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物联网专题研究报告
2017年物联网专题
研究报告
2017年5月
内容目录
1.万物互联:
现在已在,未来已来.......................4
2.物联网的起源、特征与架构...........................7
2.1.物联网的起源与特征...............................7
2.2.物联网的架构.....................................10
3.物联网关键基础性技术:
LPWAN、传感器、云计算、大数据.11
3.1LPWAN:
低功耗广域网成就物联网泛在互联..............12
3.1.1.Sigfox:
物联网独立建网的先驱,既是标准制定者,也是网络运营商...........................................12
3.1.2.LoRa:
低功耗、私有物联网的建网首选.............13
3.1.3.NB-IoT:
与2G/3G/4G兼容的广域低功耗窄带物联网...13
3.2.ZigBee:
广受欢迎的短距低速无线通信技术............15
3.3.传感器:
传感器的性能决定物联网的性能,传感器的发展制约物联网的发展......................................16
3.4.RFID:
物联网传感层的主要技术之一................18
3.5.云计算:
物联网的神经中枢........................19
3.6.大数据:
海量数据带动物联网价值提升..............20
4.物联网产业链:
器件商是基础,系统服务与运营是主体...21
5.万物互联春风十里,下游应用百花齐放................23
5.1.1.智能可穿戴设备:
“智能化”+“用户体验”双优....25
5.1.2.智慧家庭:
科技巨头抢占智慧家庭平台,“内容+产品+服务”全布局...........................................27
5.1.3.车联网:
LTE-V2V协议落地,车联网发展驶入快车道.28
5.1.4.智慧城市:
NB-IOT将大显身手....................30
5.1.5.工业物联网:
工业转型升级的又一驱动力...........32
6.全球物联网:
百亿终端联接、成就万亿市场..............34
6.1.全球物联网万亿市场空间...........................34
6.2.物联网行业发展备受资本青睐......................36
7.中国物联网:
万亿市场、政策支持、应用丰富、产业链完备..38
7.1.物联网政策利好频出..............................38
7.2.物联网市场空间超万亿............................39
7.3.物联网行业发展迅猛..............................42
7.3.1.应用层面:
智能制造、智慧城市、车联网、个人消费品百花齐放.............................................42
7.3.2.产业链层面:
标准、芯片、操作系统均已齐备.......44
7.3.3.公司层面:
运营商、设备商、互联网厂商积极推进、初具成效................................................46
8.重点公司介绍.....................................48
8.1.宜通世纪:
物联网平台优势凸显,智慧医疗前景无限...48
8.2.新天科技:
四表业务并行,前沿技术支撑发展........52
8.3.科陆电子:
立足智慧能源业务优势,攻占物联网“新高地”..56
8.4.三川智慧:
推进智慧水务战略,智能表业务增长迅速....60
8.5.金卡智能:
借力物联网NB-IOT,智能燃气表龙头再起飞..63
8.6.高新兴:
并购中兴物联和中兴智联,打造车联网龙头标的.66
8.7.高鸿股份:
积极布局车联网.......................68
8.8.东软载波:
载波通信龙头,积极打造物联网生态链....70
8.9.汉威电子:
以传感器为核心,做领先的物联网解决方案提供商..................................................72
9.风险提示..........................................74
1.万物互联:
现在已在,未来已来
2008年11月,IBM首次提出“智慧地球”概念,其含义是将“会呼吸的传感器”嵌入到汽车、电网、铁路、桥梁等各种物体中,形成大规模的普遍连接,再通过超级计算机和云计算实现对生活和生产的实时、精细化管理。
“智慧地球”的核心理念包括三方面,分别是
(1)更透彻的感知(Instrumentation),令物质世界数据化;
(2)更全面的互联(Interconnection),将物联网与互联网相结合;(3)更深入的智能(Intelligence),挖掘海量数据价值,做出更正确的行动决策。
从上世纪七十年代互联网诞生到如今,信息产业经历了从互联网普及带来的“PC互联”到以智能手机为节点的“人人互联”(P2P)。
而伴随互联网发展数字化和IP化的深入发展,目前正在进入物联网时代,“用户到机器”(P2M)业务、机器终端之间的智能交互(M2M)业务不断普及。
在互联网时代,物理世界被挪移到线上从而实现某种意义的数字化、虚拟化,做到线上信息相连,线下信息共享;然而在物联网时代,来自数字世界的思维模式、关键技术被放回物理世界,线上线下不断彼此接近、相互融合,形成“万物互联”的世界。
根据Cisco统计的数据,在2000年仅有2亿台物联网设备联接到了互联网,而到2014年,这个数字翻了50倍,增长到100亿,但也不到全球1.5万亿设备物体的1%。
Gartner预计到2020年,全球联网设备数量将达到260亿个,物联网市场规模将达到1.9万亿美元。
物联网是继计算机、互联网和移动通信网之后的又一次信息产业浪潮,早在1990年施乐公司的网络可乐贩售机就已经初步试水物联网应用。
而物联网中关键的RFID识别技术的实践最早可以追溯到1991年第一次美伊战争。
美国军方成功地将RFID技术用于在五角大楼启动的“军需物资可视化管理”项目中,用以跟踪和查询大量的军需物资集装箱。
比尔盖茨1995年在《未来之路》一书中提及InternetofThings概念,但并未引起人们重视,直到Auto-ID和ITU提出物联网定义和IBM提出“智慧地球”概念,物联网才正式获得各国政府的重视。
2009年初,美国前总统奥巴马公开肯定“智慧地球”的概念后,美国、欧盟、日本和韩国等科技发达国家纷纷推出本国的物联网、云计算相关发展计划并着手向数字化、网络化和智能化发展方向布局。
而IBM在2009年8月发布的《智慧地球赢在中国》计划书正式揭开了中国“智慧地球”战略发展的序幕。
同期,温家宝总理在无锡视察时提出“要在激烈的国际竞争中,迅速建立中国的传感信息中心-„感知中国‟中心”,标志着我国物联网建设正式扬帆起航。
“十二五”时期,我国在物联网发展的政策环境、技术研发及产业培育方面都进展迅速,“十三五”规划纲要明确提出要“发展物联网开环应用”,将进一步提振我国物联网产业活力,催生一系列物联网下游应用落地。
而在刚刚过去的2017年MWC(世界移动通信大会)上,NB-IOT(窄带物联网)NB-IoT成为当之无愧的一大看点。
自2016年6月核心标准冻结以来,窄带物联网NB-IOT发展明显驶入快车道。
运营商与设备制造商的强强联手促使NB-IoT产业链日渐完善,推动下游细分应用频频落地,尤其是华为已经具备了NB-IoT芯片的量产能力,到2017年底华为将在全球范围内支持30张NB-IOT商用网络,加速促进NB-IoT技术在智能表计、共享单车、智慧家庭、水污染监测以及车联网等领域的规模化商用。
随着NB-IOT等物联网终端设备的快速大规模的联网,IBM智慧地球的核心理念中“更透彻的感知”和“更全面的互联”已稳步实现,“更深入的智能”将成为物联网发展的重中之重。
物联网价值也逐渐从连接事物过渡到让人和机器更加协调,推动人类和计算机的无缝专门互动,再到从海量数据中获益,进而影响商业决策,打造“超感官”企业海量运算。
物联网的出现为高性能分析提供了大量的实时数据,而海量数据加速了“认知计算”的落地,所以我们迎来了2016年IBM从“智慧地球”向以Watson为代表的“认知计算”理念的转变,将“智慧”发展推向另一个极致。
康宁Corning曾在发布的未来科技生活宣传片《智能玻璃的一天》中,展示到处隐藏、悬浮的信息窗,植入在服装鞋帽、冰箱、汽车上的传感器,通过3D全息投影架构实现的商场购物和医疗检查、无处不在的定位与搜索等等都已逐渐成为现实。
对比Gartner在2015年8月和2016年8月发布的两张新兴技术曲线图可以发现,物联网以及云计算已经从2016年的曲线图中消失,标志着物联网的关键技术已经不再“新鲜”而早已经慢慢的融入我们的生活,现在已在,未来已来。
2.物联网的起源、特征与架构
2.1.物联网的起源与特征
1999年,美国麻省理工学院Auto-ID实验室(MITAuto-IDLabs)首先提出物联网概念,指出物联网是建立在RFID等信息传感设备与互联网的基础上,得以实现智能化识别和可管理的网络。
2005年,在国际电信联盟(ITU)发布的物联网报告中对其定义进行了扩展,指出信息与通信技术已经发展到连接任何物品的阶段,万物互联形成物联网。
虽然国际上物联网暂无统一标准定义,业内对于物联网的通用定义是基于物品与互联网的连接,通过包括射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统(GPS)、激光扫描器、环境传感器等在内的信息传感设备,按照约定的协议进行通讯,从而实现智能化识别、定位、跟踪、管理等功能的网络。
物联网具备“全面感知”、“可靠传递”及“智能处理”三大特征,也就是通过传感设备获取物体信息,再通过通信网络和互联网的结合,实时准确的将信息传递出去,利用云计算等智能技术对海量的信息和数据进行处理从而实现对物体的智能化控制。
2.2.物联网的架构
根据数据流向和处理方式可将物联网分为传感层、网络层以及应用层三个层次。
传感层:
传感层的功能是感知、识别物体或环境状态并且实时采集、捕获信息,它由包括二维码标签、识读器、RFID标签、读写器、摄像头、GPS、传感器、计量器等器件以及M2M终端、传感器网络和传感网关等构成,通过传感器获取信息,并通过接收网关获得控制命令。
物联网在传感层所面临的挑战是如何使传感器更敏感、拥有更全面的感知能力并且具备低功耗、体积小及低成本的属性。
网络层:
通过无线或有线的通信方式接入网络,如互联网、电信网等通信网络,实现信息在传感层与应用层之间的传递。
网络层要具备网络运营和信息运营的能力,网络层中也包括对海量信息进行智能处理的部分,如云计算平台、物联网管理中心等。
网络层所面临的挑战是大规模M2M连接对系统容量及Qos带来的特别要求。
应用层:
应用层的功能是实现物联网信息技术与终端行业专业技术的深度接触,完成物体信息的协同、共享、分析、决策等功能,从而形成智能化应用的解决方案,。
它由包括电脑、
手机等终端组成的输入输出控制终端组成。
应用层所面临的挑战是信息共享及信息安全问题。
3.物联网关键基础性技术:
LPWAN、传感器、云计算、大数据
万物互联的基础在于数据的传输,而根据传输速率的不同,物联网业务可分为高速率、中速率及低速率业务。
其中,高速率业务主要使用3G、4G及WiFi技术,主要应用于监控摄像、数字医疗、车载导航和娱乐系统等对实时性要求较高的业务;中速率业务主要使用2G(GPRS)技术等,主要应用于POS、智慧家居、储物柜等高频使用但对实时性要求低的场景;低速率业务,即LPWAN(低功耗广域网)市场主要使用NB-IoT、LoRa、短距无线技术等,主要应用于传感器、计量表、智慧停车、物流运输、智慧建筑等使用频次低但总数可观的应用场景。
与传统蜂窝通信的需求不同,目前占物联网市场60%以上的是带宽低于100kb/s的低速率、低功耗、广域应用,这类应用需要物联网具有支持海量连接数、低终端成本、低终端功耗和超强覆盖能力等能力。
传统的接入手段,如Wi-Fi、ZigBee、蓝牙等的传输距离太短,要通过用户手机、中继网关或AP点将数据送至基站,会导致数据准确率低、功耗较高的问题。
而2G/3G/4G网络虽然可用于低数据量的传感器数据的传输,但成本和功耗都比较高。
为了推动物联网向低成本低功耗领域发展,新型窄带物联网技术的研发在近几年被逐渐提上日程。
3.1LPWAN:
低功耗广域网成就物联网泛在互联
目前LPWAN技术可被分为授权频段的广域网技术及非授权频段的广域网技术两类,不同的LPWAN技术在接入网络、部署方式、技术特点、功耗性能及服务模式上都有所差异。
授权频段的广域网技术包括核心标准协议被3GPP通过的NB-IOT以及由LTE技术演进而来的eMTC;非授权频段广域网技术包括Sigfox、LoRa、PRMA等。
全球电信运营商为了推进物联网发展,一方面在现有移动通信网的基础上不断优化网络能力,另一方面不断研究和加速部署新兴网络。
遍布中国、韩国、欧洲、中东、及北美的多家运营商加速部署NB-IOT,并早已全面展开试点工作,开启端到端的技术和业务验证,2017年有望迎来全球运营商NB-IOT的大规模部署。
而来自美国的Comcast、韩国的SKtelecom、印度的塔塔通信则通过LoRa技术快速建网,抢占物联网市场。
部分行业企业也通过自建专网方式提供物联网服务,对于公用事业行业用户而言,使用LoRa、Sigfox等技术建网可实现部署简单、组网灵活、服务成本低等优势。
如德国电力、燃气供应商E.ON计划在德国数个城市组建LoRa网络,电力商ENGIE和物联网运营商UnaBiz也在2016年7月宣布了在新加坡组建基于Sigfox技术的网络部署计划。
3.1.1.Sigfox:
物联网独立建网的先驱,既是标准制定者,也是网络运营商
Sigfox是一家法国窄带物联网公司,成立于2009年。
该公司希望使用旗下的Sigfox技术建立第一个仅供用于物联网的全球蜂窝连接的公司,其基础设施完全独立于现有的电信网络。
从接入网络上看,Sigfox技术工作在1GHz以下的免许可ISM射频频段,频率根据国家法规有所不同,在欧洲广泛使用868MHz,在美国则使用915MHz,每个载波占用100Hz。
Sigfox网络中单元(基站-终端)的平均传输距离在3-10km之间。
Sigfox的网络拓扑可扩展且容量高,基于点对点和星型单元的基础设施也相对简单和易于部署。
从技术特点上看,Sigfox使用标准的二进制相移键控(BPSK,BinaryPhaseShiftKeying)的无线传输方法,采用非常窄的频谱改变无线载波相位对数据进行编码。
这使得接收器可以仅用很小一部分的频谱侦听,减少了噪声的影响。
Sigfox有双向通信功能,通信往往是从终
端到基站向上传送比较容易,但从基站回到终端其性能是受限制的,这是因为终端上的接收灵敏度不如基站。
从功耗和性能上看,Sigfox网络设备消耗仅50微瓦到100微瓦的功率。
相比较而言,2G/3G模块需要的功率约为5000微瓦。
具体地,Sigfox的终端通信模块只在有载荷要传输的情况下才联网,睡眠模式和待机模式下仅靠内部电池工作时间可长达20年。
对应低功耗的是较低的数据传输能力,每个终端每天发送140条消息,每个消息12Byte(96bit),终端的设计无线吞吐量为100bit/s,达到大多数低功耗广域物联网应用的需求。
从成本和市场推广上看,Sigfox使用的通信芯片成本低于1美元,每个基站可以连接100万个终端。
据估算,仅需建设1万个基站其网络就可以覆盖整个美国,建成覆盖全球的物联网仅需数百亿欧元。
目前,Sigfox已完成5轮融资,在29个国家建有应用网络,覆盖170万平方公里,已成为近几年融资金额最高、影响力最广的物联网创业企业之一。
3.1.2.LoRa:
低功耗、私有物联网的建网首选
LoRa(LongRange)是由美国Semtech公司于2013年推出的基于长距低功耗数据传输技术开发的窄带物联网。
LoRa采用线性扩频调制技术,其通信距离可达15km以上,空旷地方甚至更远。
相比其他广域低功耗物联网技术(如Sigfox),LoRa终端节点在相同的发射功率下可通信的距离会更远。
从接入网络上看,LoRa系统为非授权频段技术,主要工作在1GHz以下免许可频段,在欧洲常用频段为433MHz和868MHz,在美国常用频段为915MHz。
LoRa上下行数据工作在同一频段,因此数据的上传和下传不能同时工作。
目前国内单芯片支持的LoRa系统带宽为2Mbit/s。
从技术特点上看,LoRa采用星型网络架构,与网状网络架构相比,它是具有最低延迟、最简单的网络结构。
基于LoRa的扩频芯片,可以实现节点与集中器直接组网连接,构成星形;对于远距离的节点,可使用网关设备进行中继组网连接。
从功耗和性能上看,LoRa终端接收电流仅10mA,睡眠电流200nA,电池寿命可达10年。
LoRa还有网络层和应用层及设备的多重加密方式。
LoRa基于测量多点对一点的空中传输时间差试点定位,使得在10km的范围内终端的定位精度可达5m。
从成本和市场推广上看,LoRa终端通信模块成本约5美元,适用于具备功耗低、距离远、容量大以及可定位跟踪等特点的物联网应用。
目前LoRa网络已经在全球多地进行试点或部署。
据统计,全球有16个国家正在部署LoRa网络,56个国家开始进行试点,如美国、法国、德国、澳大利亚、印度等。
荷兰KPN电信、韩国SK电信在2016年上半年部署了覆盖全国的LoRa网络,并提供基于LoRa的物联网服务。
在国内,AUGTEK公司在京杭大运河完成了284个LoRa基站的建设,覆盖了1300km的流域。
长远来看,部分企业出于数据安全等考量,可能会部署独立于运营商网络的私有物联网,LoRa届时将有更多用武之地。
3.1.3.NB-IoT:
与2G/3G/4G兼容的广域低功耗窄带物联网
Sigfox和LoRa属于私有技术,应用时需要单独组建网络,而且使用的频谱没有授权,在安全性上也可能存在缺陷。
而NB-IoT是3GPP推出的标准技术,该标准在2014年5月被最早提出后,而后经过多次讨论、已成为了目前被全球广泛接受的全新窄带物联网技术标准,可谓是技术演进和市场竞争的综合产物。
2016年6月,NB-IoT核心协议标准在3GPP获得通过,在2016年底前又完成了性能与测试标准。
NB-IoT可叠加应用在现有2G/3G/4G的蜂窝网络上,使用的频段有授权,已被沃达丰、中国移动、中国电信、中国联通等大运营商采纳,并被华为、爱立信、高通、英特尔等产业链上游厂商追捧,2017年将开启全球商用大幕。
从接入网络上看,由于NB-IoT是在LTE基础上发展起来的,其主要采用了LTE的相关技术,并针对自身特点做了相应的修改。
NB-IoT的下行链路与LTE一致,采用15kHz的OFDMA子载波,当NB-IoT与LTE并存部署时,下行链路上NB-IoT和LTE可以做到互不影响。
而NB-IoT的上行传输方案支持单频音传输和多频音传输两种形式。
单频音方案支持更好的覆盖、容量与终端功耗;多频音方案可用于支持更大的峰值速率。
从技术特点上看,NB-IoT的部署方式较为快捷、灵活,支持3种部署场景:
(1)在LTE频带以外单独部署;
(2)部署在LTE的保护频带;(3)部署在LTE频带之内。
此外,NB-IoT也可以部署在2G/3G网络。
NB-IoT单扇区支持5万个连接,比现有网络连接数高50倍,目前全球有约500万个物理站点,假设全球有约500万个物理站点,所有站点全部部署NB-IoT,每站点三扇区共计可接入终端数将达4500亿个。
从功耗和性能上看,NB-IoT终端的功耗,原因在于:
(1)基站覆盖范围广,终端以低于2G的功率即可接入网络;
(2)维持网络接入的开销减少;(3)终端工作在低功耗模式下,如采用节能模式可使得99%的时间里功耗只需15微瓦;(4)芯片采用低功耗工资。
对于户外应用的位臵跟踪(老人、动物、非机动车)的应用,电池可以使用2-5年;对于资产定位,如农林、环境、能耗数据采集与监测,电池可以使用5-10年。
和2G相比,NB-IoT能实现多达20dB以上的增益,使得NB-IoT网络能够覆盖更广、更深,并有能力覆盖到地下停车场、地下管网。
从成本和市场推广上看,因为NB-IoT可直接部署于2G/3G/4G网络,现有无线网络基站的
射频与天线可以复用。
在接入能力上,对于小流量、时延不敏感的应用场景,NB-IoT单个扇区可以支持5-10万个终端的接入,较现有2G/3G/4G蜂高出50-100倍以上。
因此,运营商只需要很低的建设成本,就可以快速形成NB-IoT的承载能力。
目前NB-IoT芯片的成本在5美元左右,未来有望降低成本至1美元左右。
在国外,沃达丰已于2016年9月9日宣布在在西班牙马德里成功完成首个基于现有网络的标准化NB-IoT商用网络试验,并计划在2017年正式商用部署。
在国内,中国电信计划在2017年上半年部署基于800MHz的NB-IoT网络,并实现全网覆盖;中国联通于2015年7月在上海建成并开放全球第一个4.5GNB-IoT新技术示范点,2016年全年已在在国内7个城市启动基于900MHz、1800MHz的NB-IoT外场规模组网试验,以及6个以上业务应用示范,2017年开始推进国内重点城市的NB-IoT的商用部署。
3.2.ZigBee:
广受欢迎的短距低速无线通信技术
相比于广覆盖、长距离的NB-IOT、Sigfox、LoRa技术,全球流行的短距离无线通信技术有Wi-Fi、ZigBee、蓝牙以及红外技术。
Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等工作在非授权、开源的2.4GHz频段。
ZigBee和蓝牙、WiFi相比较更专注于低传输应用,在2.4GHz频段上的传输速率最高可达250kbit/s;节点设备体积小,采用电池供电,在低耗电待机模式下,两节5号电池可以使用
6个月至2年。
基于该技术的低传输速率,其协议较为简单,大大降低了成本,且网络容量大,最多可支持255个设备。
ZigBee技术的时延在15毫秒到30毫秒之间。
一般的蓝牙技术通常是为短距离耳机、音箱等与手机联网所用,一般一个主设备可以有效地处理不超过7个设备,设备需要人手配臵。
随着联接设备的增多,通信速率会有明显下降,且该技术只能在不充电的情况下工作数周。
Wi-Fi技术虽然有效的将电脑等终端设备接入有线网络,但也面临类似问题,且功耗过高。
因此,ZigBee以成本低、功耗小、数据安全、延时短等特点,成为短距离物联网的重要技术之一,在工业、家庭自动化、农业自动化和医疗护理等领域得到广泛应用。
升级后的ZigBee3.0打通了不同厂家的产品,实现了内部的互通。
同时,ZigBee联盟通过开放的姿态探索内外互通,有望在现有的成熟产业的基础上打造技术开放的物联网短距离连接模式,成为万物互联的重要主导者之一。
3.3.传感器:
传感器的性能决定物联网的性能,传感器的发展制约物联网的发展
传感器技术是物联网系统中实现物体识别和信息采集的重要技术,目前全球各类传感器超过2.2万种,我国已有科研、技术和产品近1万种,但我国高端传感器仍严重依赖进口,主流传感器技术仍较薄弱。
随着物联网时代对智能设备需求的不断上升,全球传感器需求有望从目前的百亿级别增量到2025
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