用于實現自動化機器功能的機器對機器網絡

作者：Lisa Eitel

機器對機器 （M2M） 網絡的核心是工業遠程信息處理技術組合——由電信和信息技術組合而成，使用數據進行自動化操作。M2M網絡包括傳感器、控制裝置和機器，無需人工參與即可進行通信。在這種網絡中，機器可以在同一個設施中，也可以相隔半個地球。

有線和無線通信都可驅動 M2M功能。設備發送并收集信息，以對操作進行評估并做出實時調整。例如，污水處理廠可以在關鍵站點使用遠程傳感器，來收集有關液位、化學品比例、溫度、流速和其他參數的數據。然后，這些數據通過無線網絡傳輸到平臺，以供智能控制裝置收集。在需要人工對不斷變化的參數進行監督和響應的情況下，一個運行專用軟件的人機界面（HMI） 可能會在數字儀表板上顯示系統值。在某些情況下，外設機器會通過 M2M網絡上的控制器來接收來自其他機器的信號。這樣便能讓此類設備按照任何基于規則的預設程序進行工作。

M2M 網絡與物聯網 （IoT） 連接之間的區別

自動化設計提示和調節較高級別操作是一種相對較新的功能，同時取決于 M2M 和物聯網技術。如需深入了解這些系統之間的差異，請閱讀 DigiKey文章“物聯網與 M2M 通信及其設計之間的區別”。

M2M 技術擅長監視和控制單個（某種程度上孤立的）功能。這種技術越來越多地通過采用嵌入式設備進行蜂窩通信來實現。許多 M2M都屬于本機安裝，并且使用一個或兩個信息源。 例如，消費級 M2M
設置可能包括溫控器和攝像頭，它們將數據連續傳輸至可穿戴設備或智能手機——目的可能是提示人類操作員進行調整。唯一的數據點來自那些傳感器件。

物聯網意味著裝置全面集成、完全互連（通常涉及機器致動和反饋），以支持復雜系統、信息源或高度自動化機器各部件之間協同操作。因此，相同的消費級設置（溫控器和攝像頭與集成物聯網功能的智能手機進行通信）將使用來自這些反饋器件的數據點（如同M2M 設置一樣），以及來自互聯網的有關當地天氣預報、眾包社區數據、專家分析和機器學習數據庫的其他數據，來通知人類操作員的響應或某種連網的自動化裝置。

在工業環境中，此類物聯網功能還支持預見性維護，以及使用大數據來實現企業級（業務）功能。通常，一些集中式系統會收集部分或全部過濾的機器自動化和反饋數據。然后，系統分析會生成規定的參數，以便進一步監測、調節或調整。越來越多的工廠使用大數據（有時輔以機器學習）來管理正常操作，以及需要維護或采取其他措施的有問題操作。例如，現代化天然氣管道將遠程泵站的數據傳輸到中央數據庫，供控制指揮中心的人員訪問；在某些情況下，這些人員可能會位于完全不同的大陸。

支持 M2M 功能的硬件類型

傳感器、執行器和嵌入式邏輯器件是支持 M2M 的主要硬件類型。傳感器和執行器通常由元器件制造商提供，并且內置 M2M 連接。相比之下，嵌入式 M2M模塊通常由 OEM 集成到自家的器件中，用以執行特定的任務和功能——通常是將蜂窩和其他形式的連接添加至過去可能單獨工作的設備。這種嵌入式 M2M
系統在運輸和航空航天行業特別有用——尤其適用于船舶、飛機和長途卡車等資產上的 GPS 導航系統、聯鎖裝置以及記錄器和傳感器。

M2M 軟件：M2M 裝置所用的軟件平臺取決于機器的移動性、所處環境以及要處理的數據量和類型。在 M2M軟件利用云計算的情況下，它會在與遠程服務器通信的硬件上運行。該服務器運行自己的軟件，將信息發送給管理員，管理員隨后對數據進行處理和操作。在某些情況下，支持M2M 網絡的軟件包括用于提供圖形用戶界面 （GUI） 的軟件。此類 GUI可讓人類工作人員訪問經過濾的系統數據，這些數據通常以圖形、圖表和視頻形式顯示，而不是復雜且可能引起混淆的文本界面。

M2M 網絡的適用領域

專注于診斷和維護應用：M2M 網絡支持診斷和維護、機器優化，以及應用特定控制。由于 M2M
網絡持續發送和接收數據，因此適用于優化制造工廠中獨立設備的維護計劃，并在可能需要計劃外維護時發出信號。在這一點上，所連接機器的傳感器可以通過云中的軟件堆棧發送數據，并將這些數據聚合到另一臺設備；最終提供有關設備或系統維護的信息。例如，異常溫度可能表明軸需要重新潤滑，或因存在機械磨損而需要更換零件。

在機場的公共和后臺區域，M2M 網絡從自動扶梯、自動人行道和行李搬運系統收集有關溫度、振動和齒輪電機潤滑油液位的信息。此外，M2M網絡還在機場飲水機柜上使用傳感器，來監測水流、溫度、柜門的打開或關閉狀態，甚至潛在的漏水情況。

機器狀況圖形顯示：最簡單的機上 M2M 狀態指示器采用指示燈和數字讀數的形式。但是如前所述，更先進的 M2M 系統支持GUI，以易于理解的數據格式將機器狀況傳達給人類。在某些情況下，機器或設備上也會提供此類顯示——采用小顯示器，甚至是全尺寸的HMI。在其他情況下，圖形顯示位于遠程位置。

遠程更改設置：M2M 網絡收集的系統反饋數據通常會通知遠程觸發工作流程和資源分配。我們再次考慮一下機場示例： 來自 M2M網絡的數據分析可以提示管理人員在保潔人員或旅客注意到問題并報告之前，就派遣技術人員來處理設備故障。

M2M 物理網絡連接和鏈路

如上所述，M2M
通信是通過無線和有線方式進行。針對最簡單設備的有線技術包括電力線通信和串行通信；前者是在提供交流電的同一根導線上傳輸數據，后者則按行業標準順序一次傳輸 1位數據。更高級的 M2M 裝置可能使用局域網 （LAN） 或（對于分布式和可擴展 M2M 應用）廣域網 （WAN），在更遠距離上進行通信和傳送數據。前述之嵌入式M2M 子組件通過 WAN 和 LAN 連接，并可作為系統間或系統內元件進行通信。

系統間通信通過控制器區域網絡 （CAN） 和串行外設接口 （SPI） 協議在設備之間進行。相比之下，系統內通信通常采用通用串行總線 （USB）或通用同步/異步接收器/發射器 （USART） 微芯片，通過計算機的串行端口進行，以允許設備內芯片之間的數據流傳輸。

當然，機器與設備之間的通信采用其他形式。點對點通信（相對于廣播通信）通常支持設備各部分內的 M2M 功能。此外，遠程終端單元 （RTU） 也支持 M2M連接，它通常作為電子微處理器模塊出售，用來監測和控制現場設備，實現監督控制和數據采集 （SCADA） 功能。這些單元在其間用于：

將遙測格式的數據（從現場設備收集）傳輸到中央系統，然后

輸出響應命令，發回至現場設備。

無線 M2M 通信格式：用于無線通信的 M2M 配置有很多——使用藍牙、Wi-Fi 和 GSM 技術以及 GSM、CMDA 和 LTE蜂窩網絡。無線網絡帶來了緊湊性和便利性，而如 LTE/5G 之類新興基礎設施標準正促使越來越多地使用蜂窩通信來實現 M2M 功能。

M2M 功能所用的應用層協議

M2M 通信主要發生在工業網絡的應用層，即連接系統與用戶的最頂層，因而允許設備與控制裝置之間進行通信。應用編程接口 （API）也多不勝數，可用于簡化這些軟件和 Web 服務的編程。

在這些協議中，M2M 功能經常采用的是應用級超文本傳輸協議 （HTTP），該協議定義了 Web 瀏覽器與服務器之間的消息結構。HTTP通常與超鏈接及其傳遞至萬維網的其他結構相關聯。它在 M2M 應用中的功能類似，因為瀏覽器充當客戶端，向提供應用的服務器請求信息。

此外，也會采用消息隊列遙測傳輸 （MQTT） 來實現 M2M 連接；這是一種基于 TCP/IP 的消息傳輸協議，可用于輕量級 M2M通信。在某些設置中，多個客戶端通過 MQTT交換代理的信息。這種代理功能由接收器、網關或服務器執行。代理接受客戶端向其發布的消息；然后作為回報，客戶端可以接收它們訂閱的消息。

M2M 功能所用的另一個協議是針對工業自動化的開放式 OPC 統一架構 （OPC UA） 協議。另一個開放標準選擇是應用間用于傳遞消息的高級消息隊列協議（AMQP）。這是許多企業應用中所用的業務消息傳遞標準。而 MTConnect（由 ANSI/MTC1.4-2018定義）是一種制造標準，指定了如何在工廠設備與應用之間交換控制數據。工廠設備可以是各種裝備，也可以是工具和傳感器。MTConnect 使用標準化的組件描述，將以XML 格式提取的數據進行標準化。

盡管這不在本文的討論范圍內，也無法整齊對應到歷史性的 OSI 網絡模型，但 Amazon Web Services （AWS） IoT Core是一種正在興起的面向 M2M 和物聯網應用的托管云服務。它支持 HTTP 和 MQTT，并為數十億的現場設備與 AWS端點之間的數萬億條消息提供安全處理和路由。

M2M 通信和控制的下一個前沿領域

隨著企業享受數據接入的好處越來越多，M2M 網絡也會持續擴張。實際上，支持 M2M的硬件、軟件和網絡通信正在不斷發展，為工業和其他行業提供前所未有的功能。因此，這些 M2M網絡將繼續成為傳輸、接收和傳遞數據的有力手段；在某些情況下，也可以補充或促進物聯網的發展。