国外物联网透视(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:毕开春,夏万利,等

出版社:电子工业出版社

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国外物联网透视

国外物联网透视试读:

前言

信息技术的发展催生了一个新的概念——物联网。近年来,全球金融危机和经济危机的蔓延,加快了各国竞争实力的消长变迁,为改变现有世界经济格局创造了历史性机遇。物联网的发展引起了世界范围内的广泛关注,各国纷纷把发展物联网作为摆脱当前金融危机、实现经济复苏和占领全球竞争制高点的重要手段。美国提出了“智慧地球”计划;欧盟制订并公布了物联网行动计划,将物联网上升至区域战略高度;日本宣布了i-Japan计划和智能云战略,将物联网列为国家重点战略之一;韩国通过了《物联网基础设施构建基本规划》,将物联网作为市场发展的新动力。发达国家凭借自身在信息技术和社会信息化水平方面的传统优势,在物联网产业发展上占有强势地位,这就亟须我们对国外物联网发展进行系统的分析梳理,总结发展经验,理清发展思路。本书编写组长期跟踪国外物联网发展,在对大量文献资料进行分析整理的基础上,经过深入研究,总结出了完整的国外物联网发展知识体系,在本书中与读者分享。

本书图文并茂,在构思和编写上力争为读者呈现国外物联网发展的全局图和深层结构图,立足于系统性、实用性、全面性和资料性,使读者对国外物联网发展有一个更加直观、具体和清晰的认识,期望对需要深入了解国外物联网发展的各位读者朋友有所帮助,也为我国物联网产业发展提供点滴借鉴。本书共分8章,第1章阐述物联网理念的兴起、物联网的内涵及定义,并对世界物联网发展状况进行分析总结;第2章分析美国在物联网战略布局和发展政策、技术、标准和知识产权、企业及组织机构以及典型应用等方面的发展状况;第3章介绍欧盟物联网发展状况;第4章介绍日本物联网发展状况;第5章对韩国物联网发展状况进行分析;第6章分析总结其他国家和地区物联网发展概况;第7章分析阐述国外物联网发展对我国的启示;第8章对世界物联网技术发展现状和未来发展趋势进行分析。

本书由毕开春、夏万利、李维娜主编。其中,第1章主要由李维娜和李宁宁编写;第2章主要由王志成、赵杨、龚巍巍编写;第3章主要由崔学民、王慧娴编写;第4章主要由李宁宁、王慧娴编写;第5章主要由崔学民、晏磊编写;第6章主要由李维娜、赵杨编写;第7章主要由李维娜编写;第8章主要由王志成、晏磊、龚巍巍编写。此外,黄艳芳、闫洪、孟拓也参与了本书的部分编写工作。

本书的编辑出版得到了工业和信息化部电子科技委副主任、中国信息产业商会执行会长张琪以及有关专家的大力支持,在此表示诚挚的谢意。同时感谢电子工业出版社对本书出版的帮助和支持。

物联网是一个方兴未艾的新兴产业,其发展日新月异、理念不断更新,由于笔者水平及时间有限,书中难免会有局限和不足之处,敬请各位专家以及广大读者不吝指正。于工业和信息化部电子科学技术情报研究所2012年5月第1章总论

内容提要

回顾历史,在世界上每次大的危机之后,总会有新的技术或行业诞生,引领和支撑经济的复苏发展,从而带动世界经济进入新的上升周期。在本次世界范围内的金融危机和欧债危机余波未了之时,物联网逐渐成为人们眼中的“救世主”。尽管业内对这种说法莫衷一是,但不可否认的是,物联网已经成为世界主要国家抢占新一轮战略制高点的重要选择。本章将对物联网理念的兴起、物联网的内涵和定义等内容进行梳理,并对世界物联网发展的总体情况以及细分领域发展状况进行分析总结,最后论述世界物联网应用发展状况。

从物联网理念兴起,到掀起全球性的发展热潮,物联网的发展经历了十余年的历程。到目前,物联网对社会经济的多角度、全方位推动作用已经形成广泛共识。虽然物联网产业当前还只是处于初级形态,但其未来发展潜力巨大,随着大规模应用条件的逐渐成熟,物联网将成为重构世界信息产业格局的重要力量。1.1 世界物联网发展综述

物联网理念从何时兴起,又是经过怎样的过程发展到现今如火如荼的局面?本节将解开上述的疑问,并对物联网十余年的发展脉络进行梳理和总结,同时对物联网的内涵和定义进行阐述。1.1.1 物联网理念的兴起

1995年,比尔·盖茨在其《未来之路》一书中首次提出“物联网”一词,但由于当时受限于无线网络、软硬件及传感器的发展制约,并没引起太多关注。1999年,美国麻省理工学院(MIT)的Auto-ID实验室最早明确提出了“物联网”概念。当时的物联网其实就是“电子产品编码网络(EPC Network)”,即把射频识别(RFID)标签贴在物品上并把该物品的相关信息(如产地、原料、生产和出库日期等)存入标签中,同时将这些信息上传至网络,并且在物品的状态(如运输、入库、开封等)发生任何变化时,将变化的信息记录在电子标签内并同时上传至网络中,这样人们可以随时从网络中掌握物品的状态。“电子产品编码网络”所提供的物品信息虽然不是实时状态,但是由于物品的每次状态发生变化都会将信息及时更新,可以认为其所提供的信息是实时的。因此,这一阶段物联网的主要技术仅限于RFID和互联网。1999年,美国召开的移动计算和网络国际会议指出,传感网是21世纪人类面临的又一个发展机遇;传感网的重要性得到学术界充分肯定。2003年,美国《技术评论》提出:传感器网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。

2005年,国际电信联盟(ITU)在信息社会世界峰会上发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,正式提出“物联网”概念。报告指[1]出,无所不在的“物联网”通信时代即将来临,信息与通信技术的目标已经从任何时间、任何地点连接任何人,发展到连接任何物品的阶段,而万物的连接就形成了物联网。根据ITU的描述,无所不在的物联网通信时代即将来临,在物联网时代,人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度,从任何时间、任何地点的人与人之间的沟通连接,扩展到人与物、物与物之间的沟通连接。

2009年,奥巴马就任美国总统后,在与美国工商业领袖举行的圆桌会议上,IBM首席执行官彭明盛首次提出智慧地球的理念,建议政府投资新一代的智慧型基础设施,随后得到美国各界的高度关注。该理念认为,智慧地球是指我们能把智慧嵌入系统和流程之中,使服务的交付、产品开发、制造、采购和销售得以实现,使从人、资金到石油、水资源乃至电子的运动方式都更加智慧,使亿万人生活和工作的方式都变得更加智慧。大量的计算资源都能以一种规模小、数量多、成本低的方式嵌入各类非电脑的物品中,如汽车、电器、公路、铁路、电网、服装等,或嵌入全球供应链,甚至是自然系统,如农业和水域[2]中。每一次大的危机都会催生一些新技术,而新技术是促使经济走出危机的巨大推动力。除了美国提出的物联网概念外,其他发达国家也都极其重视这一理念,欧盟提出了《欧盟物联网行动计划》,日本提出了u-Japan战略,韩国提出了u-Korea战略。物联网在金融危机后引起了全球的广泛关注。

物联网的发展是一个持续的过程。25年前,互联网仅仅连接上千台主机;而后,通过计算机和移动设备,互联网已将全球数十亿人连接起来。20世纪90年代,互联网应用又迈出了革命性的一步,即在互联网基础上又延伸和扩展出相互联系的物品的互联网,所涉及的物品从图书到汽车,从电器到食品,无所不包,从而形成一个物物相连的“物联网”。物联网中,所涉物品都有各自的IP地址,它们被嵌入复杂的系统中,能够通过传感器从周围环境获取信息。物联网的应用有助于解决人类目前面临的社会问题。比如,人们可以借助健康监测系统应对老龄化挑战;采用物联网技术,有助于抗御森林滥采滥伐;将机动车纳入到物联网范围内,可有效减轻交通拥堵,便于汽车回收利用,降低碳排放量。大规模网络通信对当今社会影响深远,而这种物品相互联系会扩大该影响,并逐渐引发真正的典范转移。

物联网是在信息通信技术的环境中成长发展起来的,这一环境受几大趋势影响。“体积缩小”是其中之一。相连设备的数量在不断增加,而设备体积变小了。“移动性”是另外一个趋势。物品可实现无线连接,便携性好,地理定位准确。“相异性和复杂性”是第三个趋势。当前的信息通信技术环境中,各种应用程序不断涌现,这就对互操作性提出了更高要求。物联网有助于提高人们的生活品质,提供更好更新的工作机会,为行业提供更多的商机与更大的发展空间。

物联网的性质较为复杂,有三点值得引起我们的注意。第一,不应单纯将物联网视为互联网的简单扩展。物联网由多个独立的新系统组成,除了现有互联网基础设施外,物联网主要通过自身基础设施运行。第二,物联网将与新型服务相结合和共同发展。第三,物联网涉及多种通信模式,包括物到人通信、物到物通信和机器到机器通信。

除国内外形势的发展需求外,技术的逐步成熟,也催生物联网快速发展。随着互联网技术的进一步广泛应用,国内外多家研究机构,在物联网技术方面有了一定的储备,在物流、医疗、安防等方面有了一定的应用积累,在这样的背景下,物联网得到了快速发展。2009年被称为物联网元年。物联网已发展成为科学、动态、优化的资源配置方式,成为各国重塑长期竞争能力、抢占后危机时代战略制高点的先导领域。

物联网的发展历程可以概括为以下几个阶段。

第一个阶段:1995—2005年

1995年,比尔·盖茨在其撰写的新书《未来之路》中首次提及物联网一词。1999年,美国麻省理工学院Auto-ID Center提出物联网概念,即把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理。

任何新的技术,都会优先应用于军事领域,物联网技术也不例外。最早将RFID技术应用于军事物流的是美国国防部军需供应局(Defense Logistic Agency,DLA)。2002年,美国陆军就要求所有进入所辖战区的物资,必须贴有RFID标签。这样,美军的后勤补给可以获得更快捷、更精确的实时信息,后勤物资可全程追踪,大大缩短了美军的后勤平均补给时间。

第二个阶段:2005—2008年

2005年11月,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上,国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,正式提出了“物联网”的概念。随后,欧洲智能系统集成技术平台、欧盟第七框架下RFID和物联网研究项目组等机构也对物联网的概念进行了界定,物联网的概念逐渐由萌芽走向清晰。

2004年,日本总务省提出的“u-Japan”构想中,希望将日本建设成一个“Anytime,Anywhere,Anything,Anyone”都可以上网的环境;同年,韩国政府制定了“u-Korea”战略,随后韩国信通部发布的《数字时代的人本主义:IT839战略》以具体呼应“u-Korea”战略。物联网的概念开始由理念逐步上升到国家战略,并引起了世界范围内的广泛关注。

第三个阶段:2008年至今

2008年11月,美国IBM公司提出“智慧地球”概念,美国总统奥巴马对“智慧地球”构想做出积极回应,并提升到国家发展战略,并在随后出台的总额7870亿美元《经济复苏和再投资法》中对上述战略建议具体加以落实。“智慧地球”不但强调要能够实时感知物体的状态,还要能及时进行反馈和控制。随后,国际多家知名物联网技术研究机构在其发布的物联网相关报告中,进一步将“智慧地球”的内容融入其中。

2009年6月,欧盟委员会提出针对物联网行动方案,明确表示在技术层面将给予大量资金支持,在政府管理层面将提出与现有法规相适应的网络监管方案。欧盟提出物联网的三方面特性:第一,不能简单地将物联网看做互联网的延伸,物联网是建立在特有的基础设施基础上的一系列新的独立系统,当然部分基础设施要依靠已有的互联网;第二,物联网将与新的业务共生;第三,物联网包括物与人通信、物与物通信的不同通信模式。

2009年7月,日本发表了《i-Japan战略2015》。日本政府已认识到,目前已进入到将各种信息和业务通过互联网提供的“云计算”时代。日本政府希望,通过执行“i-Japan”战略,开拓支持日本中长期经济发展的新产业,要大力发展以绿色信息技术为代表的环境技术和智能交通系统等重大项目。

2009年8月,中国总理温家宝在无锡考察传感网产业发展时,明确指示要早一点谋划未来,早一点攻破核心技术,并且明确要求尽快建立中国的传感信息中心,或者叫“感知中国”中心。

各国对物联网的重视,推动着物联网的快速发展,使其成为信息技术发展的第三次信息化浪潮。回顾物联网的过去,展望未来,物联网发展将经历三大阶段:一是先导应用阶段,二是应用全面推广、产业高速增长阶段,三是深化应用、有显著经济外部性的阶段。1.1.2 物联网的内涵及其定义

物联网这一概念从诞生至今,不同的组织机构、不同的专家学者、不同的企业都曾赋予它不同的含义。在这里介绍物联网的不同定义,有助于我们更加深刻地理解物联网。

1.1.2.1 MIT Auto-ID Center

1999年,由麻省理工学院自动标识中心(MIT Auto-ID Center)提出,物联网就是物物相连的互联网,把所有物品通过RFID、传感器等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理。

1.1.2.2 国际电信联盟(ITU)

2005年,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上,ITU发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,提出了“物联网”(Internet of Things)的概念。报告指出,无所不在的“物联网”通信时代即将来临,信息与通信技术的目标已经从任何时间、任何地点连接任何人,发展到连接任何物品的阶段,而万物的连接就形成了物联网。

1.1.2.3 欧洲智能系统集成技术平台(EPoSS)

2008年5月,欧洲智能系统集成技术平台(EPoSS)在发布的《Internet of Things in 2020》报告中对物联网给出如下定义:“物联网是由具有标识、虚拟个性的物体或对象所组成的网络,这些标识和个性等信息在智能空间使用智慧的接口与用户、社会和环境进行通信。”

1.1.2.4 欧盟物联网研究项目组

2009年9月,欧盟物联网研究项目组(Cluster of European Research Projects on The Internet of Things,CERP-IoT)发布了《物联网战略研究路线图》,其中提出了物联网概念。认为物联网是未来Internet的一个组成部分,可以被定义为基于标准的和可互操作的通信协议且具有自配置能力的动态的全球网络基础架构。物联网中的“物”都具有标识、物理属性和实质上的个性,使用智能接口,实现与信息网络的无缝整合。

1.1.2.5 IBM

2009年,IBM提出了“智慧地球”这一概念。IBM认为,IT产业下一阶段的任务是把新一代IT技术充分运用在各行各业之中。具体地说,就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水、大坝、油气管道等各种系统中,并且被普遍连接,形成所谓“物联网”。

1.1.2.6 中国国务院发展研究中心

中国国务院发展研究中心给出的物联网的定义是:“物联网就是能够将物体的身份识别、自身特征、存在状态等全生命信息进行智能管理和反馈控制的网络。”

1.1.2.7 中国国务院《政府工作报告》中物联网的定义

2010年3月5日,在第十一届全国人民代表大会第三次会议上,中国国务院《政府工作报告》中物联网的定义:物联网是指通过信息传感设备,按照约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、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。

经过研究,我们认为,物联网是以感知为目的,实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。其突出特征是通过传感器等方式获取物理世界的各种信息,结合互联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互,采用智能计算技术对信息进行分析处理,从而提升对物质世界的感知能力,实现智能化的决策和控制。

物联网是互联网和通信网的网络延伸和应用拓展,是利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别,通过互联网、移动通信网等网络的传输互联,进行智能计算、信息处理和知识挖掘,实现人与物、物与物信息交互和无缝连接,达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。

物联网的内涵概括起来主要体现在三个方面:

一是互联网特征,即对需要联网的“物”一定要能够实现互联互通的互联网络。

二是识别与通信特征,即纳入物联网的“物”一定要具备自动识别以及物与物通信的功能。

三是智能化特征,即网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。

与物联网相关的概念有智慧地球、感知中国、传感网、泛在网等。智慧地球和感知中国是信息社会发展的愿景和目标,传感网、物联网和泛在网则是实现这些愿景和目标的电子、信息与通信技术的深度应用和支撑这些应用的网络基础设施。

传感网(Sensor Network),又称传感器网络,最早是由美国军方提出的,对它的定义为:由若干具有无线通信能力的传感器节点自组织构成的网络。目前,认为传感网是由大量部署在作用区内、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点,通过自组织方式构成能根据环境自主完成指定任务的分布式、智能化网络系统。

泛在网(Ubiquitous Networking)是指基于个人和社会的需求,利用网络技术,实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务。网络超强的环境感知、内容感知及其智能性,为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。

泛在网的目标是向个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。从网络技术上,泛在网是以通信网、互联网、物联网高度融合为目标,它将实现多网络、多行业、多应用、异构多技术的融合和协同。物联网是从以满足人与人之间通信为主,走向了连通人与物理世界,因此是迈向泛在网的关键一步。而传感网则是物联网的其中一种末端接入手段,三者之间是包含的关系,即泛在网包含物联网,物联网包含传感网(见图1-1)。三者在末端技术、网络层和服务对象上都有着不同的内涵(见表1-1)。▶ 图1-1 物联网与传感网、泛在网的关系表1-1 传感网、物联网、泛在网的区别1.2 世界物联网发展状况

目前,从世界物联网产业发展来看,初步形成了传感器和RFID等感知、识别制造业、网络设备及终端产业、嵌入式系统等基础支撑产业在内的物联网制造业和通信网络服务、云计算等应用基础设施服务、软件与集成应用服务在内的物联网服务业。物联网产业当前显现的只是其初级形态,市场大规模启动的技术和应用条件尚不成熟。1.2.1 世界物联网发展总体情况

虽然物联网相关产业和应用问世已数十年,但目前并未形成真正意义的物联网,只是具备了物联网的部分特征要素,并没有实现从感知、互联到智能的有机结合。当前,在物联网核心产业中,传感器全球市场规模在600亿美元左右,其中与传感器节点和传感器网络设备相关的产业比较小;RFID市场规模不到60亿美元;M2M服务市场规模为43亿美元。物联网相关支撑产业例如嵌入式系统、软件等本身均有万亿级美元规模,但由于物联网发展而创造和衍生出的新增市场规模并不大。总体上看,2007年全球物联网市场规模达到700亿美元,[2]2008年达到780亿美元,增长10%以上,2015年物联网市场规模有[3]望突破2500亿美元(见图1-2)。▶ 图1-2 2007—2015年全球物联网整体市场规模变化趋势数据来源:中国物联网研究发展中心

目前,国外对物联网的研发应用主要集中在美、欧、日、韩等少数国家,其最初的研发方向主要是条形码、RFID等技术在商业零售、物流领域应用,而随着RFID、传感器技术、近程通信以及计算技术等的发展,近年来其研发应用开始拓展到环境监测、生物医疗、[4]智能基础设施等领域。如:总部位于比利时的欧洲合作研发机构校际微电子中心(IMEC)利用GPS、RFID技术已经开发出远程环境监测、先进工业监测等系统,近来该机构还利用在微电子及生物医药电子领域的领先技术,积极研发具有可遥控、体积小、成本低等功能的微电子人体传感器及自动驾驶系统等技术;思科已经开发出“智能互联建筑”解决方案,为位于硅谷的美国网域存储技术有限公司节约了15%的能耗;IBM提出了“智慧地球”的概念,并已经开发出了涵盖智能电力、智能医疗、智能交通、智能银行、智能城市等多项物联网应用方案;美国政府目前正在推动与墨西哥边境的“虚拟边境”建[5]设,该项目主要依靠传感器网络技术 。1.2.2 细分领域发展状况

1.2.2.1 信息感知领域

一、传感器

全球传感器市场正以5.3%的年均增长率持续稳定发展。2008年全球传感器市场容量为506亿美元;2010年,全球传感器产业规模超过600亿美元。其中,加拿大成为传感器市场增长最快的地区,而美国、德国、日本是传感器市场分布最大的国家。就世界范围而言,传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场,占第二位的是过程控制市场,通信市场前景较好。

目前,全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高,各国将竞相加速新一代传感器的研发和产业化,竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场,比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现及市场份额的扩大等。

一些传感器市场比如压力传感器、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最大,分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中,无线传感器在2007—2010年复合年增长率超过[6]25%。

1.光纤传感器

传感器是一种检测装置,能感受到被测量物质的信息,并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求,它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器是一种物理装置或生物器官,能够探测、感受外界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾),并将探知的信息传递给其他装置或器官。

目前主流的光纤传感器主要有法布利-比罗特(简称FP)、布拉格光栅(简称FBG)和荧光式光纤传感器三种。因为它们都是基于光纤,所以有很多共同的特点,比如抗电磁干扰可应用于恶劣环境(没有加入电磁过程)、传输距离长(光纤中光衰减慢)、使用寿命长、结构小巧等。

世界上第一个光纤传感器是用来检测美国和其他国家的光网络状态、性能和噪声的。之后技术不断进步,应用也拓展到了多个领域,在国防、航空、石油、建筑、抗震等领域崭露头角,备受好评。在巨大的市场需求下,各国加强研发,用途也日益广泛。

美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家。在军事应用方面,其研究和开发主要包括水下探测的光纤传感器、用于航空监测的光纤传感器、光纤陀螺和用于核辐射检测的光纤传感器等。在民用方面,如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要技术参数,监测桥梁和重要建筑物的应力变化,检测肉类和食品的细菌和病毒等。美国的很多大学、研究单位和公司都开展了光纤传感器的研究和开发。

日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。日本在20世纪80年代制订了《光控系统应用计划》,旨在将光纤传感器用于大型电厂,以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生产过程的控制。20世纪90年代,由东芝、日本电气等15家公司和研究机构,研究开发出12种具有一流水平的民用光纤传感器。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研究与开发和市场竞争,其中包括英国的标准电信公司、法[7]国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。

根据Global Industry Analysts的调研报告,目前电信仍是光纤传感器的最大市场,其次是国防和航空领域。亚太地区是全球最主要的市场,其中美国是第一大市场,中国是亚太地区的第二大市场。

根据另一家市场调查的分析公司Business Communications Company(以下简称BCC)发布的关于光纤传感器市场报告,全球光纤传感器(FOS)的产值从2005年的2.88亿美元增长到2006年的3.04亿美元,2011年之前整体市场保持适度增长态势,平均年复合增长率为4.1%,2011年的全球产值为3.72亿美元。

目前全球主要的光纤传感器厂家有:Agilent、Avantes B.V、Baumer Electric AG、Blue Road Research、Davidson Instruments、EXFO、Fiber Optic Systems、FISO、Halliburton、Highwave等。

2.红外温度传感器

在实现远距离温度监测与控制方面,红外温度传感器以其优异的性能满足了多方面的要求。在产品加工行业中,特别是需要对温度进行远距离监测的场合,一般都是温度传感器大显身手的地方。任何物体都会发出电磁辐射,这种电磁辐射能被红外温度传感器测量。当物体温度变化时,其辐射出的电磁波的波长也会随之变化,红外传感器能将这种波长的变化转换成温度的变化,从而实现监控、测温的目的。

由于红外温度传感器实现了无接触测温、远距离测量高温等功能,进而将大部分操作人员从较恶劣的环境中解脱出来。原来必须穿防高温工作服才能工作的操作工人,现在不用再穿上那些不方便的工作装,而且可以在一个更加安全、舒适的环境中工作。红外温度传感器的这些特点令广大用户对其大感兴趣。红外温度传感器在餐饮行业中的应用也在不断增长。美国食品及药物管理局规定,在美国需要对食品进行温度监督和记录,而且食品不能被污染。基于这样的要求,红外温度传感器很自然地又在此领域得到了广泛应用;在不与被测物接触的情况下,实现了食品温度记录。1997年,欧洲也在食品行业颁布了同样的规定,红外温度传感器在此领域也将大有市场。

光纤红外传感器还具有抗电磁和射频干扰的特点,这为便携式红外传感器在汽车行业中的应用又开辟了新的市场。随着红外测温技术的普遍应用,一种新型的红外技术——智能(Smart)数字红外传感技术正在悄然兴起。这种智能传感器内置微处理器,能够实现传感器与控制单元的双向通信,具有小型化、数字通信、维护简单等优点。当前,各传感器用户纷纷升级其控制系统,智能红外传感器的需求量将会继续增长,预计短期内市场还不会达到饱和。与此同时软件生产商还开发出了与之相配套的软件系统,其友好的图形操作界面、高低温报警、发射率可调、读取记忆功能、响应时间短等性能,令红外温度传感器在业内更受欢迎。另外,随着便携式红外传感器的体积越来越小,价格逐渐降低,在食品、采暖空调和汽车等领域也有了新的应用。比如用在食品烘烤机、理发吹风机上,红外传感器检测温度是否过热,以便系统决定是否进行下一步操作,如停止加热,或是将食品从烤箱中自动取出,或是使吹风机冷却等。随着更多的用户对便携式红外温度传感器的了解,其潜在用户正在增加。

由于红外温度传感器在实现远距离控温及无接触测温等方面的优势,使其产量每年以10%的速度增长。对于红外传感器的全球市场,第三世界国家将比欧美更加看好。虽然欧美很多工业国家加工业广泛,但其市场以趋向饱和;而在中国以及拉美一些新兴国家和地区,随着其经济的复苏与发展,纷纷加强工业化建设,加工厂不断增多,红外传感器的销量每年以2%~5%的速度增长,并且其市场销量还处于增长趋势。

虽然红外传感器在高温范围内与同类产品相比颇具竞争力,但其在低温范围内,却并不占优势。热电偶相对于红外传感器不但价格便宜,而且能够满足低温用户的要求,是低温产品市场的主导;只有较少的行业需要用红外传感器对极高的温度进行无接触测量,其中冶金行业为主要市场。另外,近些年化工和石油行业的红外传感器用量也在逐年增长。在温度传感器领域,低温产品是主要的消费产品,然而,由于有热电偶的存在,红外传感器还没有很好的市场。即使是价格相对低廉的便携式IR温度测量枪也面临着激烈的竞争,价格日趋降低。有专家预计,其价格有可能以每年5%~10%的速度降低。目前,全球至少有25家较具规模的红外传感器生产商,其中居首位的是Raytek公司。Raytek公司的产品约占全球市场的20%;排行第二位的是Ircon,其市场占有率为17%;排行第三位的是Land Infrared,其市场占有率为15%,其主要产品是手持式及在线测量产品。

3.MEMS传感器

据IHS iSuppli公司的研究,意法半导体(STM)在2010年仍然是最大的MEMS传感器生产商,营业收入几乎是排名第二的德州仪器的5倍。

STM是一家由意大利和法国公司合并而成的公司,总部设在瑞士日内瓦。该公司2010年MEMS制造服务营业收入为2.286亿美元,而美国德州仪器只有4740万美元。图1-3为IHS iSuppli公司统计的10大MEMS厂商排名,其生产的MEMS器件供自身使用或为他人代工。▶ 图1-3 10大MEMS传感器企业排名

IHS iSuppli把MEMS厂商分为两类,一类是“纯”MEMS生产商,不为自己生产MEMS;另一类是“混合模式”厂商,即整合器件制造商(IDM),除了为自己的核心业务提供MEMS器件以外,还提供MEMS合同制造服务。

STM连续第四年排名第一,而且是营业收入超过1亿美元的唯一一家MEMS厂商。为惠普生产喷墨晶片(Inkjet wafer),占STM营业收入的大多数。尽管惠普喷墨营业收入不断萎缩,但STM最近四年通过提高在惠普喷墨生产中的份额而设法扩大了这项业务。STM还开始与柯达等其他喷墨打印机厂商合作,并在生物MEMS领域赢得了一些代工项目,如为瑞士Debiotech生产胰岛素注射器。

德州仪器尽管保持第二的排名,但受其大客户Lexmark喷墨打印机业务锐减的影响,其MEMS营业收入自2004年以来持续急剧下降。但德州仪器最近与一家消费MEMS厂商签署了代工协议,从2011年开始为德州仪器带来营业收入。该消费MEMS厂商在业内排名前15。

另外两家比较突出的混合模式厂商是挪威的Sensonor Technologies,排名第三,营业收入是3800万美元;排名第四的Sony,营业收入是3190万美元,借助其主要客户Knowles Electronics在MEMS麦克风领域的出色表现,营业收入大增了51.2%。

总体来看,混合模式厂商在MEMS市场占有的份额大于纯粹模式。10大混合模式厂商2010年合计营业收入为3.96亿美元,其中最大的两家STM和德州仪器的合计份额就高达70%。相比之下,10大纯粹模式厂商的营业收入为2.053亿美元,其中头号厂商Silex Microsystems的营业收入为3600万美元。但是,纯粹模式厂商的2010年营业收入增长较快,强劲扩张48.4%,而混合模式供应商只有2.4%。

2010年,有四家纯粹模式MEMS厂商的营业收入超过了3000万美元,以前该阵营的厂商没有一家达到过这个关口。该领域排名第一的Silex,其半数MEMS营业收入来自工业与科技应用,医疗应用与光学MEMS占有剩余的相当大部分。

2010年营业收入超过3000万美元的其他三家纯粹模式厂商包括:加拿大Micralyne,营业收入增长50%,为3130万美元;台湾亚太优势微系统公司排名第三,营业收入为3120万美元;上一年排名第一的Dalsa Corp,也是加拿大公司,2010年排名第四,营业收入为3090万美元。

MEMS厂商专注于为智能手机、光学电信设备或血压监测仪等多种设备生产微型传感器和激励器,而与这些MEMS器件相关的知识产权(IP)则属于无厂客户或其伙伴设计公司。

但在有些情况下,MEMS厂商拥有知识产权。Memscap就属于这种情况,它控制着销往JDSU等其他电信公司的可变光学衰减器芯片的IP。IHS公司认为,这种模式通常可以加快MEMS厂商的客户向市场推出产品的速度,并有助于提高其忠诚度,但也可能吓跑客户,因为客户担心MEMS厂商可能开发自己的产品并成为其竞争对手。生产业务模式也面临其他问题。他们是否应该只提供晶片,还是应该成为一站式厂商?他们是否应该是无所不包的多面手,还是最好充当专业厂商?

有些MEMS厂商也把自己定位成面向研发的样品生产厂商,而有些研发类厂商则希望解放自己,成为连续生产的基地。虽然厂商之间竞争激烈,但最近四年厂商之间的合作明显增多,这是该产业的另一个特色。

总之,这些问题不断得到解决,同时MEMS生产业务预计在未来几年保持扩张。

根据IC Insights发布的最新市场调查报告,未来数年全球传感器/制动器(sensor/actuator)产值的增长将是IC的近2倍,这个领域将成为这几年增长最迅速的半导体领域。

与其他半导体产品类别相比,全球solid-state传感器/制动器的市场规模相对较小。过去传感器主要使用在汽车工业中,但近年开发出的低价器件目标针对便携式消费性电子、通信与工业产品。传感器/制动器在2010年度的销售中将有37%是为汽车行业采用,这个比例低于前数年的50%。

到2010年,相对于整体半导体的3200亿美元,传感器/制动器的产值接近120亿美元。2006—2010年主要公司采购MEMS传感器情况见图1-4。▶ 图1-4 2006—2010年主要公司采购MEMS传感器情况

根据市场研究机构iSuppli发布的最新研究报告,由于iPhone 4、iPad和iPod touch等产品大量使用各种传感器,目前苹果已成为全球第二大微机电系统(以下“简称MEMS”)传感器采购商,仅落后于领头羊三星。

苹果采购MEMS传感器的支出在2010年达到1.95亿美元,而2009年为9000万美元,同比增长116.7%,一举超越任天堂成为全球第二大MEMS传感器采购商。实际上该公司仅比第一大MEMS传感器采购商三星少500万美元。MEMS传感器包括iPhone、iPad等苹果移动设备使用的加速计、陀螺仪、麦克风等。

iPhone 4、iPad和iPod touch等苹果产品在2010年深受消费者欢迎。这些产品的魅力一部分来自于先进的用户界面,而用户界面的优劣又取决于MEMS传感器,具体说就是加速计、陀螺仪、麦克风等。这使得苹果在2010年加大了对此类产品的采购力度。

在收购了Analog Devices、Knowles Electronics和AAC等公司的麦克风业务以后,苹果对MEMS传感器的需求进一步增长。这些麦克风用以支持一系列苹果产品,包括第五代iPod nano、iPhone 4、iPad 2和苹果耳机。因为由加速计驱动的Wii游戏机的市场趋于饱和,任天堂采购MEMS传感器的数量同比减少11.5%,而三星同比增长46%。

二、RFID

2009年,全球RFID市场规模就已达到87亿美元。2010年是世界物联网元年,RFID进入飞速的发展阶段。在经济复苏的推动下,全球RFID市场也持续升温,并呈现持续上升趋势。诺达咨询《物联网系列——全球物联网发展现状与趋势研究报告2010》研究表明,其市场规模在2012年有望达到212亿美元。目前RFID 技术正处于迅速成熟的时期,许多国家都将RFID作为一项重要产业予以积极推动(见图1-5)。▶ 图1-5 2007—2012年全球RFID市场规模数据来源:诺达咨询

根据市场研究公司IDTechEx预计,到2021年,全球RFID产业规模将是2010年的近5 倍。RFID标签供应量将是2010年供应量的100倍,在低成本电子标签和低成本的基础安装设施的强大驱动作用下,RFID 产业规模将保持快速增长(见图1-6)。▶ 图1-6 全球RFID产业规模预测数据来源:IDTechEx

从全球产业格局来看,目前RFID 产业要集中在RFID 技术应用比较成熟的欧美市场。未来全球RFID市场将主要集中在欧洲、北美和东亚地区。

根据市场研究公司IDTechEx统计,全球RFID市场在2011年达到28.1亿美元规模,其中北美为12.2亿美元,东亚为6.8亿美元,欧洲为8.1亿美元,其他地区为1.0亿美元。到2021年总体规模达到2427.0亿美元,其中东亚地区规模最大,达到1471.0亿美元。一方面,东亚市场的快速发展主要由中、日、韩三个主要东亚国庞大的市场需求引发,并且这一需求在未来将不断放大;另一方面,东亚各国都采取积极推动RFID产业应用的政策措施。为此,东亚市场是未来全球RFID产业规模快速发展的重中之重(见表1-2,图1-7)。表1-2 2011—2021年全球RFID产业分地区市场规模统计表(单位:10亿美元)数据来源:IDTechEx▶ 图1-7 2011—2021年全球RFID产业分地区市场规模数据来源:IDTechEx

1.2.2.2 信息传输领域

一、移动通信领域

影响力越来越大的世界移动通信正在迎来新的飞跃。宽带化、智能化、个性化、媒体化、多功能化、环保化是世界移动通信发展的新趋势;移动通信将在经济发展和社会进步中发挥更重要的作用。移动通信产业主要包括移动通信设备制造业、移动通信运营服务业等。

1.移动通信设备

随着现代微电子技术的进步以及市场需求的不断推动,移动通信技术在过去30年间获得了迅猛发展,移动通信技术实现了2G、3G的快速发展,目前正加速向4G推进,并将向着高速化、小型化、智能化发展。

移动通信设备厂商将逐渐由单一提供网络设备或终端设备向提供端到端的解决方案转变。“端到端”是指运营商能够将新的应用立刻加到正在运行并创造利润的服务之上。厂商对最终用户市场的了解,使得厂商可以给目标客户群提供最适宜的方案,因此帮助运营商减少了内部应用、计费和在服务提供领域进行系统开发的费用。

移动电话用户数量的增长和新增业务的出现促使运营商对移动通信设备的投资不断增加,使得全球移动通信设备市场规模保持增长态势。

受金融危机的影响,欧美发达国家电信运营商逐渐放缓3G建设,印度、南亚和非洲等新兴市场对网络基础设施的投资步伐也有所减缓,但由于2009年中国发放3G牌照,大力发展3G网络,全球移动通信设备市场规模仍有小幅增加,市场规模达到552.2亿美元。

随着3G在全球范围内集中建设趋缓,全球移动通信设备投资速度相应放缓。2010年全球移动通信设备市场规模有所下降,全球移动通信设备市场规模为521.3亿美元,比2009年减少了5.6%。

2010年以后,发达国家的运营商对以数据业务为主的3G技术升级投资以及发展中国家以语音为主的2G/2.5G网络覆盖率投资将会重新增加,至2012年,预计全球移动通信设备市场规模将到710.2亿美元(见图1-8)。▶ 图1-8 2008—2013年全球移动通信设备市场规模数据来源:中国信息产业网

2.无线网络优化设备

在全球基站市场不断增长的带动下,全球无线网络优化设备市场也持续保持增长趋势,增长速度相对平稳。截至2010年年底,全球无线网络优化设备市场规模达到63.5亿美元,与2009年同期相比增长6.3%。移动互联网业务的迅速普及,推进了网络的深度优化。在3G网络建设不断升级的过程中,2G/3G网络优化设备占据主导地位。直放站优化方式干扰较大,PICOCELL等容量覆盖方式具有明显优势。

无线通信在以下几个领域,得到了广泛应用:(1)移动通信,包括日常使用的手机、无线电话等;(2)为交通、能源等建设项目开发无线通信环境,实现内联网各节点之间的无线连接及与因特网的连接;(3)为银行、医院、地质、矿业、气象、水利等部门提供各种专用电信服务;(4)为综合宽带网建设提供服务,促进电信网、有线电视网与计算机网的融合;(5)建立平流层通信平台,实现一定范围内的多媒体通信业务。

3.手机终端

2009年全球手机制造业表现出整体市场小幅萎缩,市场竞争格局变化深刻,震荡加剧。根据市场调研公司Gartner发布的最新调查数据,2009年全球手机销售量总计为12.11亿部,较2008年略微减少了0.9%。但是在2009年第4季开始走出低谷,全球手机市场销售量超过3.4亿部,较上年同期增长8.3%。2010年全球经济逐步向好,随着整体市场需求的提升,以及3G和智能手机增长速度的不断加快,全球手机市场开始新一轮的加速发展。2010年全球手机销量达到13.93亿部,比2009年全球手机市场增长了15%,其中智能手机已达2.51亿台(见图1-9)。从市场结构上来看,全球手机市场份额增长的厂商包括了三星电子和LG电子这样的新兴厂商,而诺基亚、摩托罗拉和索尼爱立信的市场份额都出现了较大幅度下滑。▶ 图1-9 全球手机终端市场规模数据来源:Gartner

智能化是世界移动通信发展的一大趋势。具有计算机功能的智能手机正在成为移动通信的主流,3G手机市场已经进入加速发展期,WCDMA手机优势明显。随着全球智能手机市场的快速扩张,全球智能化业务应用市场也发展得风生水起。手机产业链垂直化分工将日趋明显。市场调研机构Gartner发布的最新调查数据显示,在2009年手机销量总体呈下滑趋势下,智能手机销量却同比增长了23.8%,其中第4季度销量同比上涨41.1%。根据MIC的数据,2010年全球智能手机出货量达2.77亿台,2011年增长至3.65亿台,到2012年将达6.22亿台(见图1-10)。针对手机生产商,MIC预测,到2012年NOKIA、RIM市场占有率将分别从2010年的36.1%与16.6%下滑至30%与14.7%,HTC、SAMSUNG、MOTOROLA市场占有率分别增长至10.3%、8.5%和6.1%。▶ 图1-10 全球智能手机出货量预测数据来源:MIC

由于智能手机操作系统是智能手机最重要的支持模块,也是实现手机应用的重要组成部分,因此,在这一背景下,智能手机的操作系统竞争更加激烈,市场格局变化很大(见图1-11)。▶ 图1-11 全球智能手机操作系统市场份额调查数据来源:Gartner

据预测,到2013年,全球手机上网用户数量将达17.8亿,超过使用计算机上网的用户数量;同时智能手机和其他能上网的手机数量将达到18.2亿部。

今后的手机将不会“千机一面”,而是因每个用户的需要而有所不同,特别是物联网时代到来后,每件物品的需求将更加个性化。设计生产富有个性化的手机产品是今后的一个重要竞争领域。

4.无线通信设备

从全球产业格局来看,目前无线通信设备产业要集中在技术应用比较成熟的欧美市场。未来全球无线通信设备市场将仍然集中在欧美地区。

根据《世界电子数据年鉴》预计,全球无线通信设备市场在2013年将达到3047.54亿美元规模。其中北美为1185.25亿美元,新兴国家和地区为502.49亿美元,欧洲为443.14亿美元,其他地区为916.66亿美元(见表1-3,图1-12)。表1-3 2007—2013年全球无线通信设备产业分地区市场规模统计表(单位:10亿美元)▶ 图1-12 2007—2013年全球无线通信设备产业分地区市场规模数据来源:The Yearbook of World Electronic Data

二、光通信领域

总体而言,全球光通信市场规模将继续扩大。光通信领域主要包括光传输设备产业、光接入设备产业、光纤光缆产业等。光纤通信的应用领域非常广泛:用于市话中继线,逐步取代电缆;用于长途干线通信,以比特传输方法,取代电缆、微波、卫星通信;用于全球通信网、各国的公共电信网;用于高质量彩色电视传输、工业生产现场监视和调度、交通监视控制指挥、城镇有线电视网、共用天线(CATV)系统;用于光纤局域网和其他,如在飞机内、飞船内、舰艇内、矿井[8]下、电力部门、军事及有腐蚀和有辐射等中使用。

1.光传输设备

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