物联网网关全景调研与发展战略研究

物联网网关全景调研与发展战略研究物联网行业基本状况（一）物联网的概念物联网（InternetofThings，简称IoT）是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。而根据工信部《关于印发物联网新型基础设施建设三年行动计划（2021-2023年）的通知》，物联网是以感知技术和网络通信技术为主要手段，实现人、机、物的泛在连接，提供信息感知、信息传输、信息处理等服务的基础设施。（二）物联网的构成物联网的系统架构划分一般可分为四个层次，分别为感知与控制层、通信网络层、平台服务层、应用服务层。1、物联网感知与控制层感知与控制层是物联网的基础，是联系物理世界与虚拟信息世界的纽带。在感知方面，其主要通过从传感器、计量器等器件获取环境、资产或者运营状态信息，在进行适当的处理之后，通过传输模块将数据传递出去。感知方面的设备主要分为自动感知设备及人工生成信息设备。自动感知设备是能够自动感知外部物理物体与物理环境信息的设备，包括了RFID、传感器、GPS等，人工生成信息设备是人工生成信息的智能电子设备，包括了智能手机、计算机、其他移动通信终端等，是自动感知的辅助手段，也是实现人与物进行连接的重要桥梁。在控制方面，其通过通信模块接收控制指令信息，在本地传递给控制器件达到控制资产、设备及运营的目的。2、物联网通信网络层通信网络层作为纽带连接着感知与控制层和平台服务层，它由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网等组成，相当于人的神经中枢系统，负责将感知与控制层获取的信息，安全可靠地传输到平台服务层，然后根据不同的应用需求进行信息处理。物联网通信网络层包含接入网络和传输网络，分别实现接入功能和传输功能。传输网络由公网与专网组成，典型传输网络包括电信网（固网、移动通信网）、广电网、互联网、电力通信网、专用网（数字集群）。接入网络包括光纤接入、无线接入、以太网接入、卫星接入等各类接入方式，实现感知与控制层中传感器网络的接入。3、物联网平台服务层物联网平台服务层是物联网产业链条中的关键环节，其向下通过通信网络连接感知与控制层，向上为应用服务层提供统一的开发接口，构建了设备和业务的端到端通道，为各个领域的实际应用提供平台服务，如设备接入、设备管理、安全管理、消息通信、监控运维以及数据应用等。4、物联网应用服务层应用服务是物联网的最终目的，其主要是将设备端收集来的数据进行处理，从而给不同的行业提供智能服务，如智能污染监控、智能交通管理、智能工厂管理、智能家居管理、运程信息管理等。（三）物联网发展面临的问题1、物联网发展面临先天的碎片化问题物联网存在先天碎片化问题，据微软《IoTSignals（物联网信号）》研究报告表明，想要更多地利用物联网的企业认为面临的最大障碍是复杂性和技术挑战。物联网赋能不同行业转型升级，应用场景和需求碎片化导致物联网终端异构、网络通信方式多样、平台林立、不同厂家设备和产品之间的互联互通和互可操作性差。物联网的碎片化成为制约物联网大规模发展的重要障碍，这种碎片化主要体现在以下方面：①终端传感器、执行器电气接口、通信接口的碎片化。物联网终端的传感器接口可能是模拟的，也可能是数字的，数字的接口又有很多不同的数字总线协议，使得对多种不同传感器的电气接口的访问成为处理器编程的又一个繁重工作。②终端传感器、执行器访问协议的碎片化。不同物联网终端的访问协议均可能存在不同，针对不同的用户，每一类不同的传感器访问均需要重复进行编程配置。③终端通信接入方式的碎片化。终端通信接入方式包括了有线网络接入、总线接入或无线网络接入。而无线网络接入又分为蓝牙、ZigBee、WIFI，蜂窝移动网络、LoRa、NB-IoT等。④纷繁复杂的处理器及周边模块所引起的碎片化。不同嵌入式系统所使用的处理器不同，不同处理器及相应的板级资源配置使得开发者需要面临各种不同的板级硬件。⑤物联网平台的碎片化。近年来物联网平台发展迅速，但从物联网终端到物联网平台之间的数据接入传输协议并没有统一，终端设备连接到不同的平台需要进行重复的编程工作。⑥物联网应用的碎片化。社会分工必然导致社会组织天然具有屏障。每一个组织建设物联网应用的初衷必然是服务于自己的业务目标，而不是首先考虑其他组织的需要，造成不同系统之间的孤立。2、物联网发展面临成本高问题物联网的应用成本高主要体现在以下方面：数据传输量大，数据储存、网络建设及运营成本高。根据GSMAIntelligence的预测，2017-2025年，全球物联网连接数将实现超过3倍的增长，达到250亿台，这一数目远超移动互联网时代的联网设备数目。随着物联网连接数量大幅增长，相关终端产生的数据量也将大幅增加，在传输、储存相关数据时，导致了数据储存、网络建设及运营成本大幅提升。基于以上问题，边缘计算应用的需求也相应大幅增加，相关数据在边缘端先行筛选、处理后再将有效数据上传，可以大幅减少对网络传输、云端存储及云端处理能力的占用。物联网终端数量庞大，能源耗用成本高。物联网终端产品均为嵌入式设备，若相关嵌入式设备的能耗不能得到有效控制，必将限制物联网的大规模应用。因此在物联网终端产品研发时，需在满足其具体应用的基础上，尽可能采用低功耗的架构进行设计。物联网产品损坏后造成的损失及维修成本高。部分物联网终端及节点部署在无人值守的场合，部分物联网节点损坏后将影响其他物联网设备的通信、控制，相关产品损坏后造成的损失及维修成本高。因此对物联网产品，特别是应用于产业物联网的产品的使用寿命、可靠性等要求较高。物联网产品定制化程度高，单一用户自主开发成本高，导致物联网使用成本高。物联网产品均为嵌入式设备，其涉及计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术等，且物联网的芯片平台种类众多、操作系统的定制化高，单一用户自主开发成套嵌入式物联网产品的周期长，可复用性差，投入产出率低，导致单一用户自主开发物联网嵌入式设备的经济效益低。因此，专业从事物联网嵌入式软硬件开发的厂商为各行业应用领域用户提供定制化设计、开发的趋势势在必行，只有专业化、标准化、模块化才能有效降低物联网产品的开发成本、缩短产品开发周期，加快产品性能迭代，进而提高产品的市场竞争力。3、物联网发展面临安全风险问题近年来物联网安全事件频发，智能家居、摄像头乃至电网等重要基础设施遭受攻击，影响扩大化，导致企业生产和社会运行瘫痪，带来巨大经济损失。现阶段，我国物联网安全仍面临难题，主要体现：安全标准体系尚未发布。我国物联网安全政策布局仍不足，物联网安全标准体系尚未发布，安全标准的场景针对性不足，产业链各环节安全防护意识不统一，安全防护体系不完善，没有形成物联网安全产业合力，目前呈现分散状态。产业链涉及环节众多，安全风险高。我国物联网安全产业尚处于起步阶段，物联网产业链涉及环节众多，安全建设需要多方共同合作推进，目前缺乏典型场景的安全解决方案和标杆企业，需求侧对价格敏感，对物联网安全成本增加的接受度差。终端异构严重，安全能力普遍较弱。物联网安全核心终端的产业成熟度不高，现阶段终端安全是物联网安全的重中之重，是物联网安全的基础，终端海量异构，安全能力普遍较弱，一旦被破坏、控制或攻击，不仅影响应用服务的安全稳定，导致隐私数据泄露、生命财产安全受损，更会危害网络关键基础设施，威胁国家安全。新技术融合增大物联网安全风险。规模化应用促使物联网不断与人工智能、边缘计算、IPv6、容器、微服务等新技术加快融合，这些新技术给物联网发展带来功能性能提升的同时，也对传统安全防护措施带来了新的挑战。物联网行业发展面临的机遇与挑战（一）物联网行业发展面临的机遇1、国家政策战略布局助力物联网发展随着经济社会数字化转型和智能升级步伐加快，物联网已经成为新型基础设施的重要组成部分。国家高度重视物联网行业的发展，出台了一系列扶持该行业发展的重大政策。2、国内物联网通信及控制设备供应链相对完善，拥有较强的成本优势目前国内拥有着全世界最齐全的供应链体系，可以完成生产制造的全部环节，物联网相关产品供应链相对完善。另外，物联网通信及控制设备下游应用需求多样，产品定制化程度较高，这也意味着企业前期会进行大量的研发投入。在研发成本中，人力成本占比最高。因此研发人力成本的高低将对物联网通信及控制设备的研发及生产企业的盈利能力造成很大影响。与欧美国家相比，我国人力成本相对较低。随着技术水平的持续提高，并依托国内制造业配套齐全、研发及生产成本较低的优势，国内物联网通信及控制设备生产的竞争力将逐渐增强，逐步在全球市场与国外厂商展开竞争。3、5G与物联网的融合将加速人物互联和万物互联，将对物联网产业发展创造无可替代的贡献5G与物联网的融合将加速人物互联和万物互联。5G与物联网融合的优势在于5G网络有多大，物联网覆盖就有多大。5G+物联网不需要客户单独建网，大幅度地降低了建网的成本。5G的出现和全面覆盖帮助物联网解决应用难题，满足物联网高可靠、高速率、低功耗等需求，将实现基础层到应用层的跨越，使得物联网能够在各个场景大规模的应用。中国移动预测，到2022年，物联网连接数将达到45亿，而其中5G拉动数将超过55%。到了2025年，物联网连接数将超过53亿，而其中5G贡献比例将高达73%。综上，5G对物联网产业发展的贡献将是无可替代的。而我国5G技术在全球处于领先地位，从而有利于我国基于5G技术的物联网产业发展。（二）物联网行业发展面临的挑战1、物联网下游应用市场分散，缺乏统一标准和主导力量目前，物联网在各下游需求行业的应用尚处于起步阶段，应用的细分领域较多，包括设备、软件供应商以及系统集成服务供应商在内的物联网企业规模普遍较小，市场份额有限，缺少在需求行业形成较强影响力的主导力量。物联网涉及的技术环节较多，各环节的标准化尚未建立，且由于不同行业对物联网需求各异，再加上物联网企业市场份额比较分散，导致目前物联网应用以个性化解决方案为主。2、物联网关键技术能力尚需加强虽然我国物联网产业已形成一定规模，但在部分关键技术方面尚待进一步加强，比如芯片、传感器、操作系统等核心基础能力依然薄弱，高端产品研发能力不强，原始创新能力与发达国家差距较大。3、人才瓶颈制约物联网行业发展物联网行业是典型的高科技行业，从事相关产品的研发与生产对复合型人才的理论要求和项目实践经验要求较高。中国是全球电子信息业制造大国，人才集中，但鉴于物联网行业是新兴战略产业，相关技术和知识需要较长时间的实践经验积累，相关的人才处于相对稀缺地位。物联网行业发展前景及趋势分析根据信通院于2020年12月发布的《2020中国物联网白皮书》，2019年中国物联网连接数中产业物联网和消费者市场各占一半，预计到2025年，物联网连接数的大部分增长来自于产业市场，产业物联网的连接数将占到总体的61%。由此来看，未来产业物联网的市场发展潜力大于消费物联网。目前，物联网在全球呈现快速发展趋势，欧、美、日、韩等国均将物联网作为重要战略性新兴产业推进，但在繁荣景象背后却仍存在着众多阻碍发展的因素。其中核心标准的缺失，尤其是作为顶层设计的物联网参考架构等基础标准目前仍处于空白，基于争夺物联网产业主导权，各国对国际标准方面的竞争亦日趋白热化。新冠疫情对于物联网行业来说犹如达摩利斯之剑，一方面疫情导致全球技术供应链出现一定的停滞期，另一方面疫情助推中国物联网的渗透。2020年无人工厂、无人配送、无人零售、远程教学、远程医疗等无接触经济的爆发均离不开物联网技术的支撑。综合多方面的情况分析，前瞻认为未来5年中国物联网的发展将保持高速增长，到2026年市场规模超过6万亿元。目前全球物联网产值大约15万亿美元左右，其年均增长率接近23%，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。5G的落地将正式开启物联网时代。5G相较于物联网的关系，可以看成4G之于互联网的关系。5G的本质是把对人的通信延伸到万物互联，它就带来一场新的革命。物联网是建立在互联网基础上的网络发展的一个新阶段。它可以通过各种有线或无线网络与互联网融合，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。在政策与技术的支持下，中国物联网市场蓬勃发展。2020年中国物联网市场规模达1．66万亿元，同比增长10．67%。随着政策支持及技术的提升，物联网市场规模将继续增长，预计2022年将达2．1万亿元。当前，全球物物联网核心技术持续发展，标准体系加快构建，产业体系处于建立和完善过程中。未来几年，全球物联网市场规模将出现快速增长。数据显示，2020年全球物联网市场规模约达1．36万亿美元。全球物联网产业规模由2008年500亿美元增长至2018年近1510亿美元。在连接数快速增长和梅特卡夫定律的作用下，物联网在各行业新一轮应用已经开启，落地增速加快，物联网在各行业数字化变革中的赋能作用已非常明显。工业物联网行业发展受政策扶持，同时新冠肺炎疫情的爆发，制造业数字化升级速度加快，工业物联网市场发展前景广阔。工信部等八部门联合印发《物联网新型基础设施建设三年行动计划（2021-2023年）》。目标到2023年底，在国内主要城市初步建成物联网新型基础设施，社会现代化治理、产业数字化转型和民生消费升级的基础更加稳固。强调在行业标准体系、网络数据安全、知识产权等方面不断完善提高，支持物联网健康发展。工业物联网是物联网的重要组成部分，近年来，工业物联网市场规模不断扩大，2021年，全球工业物联网市场规模达到960亿美元以上，预计2026年将增长至2800亿美元。我国是制造业大国，在《中国制造2025》战略背景下，制造业智能化转型速度加快，工业物联网市场发展空间广阔。目前全球物联网产值大约15万亿美元左右，其年均增长率接近23%，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。随着物联网的快速发展，物联网在生活中的应用越来越广。物联网遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、工业监测、个人健康等多个领域。物联网应用领域丰富，市场需求逐渐被释放，市场前景广阔。物联网行业面临问题我国物联网产业核心基础能力薄弱、高端产品对外依存度高、原始创新能力不足等问题长期存在。此外，随着物联网产业和应用加速发展，一些新问题日益突出。主要体现为，一是产业整合和引领能力不足。当前全球巨头企业纷纷以平台为核心构建产业生态，通过兼并整合、开放合作等方式增强产业链上下游资源整合能力，在企业营收、应用规模、合作伙伴数量等方面均大幅领先。而我国缺少整合产业链上下游资源、引领产业协调发展的龙头企业，产业链协同性能力较弱。二是物联网安全问题日益突出。数以亿计的设备接入物联网，针对用户隐私、基础网络环境等的安全攻击不断增多，物联网风险评估、安全评测等尚不成熟，成为推广物联网应用的重要制约因素。三是标准体系仍不完善。一些重要标准研制进度较慢，跨行业应用标准制定推进困难，尚难满足产业急需和规模应用需求。早期的物联网是指依托射频识别技术的物流网络，随着技术和应用的发展，物联网的内涵已经发生了较大的变化。现阶段，物联网是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的各种信息传感设备，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现广域或大范围的人与物、物与物之间信息交换需求的互联。物联网依托多种信息获取技术，包括传感器、射频识别（RFID）、二维码、多媒体采集技术等。物联网的几个关键环节可以归纳为感知、传输、处理。物联网行业与嵌入式系统的关系嵌入式系统是一种为特定应用而设计的专用计算机系统。根据电气和电子工程师协会的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。国内普遍认同的嵌入式系统定义为，以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成。嵌入式计算机是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。嵌入式系统中的执行装置也称为被控制对象，它可以接受嵌入式计算机发出的控制命令，执行系统所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如智能终端上的一个微型电机，为智能终端提供消息提醒震动功能；也可以相对复杂，如智能跑步机上的传送带控制单元等。嵌入式系统通常嵌入在更大的物理设备当中而不被人们所察觉，如手机、PDA甚至空调、微波炉、冰箱中的控制部件都属于嵌入式系统。现阶段，嵌入式系统已广泛的应用于消费类电子、过程（工业）控制、信息通信、智能仪器仪表、航空航天及武器系统等领域。物联网本质上是互联网与嵌入式系统发展到高级阶段的融合。从某种角度而言，物联网应用系统也可以看作是嵌入式系统的网络应用，因为物联网系统中的物，基本上都是各种嵌入式设备。人与物的相连，前提也是物需要是嵌入式设备，具备感知、人机交互等能力。因此，嵌入式技术已成为物联网的重要基础性技术之一。相比于传统嵌入式系统，物联网时代的嵌入式系统针对物联网的具体应用及要求进行了相应的提升，具备包括了具有数据传输通路、具有数据储存功能、具有专有操作系统、具有专有应用程序、遵循物联网的通信协议、在世界网路中