未来十年的C位:IoT 物联网产业全景解析

1. IoT 物联网是什么?

有的人说,物联网就是传感器;有的人说,物联网就是5G,NB-IOT;还有的人说,物联网就是大数据;也有的人说,物联网就是智慧地球,智慧城市,智能交通,智能家居;也有的人说,平安城市,天网工程,雪亮工程就是物联网;甚至还有的人说,物联网和人工智能差不多。

物联网的概念最早于1999年由美国麻省理工学院提出,英文名为Internet of Things,即“物物相连的网络”。从物联网的本质上看,物联网是把任何物体的任何测量量,变成一串数字,然后利用网络传送出去,进行分析处理,然后支撑相关应用的数据转换过程。

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2. 物联网感知层技术的发展趋势

物联网区别于互联网的本质在哪里?

对,是感知层。感知层的基础又是传感器。

其实,传感器大家天天在使用,手机上,汽车上都有大量的传感器。

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上世纪50年代,在欧美等国的军事技术、航空航天领域的试验研究过程中,传感器技术开始发展。

20世纪70年代开始,利用半导体、电介质、磁性材料等固体元件的某些特性,利用热电效应、霍尔效应、光敏效应,分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。这就是固体传感器时代。结构传感器和固体传感器均属于模拟传感器阶段。70年代末,随着集成技术、微电子技术及计算机技术的发展,出现了集成传感器。集成传感器功能多,成本低,性能良好。这个阶段传感器技术开始从模拟向数字方向发展。

20世纪80年代,微型计算机技术与检测技术相结合产生了智能传感器。一开始,把信号转换电路和微计算机、存贮器及接口集成在一个芯片上,和传感器结合在一起,就是智能传感器,具有检测、数据处理以及自适应能力。90年代后,智能化测量技术促使传感器本身实现智能化,具有了自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及联网通信功能等。

在20世纪90年代,无线传感器网络技术逐渐成熟。传感器技术发展历程如下图所示。

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进入21世纪,计算机技术的飞速发展,大幅提升了信息处理效率。LTE、5G的NB-IOT等无线通讯技术快速发展,提升了信息传输的效率。传感器新材料、新工艺、新应用的不断出现,检测技术、控制技术得到了发展,信息采集能力、测量精度和可靠性得到了根本上的提升;与此同时,传感器在进一步微型化、网络化。几种趋势合在一起,促进了物联网感知技术的进一步成熟,如下图所示。

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现代传感器正从传统的单一功能朝着集成化、无线化、网络化、数字化、系统化、微型化、智能化、多功能化、光机电一体化、无维护化的方向发展,与此同时,传感器的功耗将越来越低,精度和可靠性将越来越高、测量范围将越来越宽。

受益于5G基础通讯网络的建设,受益于物联网终端种类的持续增长,受益于物联网各场景应用需求的暴增,有权威机构预测,到2025年,全球物联网连接数量达1000亿个。未来10年,物联网将有上万亿元的市场,其产业规模将比互联网大数倍。前景如此可观!

进入物联网时代,为了匹配各种应用场景,传感技术呈现出了以下新的发展趋势:

(1)开发和应用新的传感器材料

传感器技术升级换代的重要推动力就是新材料的应用。新型的光电传感器的敏感材料,具有检测距离远、分辨率高、响应快、检测物体范围广等特点;生物敏感材料由于其选择性好、灵敏度高、成本低,在食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有着广泛的应用前景;新型的纳米材料促进了传感器向微型方向的发展。随着未来物联网应用场景的不断拓宽,人们将会开发出更多优质的传感器新材料,新材料的应用水平将会不断提升。

(2)提升传感器的集成度

传感器集成度的提高有两个方向:一个是在同一个芯片上集成很多类型的传感器;另一个是传感器与后续其他功能电路的集成化。这两个方向,都是传感器的多功能化方向。一个多传感器集成的芯片,可以检测的参数,由点到面到体,可以实现多维参数的图像化呈现。如医学临床上使用的一种传感器,芯片尺寸仅为2.5mm×0.5mm,可同时快速检测出一滴血液中Na+、K+和H+等多种离子的浓度。一个将传感检测功能与放大、运算、干扰补偿等功能集成在一体的传感器,具有了很好的自适应性,在机器人工业上,得到了大量应用。

(3)无线网络化

无线网络技术与传感器技术的结合就是无线传感网技术。在网络中,传感器作为一个收集各种测量量的节点,如温度的高低、湿度的变化、压力的增减、噪声的升降。多个节点组成一个网络。每一个传感器节点可以看作是一个快速运算的微型计算机,将传感器收集到的信息转化成为数字信号。节点与节点之间可以彼此通信,也可以和中央处理中心进行联系。无线传感器网络是由多学科高度交叉的新兴热点研究领域。随着在工业、农业、军事、环境、医疗、智能家居、智慧城市等领域应用需求的增多,传感器的无线网络化应用将会越来越成熟。

(4)小型化、微型化

传感器新型材料的使用、集成度的提升,可以促进传感器的小型化、微型化。微型化传感器占用空间小、重量轻、反应快、灵敏度高、成本低、能耗低,便于安装和维护。医学上有一种“神经尘埃”传感器,只有一粒沙子大小(长 3 毫米,高 1 毫米,宽 0.8 毫米),这种微型传感器的晶体管负责搜集神经和肌肉组织的信息,然后以超声波的形式,将相应信息反馈给体外的接收器,为医生确认病情提供参考。随着传感技术的发展,微型传感器可测量的物理量、化学量和生物量会越来越多。在航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的应用也会越来越多。

(5)提高传感器的智能化水平

智能化传感器是微处理器与传感器的结合,既能够采集信息,还可以进行信息的处理和存储,进行逻辑思考和决策。智能传感器将有数字通信接口,可以直接与其所属计算机进行通信联络和交换信息。随着微处理器技术的不断发展,智能传感器将在自适应、自维护、运算能力、实时性等方面得到进一步提升。

3. 物联网感知层关键技术

描述5G物联网,就从感知层的技术开始。物体没有感知周边信息的能力,“聋子、哑巴”式的终端连在网上也没有什么用。传感器是物联网信息之源,感知技术是物联网互联之本。

物联网感知层的“感知智行”功能的实现,依赖于一系列感知层的关键技术。

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首先,传感技术是物联网测量技术基础,是物联网信息产生的源头。传感器作为物联网产业的关键器件,新材料技术、智能化技术、集成化技术、小型化技术是现代传感器发展过程中离不开的课题。为了便于一次部署、永久使用,低功耗是目前传感器产品研发的重要指标之一;为了促进物联网的规模化应用,低成本也是传感器研发的重要方向。

视频技术可以看作非接触式的传感技术,是物联网视觉能力的重要基础。视频采集技术,不仅可在常规条件下使用,在夜间、高温、能见度低的场景下也可使用。当然,在这些特殊的使用场景,需要有相应的视频采集存储和分析识别技术。视频分析识别技术依赖于大量高清晰度的视频资料,从中找到关于实际空间环境中的趋势性、经验性、不确定性、随机性和模糊性的信息,提取关键信息和有价值数据,可以在各种行业应用中,如智能交通、商业智能、防灾减灾、安全生产、智能安防、安全监护等,成为解决实际问题的利器。

标识技术是通过RFID标签、条形码、二维码、语音、生物特征等手段来标识物体、识别物体的技术。给产品贴上可识别的标签,增加了产品的外在特征,然后通过红外、激光扫描,RFID等技术来识别这些外在特征,来证实和判断物体本质的特征。RFID是一种自动识别技术、也可以看作是物联网的信息采集技术,本质上也是一种传感器技术,融合了无线射频技术和嵌入式技术。RFID在自动识别、物品物流管理等领域有着广阔的应用前景。

在物联网的庞大生态体系中,芯片的科技含量较高,是产业链的基础和核心。传感层硬件的基础就是各种芯片,如传感器、微控制器、存储器、超低功耗通信部件、定位模块、信号转换元件、电源管理元件都需要相应的芯片。掌握了芯片技术的核心,就掌握了物联网的核心话语权,也就掌握了物联网一剑封喉的手段。

物联网中,传感器数量多、读写设备多、识读点多、硬件设备品种多,数据格式不一。传感器中间件就是为了屏蔽底层设备的复杂性的关键部件,是衔接传感器硬件设备和上层业务应用的桥梁。感知层的中间件有两种大的类型,一类是屏蔽传感器采集数据的复杂性,完成传感器测量数据的采集、过滤和合并;另一类是提供上层业务和应用的数据过度,完成传感数据的存储、维护、访问和聚合。传感器中间件还可以为上层应用提供标准接口,使客户很轻松地利用其接口上进行二次开发,提高感知层的定制开发能力和场景适配能力。

众多的无线传感器节点,可以使用ZigBee协议组成传感网来协调工作,形成更有价值的信息网络。物联网近距离的通信技术、ZigBee组网应用原理、嵌入式网关技术都是传感网的关键技术。此外,各传感器产生的数据,还需要通过远距离无线通信的方式和平台层的各种应用软件相连。也就是说,传感器节点本身就相当于具有无线通信功能的终端。在物联网时代,作为传感器节点的终端设备众多,像手机需要操作系统一样,各细分场景的物联网智能终端设备也需要相应的嵌入式操作系统,来感知层硬件的复杂性、支撑无线传感网近距离通信的功能。这物联网中传感器终端设备的操作系统技术也是核心竞争能力之一。

在共享单车、共享汽车、安全出行、公共交通等应用中,定位技术可以用来测量目标的位置参数、时间参数、运动参数等时空信息,从而得知某一用户或者物体的具体位置和运行轨迹,从而实现对人或物的位置跟踪。定位技术也是物联网感知层应用的关键技术之一。

综上所述,物联网感知技术设计到的关键技术大家庭如下图所示。

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4. IT、CT、IoT的分层融合架构

我们经常听到,5G要实现IT、CT、IoT的三T融合。

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把感知到的数据通过5G汇集在平台侧,然后通过云计算中心的处理或大数据挖掘处理,人工智能的算法决策,就可以形成各行各业的应用。也就是说,5G物联网不是简单地对互联网进行延伸和扩展,而是需要完成垂直行业技术和信息技术的整合。

物联网(IOT)技术要利用5G技术实现物物相连,而且各垂直行业应用都需要一些共同的平台技术:人工智能、大数据、云计算的互联网。

这样物联网IOT和其他T的界限并不是很清晰了,很多技术感觉是共通的。

在5G时代——万物有感知、万物走5G、万物上平台、万物有应用,这几句话,就是5G物联网的特点。

了解了这些感知层技术,就掌握了5G物联网的技术基础,再加上5G通信技术和云计算、大数据和人工智能等平台技术,就搭建起了5G时代的端管云知识体系架构。

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为了支撑各种物体产生的信息在物联网的体系中畅通无阻,需要在物联网体系中实现一连串的数据采集、数据转换、数据传送、数据分析、数据处理,这样物联网的支撑技术就需要包括多个层面:传感层技术(传感器技术、RFID技术、感知/识别技术、WSN技术)、网络层技术(低功耗高带宽无线通信技术、移动通信技术),平台层技术(人工智能、大数据、云计算)、应用层技术。物联网发展的基础是物联网各个组成要件的协同发展。

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首先,物联网的本质是全面感知,因此感知层是物联网最基础的层面。物联网将促进各种感知技术的广泛应用。物联网系统应用敏感元件,可以把那些人类感觉器官收集不到的有用信息提取出来,延长和扩展人类的感知能力。比如,红外、紫外等光波敏感元件,可以扩展人们的视力;超声和次声传感器,可以扩展人们的听力。此外,各种嗅敏、味敏、光敏、热敏、磁敏、湿敏等敏感元件也助力人类的感觉能力的提升。一旦给某个物体加上传感器,这个物体就成为一个信息源,它就会像互联网上的一切数字设备那样,发出自己感知到的一切信息。一个有完整行业应用的物联网,往往部署了海量的各种类型的传感器,不同类型的传感器会测量到不同的信息,而这个信息具有实时性,物联网的数据处理中心可以按一定的频率,周期性的采集传感器产生的信息,从而得到最新的数据。

其次,物联网要实现可靠传输,就必须依赖通信网和互联网。从物联网上的传感器定时采集到的信息需要通过有线、无线网络或互联网进行传输。海量的传感器会产生海量的测量信息。为了保障数据传送的正确性和及时性,数据传输过程必须适应各种异构网络和协议。这些都要求物联网的网络层具有容量大、可靠、低延时、异构网兼容的特点。

再次,物联网上连接着的各个物体,应该可以被追踪、控制,也可以实现个性化呈现、远程升级、统计分析等等功能。这就要求物联网要支撑智能处理和智能控制。当与大数据和人工智能(AI)结合,利用云计算、模式识别等各种计算机技术,物联网可以变得有预测性,支撑协同工作。物联网的平台层具有海量数据的存储、计算、分析能力,它的职责就是使物联网变得智能、智慧。

最后,物联网要和一定的应用场景结合,才能解决人们在生产、生活中碰到的一类问题。比如城市安防、智慧校园、智能医疗、智能交通、车联网、智慧农业、智能家居、智能电网、石油化工的监控、各种机器人的集中管理和控制,都是物联网应用层常见的场景。随着物联网的发展,还会延伸到更多的应用场景,发现更新的应用领域和应用模式,还会从更多场景中的传感器采集海量信息进行分析、加工和处理,以适应不同行业、不同用户的不同需求。

总之,物联网有四个层级,分别是:感知层、网络层、平台层和应用层。这四个层级又完成了数据采集、数据传送、数据分析的功能,如图 1- 6所示。如果把物联网比作人体,感知层的作用相当于人的眼睛、耳朵、鼻子、舌头、皮肤、手脚等感觉器官,网络层就相当于用来传递信息的神经系统,平台层则是人的大脑,对接收到的大量信息进行处理分析。传感器技术是感知层的基础,无线通信技术是网络层的关键,计算机技术又是平台层的核心,它们在物联网系统中分别起到“感官”、“神经”和“大脑”的作用。而应用层就相当于人要完成的任务,有明确的目标和方向,需要感觉器官、神经系统和大脑共同完成。

5. 5G+ABC应用前景

感知层虽采集了大量数据,但是只完成了初步的、小范围的数据传输、提取和处理,这些数据要想能够“致千里”,物联网就需要成为一个“假舆马者”(通过5G),这样数据就可以完成远距离传输、天涯咫尺;海量的感知层数据汇聚到中央平台,要想支撑有价值、有意义、新颖独特的应用,物联网就需要成为数据海洋的“假舟楫者”(通过ABC),利用人工智能、大数据、云计算这些超级“巨轮”完成数据的综合分析处理,支撑应用呈现。

5G作为移动通讯技术的主要发展方向,为用户提供光纤般的接入速率,“零”时延的操作感知,千亿设备的连接能力,将拉近万物的距离,为用户带来身临其境的信息盛宴。“人工智能+大数据+云计算”助用户突破海量数据的时空限制,为用户提供多场景、多应用而且智能、智慧的交互体验,最终实现“信息随心至,万物触手及”的总体愿景。

“5G+ABC”必将开启物联网的新征程,并渗透到未来社会的各个领域,以用户为中心构建全方位的信息生态系统。

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新感知、新应用。在“5G+ABC”时代背景下,将会涌现出很多新的物联网应用,如车联网、自动驾驶、云AR/VR、智慧牧场、联网无人机、远程医疗、个人AI辅助、可穿戴设备、全息投影、远程旅游等等。当然,随着物联网各层技术的发展,各行各业还会有涌现出很多新的应用。

物联网在网络层技术加平台层技术(5G+ABC)双轮运转的驱动下,必将实现感知层技术与多个垂直行业的应用跨界融合。未来的应用,只有想不到,没有做不到。

未来十年,物联网连接数将突破万亿,物联网工业产值也将突破万亿。

本文来源:北京物联网智能技术应用协会
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