物联网将引领传感器、MCU和连接技术发展

5G正在加快部署,加之LoRa与NB-IoT等低功耗广域网铺开应用,全球物联网连接量激增,从智能汽车、智能家居到企业资产管理设备再到工业设备,广泛的连接推动信息科技由移动互联迈向万物互联。根据调研机构IDC最新报告显示,2020年全球物联网连接规模达到300亿,以及到2024年全球物联网的连接量将接近650亿。

文︱朵啦

图︱网络

物联网技术在2020年疫情防控中的全力出击、智慧生活中的大放异彩、成为新基建中的核心要素,在给大众带来希望和活力的同时,正在将之前从未连接过的“物”连接起来,将给人们新的数据认知,进而转变成前所未有的变革。以物联网技术、人工智能、大数据为代表的新一轮科技发展已来到一个新周期的起点,从人与人的连接到物与物的连接、从物质生产要素到数据要素、从现实世界到数字孪生,数字世界已全面到来,物联网革命蓄势待发。

根据Strategy Analytics 最新报告称,2020年5G 仅占IoT连接比例的不到1%,但到 2030 年将上升到全部连接的40%。5G正在加快部署,加之LoRa与NB-IoT等低功耗广域网铺开应用,全球物联网连接量激增,从智能汽车、智能家居到企业资产管理设备再到工业设备,广泛的连接推动信息科技由移动互联迈向万物互联。根据调研机构IDC最新报告显示,2020年全球物联网连接规模达到300亿,以及到2024年全球物联网的连接量将接近650亿。在2020世界物联网大会上,组委会主席、科技部原秘书长石定寰在做主题报告时对目前全球物联网产值估值15万亿美元,其年平均增长率接近23%,他预计2021年以后这一增速有望达到30%,到2025年,全球物联网产值将达到30万亿美元的体量。

与此同时,得益于人工智能的促进,以及全球数字化、智能化创新的驱动,各界面向物联网的支出稳健增长。值得一提的是,我国是全球物联网支出最大市场,来自IDC最新报告预测,到2024年我国物联网市场支出将达到约3000亿美元,未来5年的复合增长率将达到13%,这个支出超越美国成为全球第一大物联网市场。

物联网广泛应用落地,给物联网产业注入源源不断的活力蓬勃生长。早在2018年我国物联网产业规模就突破万亿大关,我国作为全球最具创新新活力以及体量最大的市场,各界对物联网等新技术需求强劲,俨然已成为全球重要的物联网市场。

物联网技术应用已广泛深入各行各业和人们的生活,不仅在考验传统系统的承受能力,还将决定不同行业大大小小公司的命运。我们期待一个更加清晰透明的物联网未来蓝图,以下整理的物联技术构成将为读者提供一个智能和连接无处不在的物联生活科技图谱。

传感器

物联网走入人们生活的步伐,一点都离不开小小的传感器。如今,不管是智能最前沿——智能制造、智慧城市、智慧医疗等,还是智能设备和大数据分析,再庞大的智能系统,都要从传感器的感测开始。传感器由传感元件、信号调理电路、控制器(或处理器)组成,具有数据采集、转换、分析甚至决策功能。在电子和电气设备中,传感器用来获取外界原始的物理信号,包括声音、图像、温度、湿度、压力和光信号等,并将这些物理信号转换为电信号,典型形式是电压和电流。传感器的发展已经进入提高精度、降低功耗和体积、实现较易组网从而扩大传感器应用范围的阶段。传统的物理和化学传感器只是获取外界信号,并不具备计算和处理能力。随着制造工艺技术、尺寸和成本需求的提高,基于微机电系统(MEMS)工艺的传感器越来越流行。

如今,传感技术的发展趋势主要集中在:集成化、小型化和低功耗。在集成化方面,除了横向多传感器的集成,还有越来越多的传感器企业开始做纵向集成:实现完整系统的构建,甚至可能扩展到用软件进行更完整的数据处理,乃至云和AI技术。

MCU

MCU(微控制器单元)是物联网的核心,如果没有MCU的发展未必会有物联网今天的成功。在各种任务中,MCU往往是各种互连设备的中央处理元件。如今,大量微控制器已进入物联网应用的三个领域——智能家居和城市、智慧工业、智能万物,每一种应用都有处理和安全需求。现今的MCU都是系统级芯片(SoC),在单个芯片上集成了多种功能模块和接口,包括存储器、I/O端口、时钟、A/D转换、PWM等,以及SPI、I2C、ISP等数据传输接口。按照位数来划分,MCU可分为4位、8位、16位、32位和64位,现在32位MCU已经成为主流,在过去由8/16位MCU主导的应用和市场中,32位MCU已经基本完成替代。

在物联网推动下,各种电池供电设备的巨大需求使业界对微控制器和其他系统级器件的能源效率要求不断提高。所以降低功耗成为一个无法避开的技术话题,众多厂商已开始在低功耗MCU的赛道上竞逐,开发人员也不断在功耗和性能之间进行权衡。

连接和通信技术

如果将“铁公基”包含的公路、铁路、轨道交通看做是站点之间网络的话,那5G、蓝牙、Wi-Fi、LPWAN等就是连接物联网设备,互相传输数据的通道。全球移动通信系统协会(GSMA)统计数据显示,2010-2020年全球物联网设备市场高速增长,复合增长率达19%。2020年全球物联网设备连接数量高达126亿个。据GSMA预测,2025年全球物联网设备(包括蜂窝及非蜂窝)联网数量将达到约246亿个。通信技术中的窄带物联网(NB-IoT)、长期演进机器类型连接(LTE-M 和 LTE-MTC)以及增强型机器类型通信(eMTC)是目前流行的技术。这些技术的优势在于,它们利用现有用于语音和高带宽通信的蜂窝发射塔。不过,只需要不定期报告和控制的设备并不需要高带宽,而且由于许多设备都采用电池驱动,因此需要这些技术标准支持更低的功耗和更低的带宽标准。其他未利用现有蜂窝网络且必须重建基础设施的技术包括Sigfox、LoRa/LoRaWAN等。

物联网软件技术  

(图源:物联网空间站)

广域网和短距离通信技术的应用也推动着更多的传感器设备将数百亿物体接入到数字世界中。物联网将依托下一代更先进的连接技术:一方面,物联网连接成本、功耗和尺寸将大大降低,通过无感部署进行低成本物联应用;另一方面,物联基础设施提供的连接不只是信息媒介,还将具有智能端侧信号处理和压缩能力,进而构建物理世界与数字世界连接的神经中枢,开启万物感知,万物互联,万物智能的时代。未来,物联基础设施将通过无处不在的信号覆盖,提供环保且可随便抛弃的低成本终端,提供更下沉、真正连接万物的智能数据采集和分析服务。

低功耗智能传感器、创新的连接技术和令人惊艳的用例的出现让物联网火爆起来。将来更多的无线设备接入网络,物联网设备数量暴涨既是机遇也是挑战,成功的物联网解决方案要求行业同时提供创新的传感器和连接技术。