆炸性物质的分类、分级、危险场所的区域划分 防爆技术基础防爆技术基础 隔爆型隔爆型d、增安型、增安型e、本质安全型、本质安全型i、正压外壳型、正压外壳型p、 油浸型油浸型o、充沙型、充沙型q、浇封型、浇封型m、粉尘防爆型、粉尘防爆型DIP、 无火花型无火花型n 保障技术保障技术安全技术安全技术 危险的分类：电击、与能量有关的危险、危险的分类：电击、与能量有关的危险、 着火、与热有关的危险、机械危险、辐射着火、与热有关的危险、机械危险、辐射 危险、化学危险危险、化学危险 防电击、防机械冲击和碰撞、防火焰蔓延、防电击、防机械冲击和碰撞、防火焰蔓延、 温度限制和耐热、防液体危险、防气体释温度限制和耐热、防液体危险、防气体释 放、爆炸和炸裂、防辐射放、爆炸和炸裂、防辐射 保障技术保障技术标准化标准化 标准和标准化标准和标准化 制订标准的原则制订标准的原则 制订标准的程序制订标准的程序 标准的编写方法标准的编写方法 标准化组织标准化组织 国际：国际标准化组织（国际：国际标准化组织（ISO） 国际电工委员会（国际电工委员会（IEC）TC65 国内：国家标准化管理委员会国内：国家标准化管理委员会 工业过程测量和控制标准化技术委员会工业过程测量和控制标准化技术委员会TC124 （秘书处：机械工业仪器仪表综合技术经济研究所）（秘书处：机械工业仪器仪表综合技术经济研究所） 技术新趋势、新领域技术新趋势、新领域 现代服务业：检维修服务、应用服务、定现代服务业：检维修服务、应用服务、定 制研发生产、解决方案制研发生产、解决方案 新一代现场总线新一代现场总线 无线仪表和传感器网络无线仪表和传感器网络 分析仪器在线化分析仪器在线化 安全仪表系统（安全仪表系统（SIS） 光纤传感光纤传感 MEMS技术（技术（Micro Electro Mechanical systems） 物联网时代对仪器仪表的新要求物联网时代对仪器仪表的新要求 体积小体积小 重量轻重量轻 低功耗低功耗 Power consumption per month Update every 15 minutes 0.020 J / month Stand by current of MSP430 (1A at 2.2V) 5.7 J / month Turbo Tag (Zink oxide battery) 80 J 物联网时代对仪器仪表的新要求物联网时代对仪器仪表的新要求 RFID 红外感应器红外感应器 全球定位系统全球定位系统 激光扫描器激光扫描器 光纤传感光纤传感 MEMS技术（技术（Micro Electro Mechanical systems） MEMS技术技术 MEMS （Micro Electro Mechanical systems）技术是未来传感器的主要技术技术是未来传感器的主要技术 发展方向之一，同时是技术制高点。就定发展方向之一，同时是技术制高点。就定 义而言，义而言，MEMS (微机电系统微机电系统)它是一种制它是一种制 造技术。是感知、计算和执行的融合。造技术。是感知、计算和执行的融合。 MEMS技术是把电子和机械特性结合了起技术是把电子和机械特性结合了起 来，它可以同时执行物理、化学、生物等来，它可以同时执行物理、化学、生物等 方面的功能，它能同时发生物理、化学反方面的功能，它能同时发生物理、化学反 应和电作用。应和电作用。 MEMS器件与产品器件与产品 a b 提纲提纲 物联网产生的技术基础物联网产生的技术基础 物联网时代对仪器仪表的新要求物联网时代对仪器仪表的新要求 物联网促进仪器仪表产业发展物联网促进仪器仪表产业发展 案例介绍案例介绍 现阶段存在的问题现阶段存在的问题 分享分享 工业自动化 农业自动化 资产监控 商业市场 自动售货 物联网应用领域物联网应用领域 自然灾害监控 环境监控 交通监控 公共领域 公共设施监控 智能家具 远程医疗 自动抄表 个人和家庭 健康管理 物联网行业应用物联网行业应用 各行各业应用：各行各业应用： 物流：物流：UPS特快专递、远洋运输、铁路运输特快专递、远洋运输、铁路运输 环境监控：气体泄漏、水体污染、工厂排放环境监控：气体泄漏、水体污染、工厂排放 节能减排：节能监察、热力管网、燃气管网节能减排：节能监察、热力管网、燃气管网 交通监管：危险品、渣土运输车辆监控定位交通监管：危险品、渣土运输车辆监控定位 公共安全：消防、电梯、基础设施公共安全：消防、电梯、基础设施 城市管理：大型活动指挥、地下管线城市管理：大型活动指挥、地下管线 医疗卫生：家庭监护、远程医疗医疗卫生：家庭监护、远程医疗 等等等等 应用项目应用项目 序号序号 公共安全类公共安全类 城市管理类城市管理类 节能减排类节能减排类 民生类民生类 1 有毒有害气体远程有毒有害气体远程 防控系统防控系统 无线多媒体综合信息无线多媒体综合信息 发布平台发布平台 节能监察无线监控管节能监察无线监控管 理平台理平台 无线小额支付平台无线小额支付平台 2 水箱安防管理平台水箱安防管理平台 大型活动指挥调度系大型活动指挥调度系 统统 燃气管网智能优化燃气管网智能优化 无线社区服务平台无线社区服务平台 3 建筑火灾无线报警建筑火灾无线报警 监控管理系统监控管理系统 建筑工地无线监控系建筑工地无线监控系 统统 城市热网远程无线监城市热网远程无线监 控管理系统控管理系统 无线社区安防管理系无线社区安防管理系 统统 4 房屋、桥梁、涵洞、房屋、桥梁、涵洞、 隧道等建筑物隧道等建筑物 倒塌预警系统倒塌预警系统 渣土运输车管理系统渣土运输车管理系统 供电系统智能优化供电系统智能优化 一氧化碳无线防控系一氧化碳无线防控系 统统 5 无线电梯智能实时无线电梯智能实时 监控系统监控系统 危险品安全监控管理危险品安全监控管理 医疗废物管理（卫生、医疗废物管理（卫生、 环保）环保） 智慧家居智慧家居 6 烟花爆竹手机视频烟花爆竹手机视频 监控系统监控系统 水质无线监测系统水质无线监测系统 人员密集场所安全监人员密集场所安全监 控控 7 可燃气体无线防控可燃气体无线防控 平台平台 城市地下管线综合管城市地下管线综合管 理理 8 危化品生产储运监危化品生产储运监 控系统控系统 城市路灯无线管理系城市路灯无线管理系 统统 物联网促进仪器仪表产业发展物联网促进仪器仪表产业发展 物联网的产业物联网的产业 链：传感器、网络链：传感器、网络 运营商、软件供应运营商、软件供应 商、系统集成商等，商、系统集成商等， 作为金子塔的塔座，作为金子塔的塔座， 传感器的需求量将传感器的需求量将 会是整个链条总量会是整个链条总量 最大和最基础的环最大和最基础的环 节。节。 无线网络无线网络、Internet、Telecom等网络运营商等网络运营商 （硬件硬件、组网组网.） （RFID）装置装置、红外感应器红外感应器、全球定位系统全球定位系统、 激光扫描器装置激光扫描器装置、各类物理量测量传感器各类物理量测量传感器、通通 信产品硬件等部件制造商信产品硬件等部件制造商 相关软件供应商相关软件供应商（数据库软件数据库软件、通讯软件通讯软件、网网 络软件络软件、信息安全软件信息安全软件. 系统集成商系统集成商（根据客户需求提供不同需求特点根据客户需求提供不同需求特点 的解决方案的解决方案） 提纲提纲 物联网产生的技术基础物联网产生的技术基础 物联网时代对仪器仪表的新要求物联网时代对仪器仪表的新要求 物联网促进仪器仪表产业发展物联网促进仪器仪表产业发展 案例介绍案例介绍 现阶段存在的问题现阶段存在的问题 分享分享 北京市城市安全运行和应急管理领域北京市城市安全运行和应急管理领域 城市安全运行和应急管理辅助决策系统城市安全运行和应急管理辅助决策系统 物联网应用支撑平台物联网应用支撑平台 春节期间烟花爆竹综合管理物联网应用示范工程春节期间烟花爆竹综合管理物联网应用示范工程 “城市生命线”实时监测物联网应用示范工程“城市生命线”实时监测物联网应用示范工程 安全生产物联网应用示范工程安全生产物联网应用示范工程 “政治中心区”综合管理物联网应用示范工程“政治中心区”综合管理物联网应用示范工程 轨道交通安全防范物联网应用示范工程轨道交通安全防范物联网应用示范工程 极端天气条件下保持道路交通畅通物联网应用示极端天气条件下保持道路交通畅通物联网应用示 范工程范工程 城市运行保障和应急抢险车辆卫星定位管理物联城市运行保障和应急抢险车辆卫星定位管理物联 网应用示范工程网应用示范工程 区县和社区综合监管物联网应用示范工程区县和社区综合监管物联网应用示范工程 烟花爆竹综合管理物联网应用示范工程烟花爆竹综合管理物联网应用示范工程 安监局烟花爆竹监管系统：安监局烟花爆竹监管系统：12家批发单位仓库的家批发单位仓库的 出入库、仓库安防及周边环境；五环内销售网点出入库、仓库安防及周边环境；五环内销售网点 视频图像监控。视频图像监控。 环保局提供噪音、空气质量实时信息；气象局提环保局提供噪音、空气质量实时信息；气象局提 供供200多个自动气象站的实时气象信息；消防局多个自动气象站的实时气象信息；消防局 提供提供36个高点监控图像，实时监控燃放情况。个高点监控图像，实时监控燃放情况。 接入市容委接入市容委900多辆综合执法车、卫生局多辆综合执法车、卫生局400多辆多辆 急救车、消防局急救车、消防局200多辆消防车的实时定位信息。多辆消防车的实时定位信息。 接入卫生局医院外伤收治、市容委烟花爆竹残屑接入卫生局医院外伤收治、市容委烟花爆竹残屑 清运、消防局火警接报信息。清运、消防局火警接报信息。 提纲提纲 物联网产生的技术基础物联网产生的技术基础 物联网时代对仪器仪表的新要求物联网时代对仪器仪表的新要求 物联网促进仪器仪表产业发展物联网促进仪器仪表产业发展 案例介绍案例介绍 现阶段存在的问题现阶段存在的问题 分享分享 在物联网发展的现阶段面临的矛盾在物联网发展的现阶段面临的矛盾 物联网对中国来说是新概念，但物联网的应用早就存在；物联网对中国来说是新概念，但物联网的应用早就存在； 物联网的产业链很长，但缺乏龙头企业；物联网的产业链很长，但缺乏龙头企业； 物联网产业规模很大，但每一种产品在市场上又难以上规物联网产业规模很大，但每一种产品在市场上又难以上规 模；模； 物联网应用领域几乎无处不在，但又似乎难以切入；物联网应用领域几乎无处不在，但又似乎难以切入； 物联网看上去技术门槛不高，但在核心器件和软件方面，物联网看上去技术门槛不高，但在核心器件和软件方面， 我们还做不到自主可控；我们还做不到自主可控； 与物联网有关标准化组织很多，但物联网又缺乏权威的可与物联网有关标准化组织很多，但物联网又缺乏权威的可 遵循的标准；遵循的标准； 与物联网有关的全国和地区产业联盟很多，但产业界仍感与物联网有关的全国和地区产业联盟很多，但产业界仍感 到无所适从；到无所适从； 目前对物联网是国内比国外热，政府比市场热，产业比应