传感器网络系统行业情况
编辑：曾婉甜 来源：思瀚产业研究院 高华科技    2023-04-13

（1）传感器网络系统简介

传感器网络系统是指由许多在空间上分布的传感器组成的一种网络系统，这些传感器通过软件系统相互协作，监控不同位置的物理或环境状况。其本质是传感器技术与信号采集及处理技术的融合与发展，当二者在同一个系统内集成应用后将会同时满足信息采集、传输、处理的需求，进一步在军事上可实现战场监测、武器装备存储环境监测、武器装备工作状态监测等功能；在民用领域可实现工业设备健康状态监测与实时控制、交通控制、环境与生态监测、健康监护等功能。

（2）传感器网络技术发展

20 世纪 70 年代，第一代传感器网络诞生，传感器节点与传感控制器采用点对点的连接模式，构成了一个传感器网络。第二代传感器网络相较于第一代产品的进步在于它能够读取多种信号，是一种能够综合多种信息的传感器网络。在上世纪 90 年代后期，第三代传感器网络出现，可通过局域网形式，更加智能化地综合获取、处理各种信息。

目前第四代传感器网络还处于研发阶段，由于节点成本高、电池生命周期短、自组网难度大等原因，大规模使用情况尚未普及。这一代网络主要采用无线通信模式，可大批量地撒播具有数据采集、数据处理的传感器节点，自组织地实现网络间节点的无线通信，这就构成了第四代传感器网络，也叫无线传感器网络。

随着无线传感器网络成为主流技术方向，其特性对高可靠传感器网络的设计与实现提出了新的挑战，主要体现在四个方面：低能耗、实时性、抗干扰和协作性。

1）低能耗

通常某一传感器网络的传感器节点数多为数百或数千个，布局分散。一般采用电池供电技术的传感器件能源容量较为有限，因网络信号不均、测量物理量不同等原因，同一网络内各个器件耗电速率差距较大，在需要长期监测的应用场景下，传感器能源管理的矛盾就较为突出。因此，传感器网络设计一方面要选择低功耗的传感器产品及技术，另一方面要根据现场环境，选择合适的拓扑结构和网络协议方案，以节约和有效管理电能消耗。

2）实时性

高可靠无线传感器网络的应用大多要求有较好的实时性。例如，目标在进入监测区域之后，传感器网络需要在一个很短的时间内对这一事件做出响应，若其反应的时间过长，则目标可能已离开监测区域，从而使得到的数据失效；又如，车载监控系统需要在很短的时间内读取加速度计的测量值，否则将无法正确估计速度，导致交通事故，这些应用都对无线传感器网络的实时性设计提出了很大的挑战。

3）抗干扰

无线传感器网络系统具有严格的资源限制，需要设置低开销的通信协议。由于高可靠传感器节点通常会在各种恶劣环境下部署传感节点，所以每一节点必须具备良好的抗干扰能力。现场环境可能会存在宽温区、潮湿、多砂、强振动、强电磁干扰等恶劣条件，为应对上述不利外部环境因素，传感器网络研发生产不仅要考虑节点的防护设计，还要考虑内部电路的设计。因此，如何使用较少的能耗完成数据加密、身份认证、入侵检测及在破坏或受干扰的情况下可靠地完成任务，也是高可靠无线传感器网络研究与设计面临的一个重要挑战。

4）协作性

通常一个传感器网络需要同时检测不同量值的动态变化，包括温度、湿度、压力、位移、振动、转速、光、生物、化学元素等。为了对获得的数据进行加工、汇总和过滤，并以事件的形式输出最终结果，需要选择合适的传感器产品型号，定义标准输出信号，并实现不同传感信号在统一的标准下稳定传输。因此，网络的协作性也是目前研究的热点之一。

（3）传感器网络产品在军用领域的发展前景

自海湾战争后，现代战争已进入信息战争时代，目前正在向无人化、智能化时代迈进。打造高效的 C4ISR 系统（指挥、控制、通信、计算机、情报及监视与侦察系统）是现代军队信息化建设的发展方向。该系统可以使军队通过信息化整合实现一体化的作战能力：将目标探测跟踪、指挥控制、火力打击、战场防护和毁伤评估等功能实现一体化，将指挥中心和各军种之间的作战组织实现一体化。

从内部构成看该系统分为感知层、信息智慧控制层以及执行层三层。感知器件和感知网络属于该系统的感知层，是作战组织实现一体化的最底层，担负着准确实时收集战场信息及装备、物资状态数据的关键任务，对形成高质量军事决策起到至关重要的作用。美军自上世纪 90 年代开始实施 C4ISR 建设，目前已建成全球最先进的 C4ISR 系统。

根据 Frost & Sullivan 数据显示，美军 C4ISR 支出由 1999年的110亿美元提升到2019年的536亿美元，过去20年复合增速达到8.24%，2019 年美军国防预算约 7,320 亿美元，C4ISR 支出占比约 7.3%。由于我国C4ISR 建设仍处于初级阶段，随着我国军事信息化的不断发展，军事装备无人化、智能化的自主创新突破，预计我国的 C4ISR 系统建设投入也将显著增长。

（4）传感器网络产品在工业领域的发展前景

工业传感器网络与工业物联网、工业传感器市场发展有着密切的联系。工业传感器网络作为工业物联网的核心部分，其市场需求随着工业物联网应用的不断成熟而持续提升，工业传感器网络市场规模将进一步扩大。

数据来源：中国工业互联网研究院

随着近年来我国 5G、物联网技术的不断发展以及国家对工业物联网的大力扶持，我国工业物联网市场规模也随之不断壮大。在经历新冠疫情的冲击后，以工业物联网为载体的新型工业和经济模式成为我国生产和经济复苏的发力点，成为促进我国经济高质量发展的重要力量。据中国工业互联网研究院资料显示，2020 年我国工业物联网产业增加值规模达到 3.57 万亿元，同比增长 11.56%，占 GDP 比重为 3.67%。

工业传感器网络技术作为工业物联网技术的重要组成部分，其相关产品主要由传感器、无线网关、监控主机等构成，具备范围广、布设方便、稳定性高、成本低等特点。此外，随着工业生产智能化成为未来工业转型的重要手段，作为工业智能化重要技术之一的传感器网络技术必将发挥越来越重要的作用，而工业传感器网络市场也将迎来更为广阔的发展机遇，行业增长速度有望稳定增长。