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傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)行業(yè)情況
編輯：曾婉甜 來源：思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 高華科技    2023-04-13

（1）傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)簡介

傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是指由許多在空間上分布的傳感器組成的一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這些傳感器通過軟件系統(tǒng)相互協(xié)作，監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況。其本質(zhì)是傳感器技術(shù)與信號(hào)采集及處理技術(shù)的融合與發(fā)展，當(dāng)二者在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)集成應(yīng)用后將會(huì)同時(shí)滿足信息采集、傳輸、處理的需求，進(jìn)一步在軍事上可實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場監(jiān)測、武器裝備存儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測、武器裝備工作狀態(tài)監(jiān)測等功能；在民用領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測與實(shí)時(shí)控制、交通控制、環(huán)境與生態(tài)監(jiān)測、健康監(jiān)護(hù)等功能。

（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展

20 世紀(jì) 70 年代，第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)誕生，傳感器節(jié)點(diǎn)與傳感控制器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接模式，構(gòu)成了一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)相較于第一代產(chǎn)品的進(jìn)步在于它能夠讀取多種信號(hào)，是一種能夠綜合多種信息的傳感器網(wǎng)絡(luò)。在上世紀(jì) 90 年代后期，第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)，可通過局域網(wǎng)形式，更加智能化地綜合獲取、處理各種信息。

目前第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)還處于研發(fā)階段，由于節(jié)點(diǎn)成本高、電池生命周期短、自組網(wǎng)難度大等原因，大規(guī)模使用情況尚未普及。這一代網(wǎng)絡(luò)主要采用無線通信模式，可大批量地撒播具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理的傳感器節(jié)點(diǎn)，自組織地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間節(jié)點(diǎn)的無線通信，這就構(gòu)成了第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)，也叫無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為主流技術(shù)方向，其特性對(duì)高可靠傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提出了新的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：低能耗、實(shí)時(shí)性、抗干擾和協(xié)作性。

1）低能耗

通常某一傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)多為數(shù)百或數(shù)千個(gè)，布局分散。一般采用電池供電技術(shù)的傳感器件能源容量較為有限，因網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不均、測量物理量不同等原因，同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)器件耗電速率差距較大，在需要長期監(jiān)測的應(yīng)用場景下，傳感器能源管理的矛盾就較為突出。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一方面要選擇低功耗的傳感器產(chǎn)品及技術(shù)，另一方面要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方案，以節(jié)約和有效管理電能消耗。

2）實(shí)時(shí)性

高可靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用大多要求有較好的實(shí)時(shí)性。例如，目標(biāo)在進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域之后，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)這一事件做出響應(yīng)，若其反應(yīng)的時(shí)間過長，則目標(biāo)可能已離開監(jiān)測區(qū)域，從而使得到的數(shù)據(jù)失效；又如，車載監(jiān)控系統(tǒng)需要在很短的時(shí)間內(nèi)讀取加速度計(jì)的測量值，否則將無法正確估計(jì)速度，導(dǎo)致交通事故，這些應(yīng)用都對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。

3）抗干擾

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有嚴(yán)格的資源限制，需要設(shè)置低開銷的通信協(xié)議。由于高可靠傳感器節(jié)點(diǎn)通常會(huì)在各種惡劣環(huán)境下部署傳感節(jié)點(diǎn)，所以每一節(jié)點(diǎn)必須具備良好的抗干擾能力?，F(xiàn)場環(huán)境可能會(huì)存在寬溫區(qū)、潮濕、多砂、強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)電磁干擾等惡劣條件，為應(yīng)對(duì)上述不利外部環(huán)境因素，傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)生產(chǎn)不僅要考慮節(jié)點(diǎn)的防護(hù)設(shè)計(jì)，還要考慮內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)。因此，如何使用較少的能耗完成數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證、入侵檢測及在破壞或受干擾的情況下可靠地完成任務(wù)，也是高可靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

4）協(xié)作性

通常一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)需要同時(shí)檢測不同量值的動(dòng)態(tài)變化，包括溫度、濕度、壓力、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、光、生物、化學(xué)元素等。為了對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、匯總和過濾，并以事件的形式輸出最終結(jié)果，需要選擇合適的傳感器產(chǎn)品型號(hào)，定義標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)不同傳感信號(hào)在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下穩(wěn)定傳輸。因此，網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作性也是目前研究的熱點(diǎn)之一。

（3）傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品在軍用領(lǐng)域的發(fā)展前景

自海灣戰(zhàn)爭后，現(xiàn)代戰(zhàn)爭已進(jìn)入信息戰(zhàn)爭時(shí)代，目前正在向無人化、智能化時(shí)代邁進(jìn)。打造高效的 C4ISR 系統(tǒng)（指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)及監(jiān)視與偵察系統(tǒng)）是現(xiàn)代軍隊(duì)信息化建設(shè)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)可以使軍隊(duì)通過信息化整合實(shí)現(xiàn)一體化的作戰(zhàn)能力：將目標(biāo)探測跟蹤、指揮控制、火力打擊、戰(zhàn)場防護(hù)和毀傷評(píng)估等功能實(shí)現(xiàn)一體化，將指揮中心和各軍種之間的作戰(zhàn)組織實(shí)現(xiàn)一體化。

從內(nèi)部構(gòu)成看該系統(tǒng)分為感知層、信息智慧控制層以及執(zhí)行層三層。感知器件和感知網(wǎng)絡(luò)屬于該系統(tǒng)的感知層，是作戰(zhàn)組織實(shí)現(xiàn)一體化的最底層，擔(dān)負(fù)著準(zhǔn)確實(shí)時(shí)收集戰(zhàn)場信息及裝備、物資狀態(tài)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵任務(wù)，對(duì)形成高質(zhì)量軍事決策起到至關(guān)重要的作用。美軍自上世紀(jì) 90 年代開始實(shí)施 C4ISR 建設(shè)，目前已建成全球最先進(jìn)的 C4ISR 系統(tǒng)。

根據(jù) Frost & Sullivan 數(shù)據(jù)顯示，美軍 C4ISR 支出由 1999年的110億美元提升到2019年的536億美元，過去20年復(fù)合增速達(dá)到8.24%，2019 年美軍國防預(yù)算約 7,320 億美元，C4ISR 支出占比約 7.3%。由于我國C4ISR 建設(shè)仍處于初級(jí)階段，隨著我國軍事信息化的不斷發(fā)展，軍事裝備無人化、智能化的自主創(chuàng)新突破，預(yù)計(jì)我國的 C4ISR 系統(tǒng)建設(shè)投入也將顯著增長。

（4）傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展前景

工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)傳感器市場發(fā)展有著密切的聯(lián)系。工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心部分，其市場需求隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷成熟而持續(xù)提升，工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)市場規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。

數(shù)據(jù)來源：中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院

隨著近年來我國 5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展以及國家對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的大力扶持，我國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模也隨之不斷壯大。在經(jīng)歷新冠疫情的沖擊后，以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為載體的新型工業(yè)和經(jīng)濟(jì)模式成為我國生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的發(fā)力點(diǎn)，成為促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要力量。據(jù)中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院資料顯示，2020 年我國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)增加值規(guī)模達(dá)到 3.57 萬億元，同比增長 11.56%，占 GDP 比重為 3.67%。

工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，其相關(guān)產(chǎn)品主要由傳感器、無線網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控主機(jī)等構(gòu)成，具備范圍廣、布設(shè)方便、穩(wěn)定性高、成本低等特點(diǎn)。此外，隨著工業(yè)生產(chǎn)智能化成為未來工業(yè)轉(zhuǎn)型的重要手段，作為工業(yè)智能化重要技術(shù)之一的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必將發(fā)揮越來越重要的作用，而工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)市場也將迎來更為廣闊的發(fā)展機(jī)遇，行業(yè)增長速度有望穩(wěn)定增長。