智能傳感器：物聯網發展瓶頸待破

文/周路菡

智能傳感器：物聯網發展瓶頸待破

文/周路菡

需要在國產化、應用和技術上實現突破，以促進中國物聯網技術不斷走向成熟，并引領創新發展和構筑全面的物聯網操作系統生態環境

物聯網正在全世界繼互聯網之后掀起又一波信息技術產業的浪潮。傳感器技術與網絡技術、射頻技術、標識技術并成為物聯網世界的四大技術，在建立起物與物、物與人的網絡的過程中發揮核心作用。

我國物聯網使用的智能傳感器仍需要大量依賴進口。與國外企業相比，中國傳感器企業規模普遍較小，缺乏有競爭力的核心技術，在精度、制作成本、芯片體積等方面處于劣勢。中國未來物聯網的發展，特別需要智能傳感器在國產化、應用和技術上實現突破，以促進中國物聯網技術不斷走向成熟，并引領創新發展和構筑全面的物聯網操作系統生態環境。

物聯天下，傳感先行

近年來，物聯網發展的勢頭越來越迅猛，并在悄悄的改變著我們的生活。智能醫療、環境監控、智能電梯、動物標識、電子錢包、智能電網等都已經慢慢滲透應用到我們生活的各個方面，物聯網也將成為全球信息通信行業的萬億元級新興產業。

物聯網在將人和人之間的信息溝通擴充到了人與物，物與物之間的信息交流的同時，也在改變著整個社會的時空觀念的人與自然的關系，并為世界經濟的發展創造了一個獨特的多維空間。在這個空間里，如果把計算機看做處理和識別信息的大腦，把網絡通信系統看做是傳遞信息的“神經”系統的話，則傳感器就是這個空間中的感覺器官。

因為離開了傳感器對原始信息進行準確可靠的測量和轉換，很多環境準確的控制都將無法實現，就好比人的眼睛、鼻子等感覺器官一樣，傳感器的地位與作用，在物聯網發展中是無以倫比、不可替代的，傳感器的制作水平甚至已經成為衡量和引領一個國家科技發展的重要標志。

目前，在我國現有的四百多個物聯網示范工程項目系統中，均大量使用了各種類型的傳感技術和傳感器產品。根據筆者不完全統計，僅僅將在車聯網項目中，就應用了包括液位傳感器、速度傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、氣敏傳感器、壓力傳感器、遙感傳感器、激光傳感器、振動傳感器、視覺傳感器、紅外線傳感器等近百種傳感器。也正是傳感器的廣泛應用，無人駕駛、無人值守、無人操控等一切智能化行為得以實現，車聯網信息化系統的普及和推廣才會成為可能。

目前，物聯網、智慧城市已經成為傳感器最主要的應用市場之一。對應不同的應用，傳感器已經覆蓋了包括智能工業、智能安保、智能家居、智能運輸、智能醫療等領域。2013年我國物聯網產業規模已達3650億元，傳感器作為其中需求量最大、最基礎的環節，占據了約30%左右的市場份額。這是一個驚人的數字，因為在其背景，蘊含著一個深刻的邏輯，那就是傳感器正在成為改變目前的世界經濟格局的一種前沿科技。美國一份調查顯示，影響和改變世界經濟格局和人們生活方式的10大科技領域，傳感器名列10大領域之首。也正因為其地位如此重要，美國國家科學發展基金決定自2010年起，每年批準約70億美元的財政預算用于發展高技術產業，其中大約20%的資金用于支持傳感器基礎研究項目。

在一本《傳感器革命》（The Sensor Revolution）的書中這樣介紹傳感器的應用對世界可能產生的價值：“本世紀的重大變革就是：通過網絡，把物質世界聯接起來，并賦予它一個電子神經系統，使它具有可感知信息生命，而能夠擔當這一重任的核心就是傳感器”。在《零邊際成本社會》一書中，作家杰里米·里夫金預言到2020年，將有超過500億個傳感器連接到物聯網，到2030年，將有超過100萬億個傳感器連接到物聯網。可以說，在信息化過程中，成千上萬種應用新原理、新技術、新工藝、新材料制作的傳感器，正在極盡全力來監控我們周圍的環境和物質，并深刻地改變了我們的生活方式、文化傳統乃至社會的本質。一些本來存在的東西，正在迅速消失，而更多從未出現在世界上的東西，正隨著傳感器的應用迅速到來。傳感器作為信息采集的功能器件和窗口，正在外化為我們人體器官的“一部分”。

我國傳感器行業發展落后

我國的傳感器行業發端于上世紀90年代末，經過近十年的引進、消化、吸收，現已形成一定規模的傳感器生產能力。據有關部門統計，全國敏感元件與傳感器產品生產能力已超過4億只，總產量約1.5億只，總產值約550億元，總銷售額500億元左右。這樣的產銷總量與發達國家相比還有很大差距，主要表現在產品的質量、生產規模、市場開發等多方面。

表1 ：各個領域物聯網應用的傳感器所對應的功能

目前我國約有1600多家不同程度的生產制造敏感元件及傳感器的企業。但其中非專業型企業比例較高，這些企業中傳感器產品大多為低端產品，產值相對較低。傳感器產值過億的僅占總企業數量的13%，產品種類齊全的專業廠家不足1%。主要傳感器類型為力學量傳感器、氣體傳感器、溫度傳感器、光學傳感器、電壓敏傳感器等傳統傳感器，產業檔次偏低、技術創新能力較差，國內傳感器產業呈現低端過剩、中高端被國外壟斷的市場格局。

工業和信息化部電子一所于去年10月在杭州發布國內首部傳感器產業發展白皮書。白皮書顯示，近年來國內傳感器市場持續快速增長，年均增速超20%，并將迅速擴大，但存在技術水平總體較低，高端產品嚴重依賴進口等問題。國內傳感器需求，尤其是高端需求嚴重依賴進口，主流市場依賴國外配套的情況尤為突出。目前傳感器進口占比80%，傳感器芯片進口占比達90%。

據統計，我國4大類傳感器市場中，工業和汽車電子產業占據1/3的重要位置。汽車輪胎傳感器、安全氣囊傳感器、底盤系統傳感器、發動機運行管理系統傳感器、廢氣與空氣質量控制系統傳感器、ABS傳感器、車輛行駛安全系統傳感器、汽車防盜系統傳感器、發動機燃燒控制系統傳感器、汽車定位系統傳感器、汽車其他系統傳感器、速度計、陀螺儀、磁力計以及整合式運動感測器，主要進口自國外廠商如西門子、霍尼韋爾、橫河、歐姆龍等公司。

工業和信息化部電子元器件行業發展研究中心在2014年10月出具的《中國傳感器產業發展的機遇和挑戰》報告顯示，當前我國物聯網存在的七大問題，其中兩項重大問題都與傳感器技術有關。其中傳感器生產化技術不能突破，成為物聯網技術升級的障礙，而由此也造成了物聯網系統成本較高，推廣阻力居多，僅限于示范工程，難于全面普及和廣泛運用。因此，由于傳感器技術落后，我國的物聯網直接受到了基礎技術和產品化的制約，并影響了整個產業鏈完整性、協調性、均衡性。

一份案例顯示，天津市一直在推動水產養殖物聯網的建設。但是由于用海水進行養殖，腐蝕性高，一些設備消耗太快。特別是傳感器，國產的耐用性太差，使用半年就不行了，后期運營維護費用非常高，而使用國外的傳感器需要一到兩年才一換。原計劃設計的水生動物疫病遠程診斷、水產養殖信息管理、水生動物檢疫電子出證等物聯網系統的開發和推廣力度，也因此被一再耽擱。這就是我國物聯網發展的現實難題。

傳感器已經成為我國物聯網發展的瓶頸，傳感器技術發展滯后也開始掣肘國內戰略性新興產業的順利推進。目前該行業需要解決的問題非常多，包括企業過于分散，產業集中度不高。按照工業和信息化部電子元器件行業發展研究中心郭源生總工程師的說法，行業整體集中表現為一個“散”字。而造成這種現象的原因還在于行業缺乏整體統籌規劃、頂層設計，缺乏合理的資源配置和強大的政策扶持，同時市場壁壘過多、公共服務配套、標準體系不完備。

實際上，就在我國的傳感器產業還在以仿造及二次開發為主時，發達國家早就以國家驅動形式為傳感器產業注入了巨大的能量。早在2013年，日本經濟產業省就啟動了“傳感器技術在社會公共服務中的應用開發項目”，項目內容涉及對建造使用10年以上的橋梁及道路等進行維護管理、改善農作物栽培環境，以及通過測量人類體征信息及時發現疾病等。該項目直接由日本眾多企業，如松下、佳能、旭化成、豐田電裝、歐姆龍、精工愛普生等企業負責。同樣在2013年，美國則由仙童半導體公司、加州大學圣地亞哥分校等在“萬億傳感器峰會(TSensors Summit)”上首先提出“萬億傳感器革命”。會議上提出的“萬億個傳感器覆蓋地球(Trillion Sensors Universe)”計劃，旨在推動社會基礎設施和公共服務中每年使用1萬億個傳感器。“1萬億”這個數字相當于目前全球傳感器市場需求的100倍。美國希望借此機會占領全球傳感器產業的制高點。

但與此同時，我國的傳感器生產工藝卻仍然處于相對落后的狀態，相關技術資料顯示，我國傳感器生產特別缺乏新技術運用創新的基礎和動力，以及在敏感元件核心技術及生產工藝方面的提高。目前我國敏感元件與傳感器的科研開發水平約落后發達國家5～10年；生產技術約落后10～15年。與國外相比，我國相關企業的產品在產品品質、工藝水平、生產裝備、企業規模、市場占有率和綜合競爭能力等方面仍不能與國外同類企業實力抗衡。美國、日本、歐洲的企業，比如德州儀器、飛思卡爾、西門子、英飛凌、霍尼韋爾、艾默生、通用電氣等，已經形成了龐大的產品體系，同時推動了世界傳感器市場以持續穩定的增長之勢向前發展。

我國物聯網存在的七大問題

1、理論系統提醒不夠完整；2、缺乏完整、系統化的標準體系(解決標準的標準化；網絡化核心技術控制權問題；包括協議方式)；3、信息安全問題(需要立法和技術并舉)；4、商業模式(政府推動下的市場應用；加快基礎網絡平臺建設，鼓勵商業模式創新)；5、人才問題(技術領軍人物、高端復合性人才)；6、基礎技術薄弱，相關敏感元件生產化技術不能突破，成為技術升級的障礙，(也給國外開放市場或提供市場機會)；7、成本問題(基礎元器件、系統、維護等成本居高不下，導致系統成本較高，推廣阻力居多，僅限于示范工程，難于全面普及和廣泛運用)。

摘自2014年《中國傳感器產業發展的機遇和挑戰》報告

傳感器迎來市場導入的良機

物聯網將在我國正在成為一個上萬億元規模的高科技市場，在未來產業規模將比互聯網大30倍。作為物聯網整個鏈條需求總量最大和最基礎的環節，2014年中國傳感器市場規模達到1200億元。工信部電子元器件行業發展研究中心總工程師郭源生介紹說，未來五年內，全球傳感器領域的復年增長率將超過10%，預計2015年全球市場將達到1770億美元。從應用領域看，在汽車、家電類產品的應用會大大增加，在農業、環保、醫療衛生、食品檢測類市場領域的應用，特別是物聯網技術的應用是突如其來的，市場不可估量。

眾多數據都表明，我國傳感器產業已進入市場導入期，傳感器行業將迎來黃金發展期。中國電子信息產業發展研究院綜合預測結果顯示，未來五年國內傳感器市場年復合增長31%。汽車、物流、煤礦安監、安防、RFID標簽卡領域的傳感器市場增長較快：汽車傳感器市場潛在規模達57億只，是目前的14倍以上；物流傳感器市場潛在規模達100多億，是目前的十幾倍；煤礦安檢傳感器市場潛在規模達數百億元；安防傳感器市場的規模增速將和安防行業的產值增速同步。

業內分析，未來5-15年，是我國傳感器產業快速發展的關鍵期，也是做大做強傳感器產業集聚區的黃金期。為了抓住這一市場的良機，工信部電子元器件行業發展研究中心、浙江盾安人工環境股份有限公司、蘇州中崟傳感股份有限公司等15家科研機構、企業已經在近期與錢江經濟開發區簽訂了合作協議，準備建設“錢江傳感谷”。 錢江傳感谷準備全力搭建集產業集聚、技術創新、公共服務于一體的綜合性傳感器產業發展平臺，推助傳感器產業不斷壯大。

2014年，由工信部電子元器件行業發展研究中心、工信部電子工業標準化研究院、浙江省經信委等單位主辦的中國傳感器產業化發展推進大會在杭州舉辦。工業和信息化部總經濟師周子學在會上指出，傳感器等戰略性產業的發展，需要高投入，長期投入，要在材料、設計、設備等整個產業鏈上全方位推進。他強調，推進傳感器產業化的關鍵在于完善投融資環境和科技成果轉化機制，依托具有優勢的產業集聚區，形成創新能力強、創業環境好、產業鏈完善的傳感器產業基地，支撐引領產業健康發展。

與此同時，我國的國內傳統的三大傳感器生產基地，即安徽基地、陜西基地和黑龍江基地，都意在趕上這一波傳感器應用和發展浪潮。安徽基地以力、光敏傳感器為主，未來將在我國現有的溫敏、壓敏等敏感元件產業化基礎上，應加快實施擁有自主產權的壓力、溫度、加速度等傳感器的產業化建設；陜西基地則成立了陜西省敏感技術產業集團公司，主要是建立電壓敏、熱敏、汽車電子規模經濟為主要目標；黑龍江基地主要生產氣、濕敏傳感器，未來將開展高穩定性濕度和氣體傳感器、高精度壓力傳感器等國產化技術攻關，掌握核心技術，加快科研成果的轉化。

iPhone與傳感器的聯姻之路

比如iPhone 4是世界上第一個裝配三重陀螺儀的的智能手機，它的出現可以讓手機感知人體的移動方向，結合重力感應、加速度感應可以為游戲者帶來更真實的游戲體驗；自iPhone 5s配備TouchID（指紋識別）之后，Android手機也逐漸加入了指紋識別陣營。包括三星S5、HTC OneMax、vivoXplay 3S都相繼推出了指紋識別手機；目前來看，指紋識別傳感器更多應用在解鎖識別、文件加密、指紋拍照等領域，未來會更廣泛的應用在支付領域之中。iPhone 6則率先將氣壓傳感器應用在手機上，除此之外還配備了加速計、陀螺儀、電子羅盤、指紋傳感器、距離與環境光傳感器、MEMS麥克風、圖像傳感器等。從iPhone 4到iPhone 6，我們看到指紋、溫度、壓力等各類傳感器融入到消費電子產品中，并成為消費電子產品的主要競爭點，以契合4G和物聯網的到來。

突破智慧與機器的界限

無論是物聯網時代的到來，還是消費電子的迅猛發展，都讓人們認識到傳感器的重要性。一部智能手機，可以支持那么多的娛樂應用，歸根結底在于它里面集成的各類傳感器，主要有重力感應器、加速度傳感器、陀螺儀、電子羅盤和光線距離感應器等等。

近日，三星和蘋果不約而同地意識到傳感器的重要性，并紛紛布局傳感器業務。因為下一代消費電子的競爭點是創新，而創新更多的需要依靠傳感器來實現。

借助于傳感器，智能手機已經在趨向于突破一部手機的極限，未來的智能手機，將成為物聯網和互聯網中一個重要的節點，并成為眾多儀器的加載平臺。比如iPhone 6中加入的氣壓計，由于API的開放，氣壓計可以在穿戴領域或者健康醫療方面有更多的利用價值，應用在例如iHeath等App中。

此外，將傳感器結合軟件和大數據分析，另外一個全新的世界也將打開。2012年，GE公司在《工業互聯網：突破智慧與機器的界限》報告中提出，通過智能傳感器將人機連接，并結合軟件和大數據分析，可以突破物理和材料科學的限制，并將改變世界的運行方式。報告指出，美國通過部署帶有多種傳感器的工業互聯網，各行業可實現1%的效率提升，15年內能源行業將節省1%的燃料（約660億美元）。

這種智慧，將促進我們周邊智慧環境的快速形成。當配備視頻攝像頭、雷達傳感器，以及激光測距器的無人駕駛車輛有一天停留在我們身邊時，我們不要驚訝。因為在美國，谷歌公司的無人駕駛車輛已經在內華達、佛羅里達和加利福尼亞州獲得上路行使權。這種車輛能夠以每秒20次的間隔，生成汽車周邊區域的實時路況信息，并利用人工智能軟件進行分析，預測相關路況未來動向，同時結合谷歌地圖來進行道路導航。

當有一天我們的工廠處于“無人運行”狀態時，我們也不要驚訝。因為在美國，通用公司已經開始了這項行動。2013年，通用公司在紐約一家電池生產企業共安裝了1萬多個傳感器，用于監測生產時的溫度、能源消耗和氣壓等數據，而工廠的管理人員可以通過iPad獲取這些數據，從而對生產進行監督。

而隨著工業、農業、醫療、衛生等行業的發展，以及人們對環境保護和社會安全的日益重視，能在一定范圍內方便地進行實時感知、監測和采集多種信息并進行處理的傳感器產品將組合成一個巨大的網絡，拓寬人類探知的領域和空間。二十一世紀是人類全面進入信息化的時代，人們需要獲得的信息種類和信息量越來越多，需要信息傳遞速度越來越快，信息處理能力也越來越強，這就要求與此相應的傳感器不僅要可獲得信息量多，還要性能優異、價格低廉，傳感器所獲得的信息也需要穩定、可靠。傳感器技術可以說是我國在加快信息化發展、物聯網發展方面必須首先發展的技術，也是當代信息技術發展的必然方向。