用于實現(xiàn)自動化機器功能的機器對機器網(wǎng)絡

作者：Lisa Eitel

機器對機器 （M2M） 網(wǎng)絡的核心是工業(yè)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(shù)據(jù)進行自動化操作。M2M網(wǎng)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(wǎng)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(fā)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(shù)的數(shù)據(jù)。然后，這些數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)狡脚_，以供智能控制裝置收集。在需要人工對不斷變化的參數(shù)進行監(jiān)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(shù)字儀表板上顯示系統(tǒng)值。在某些情況下，外設機器會通過 M2M網(wǎng)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(guī)則的預設程序進行工作。

M2M 網(wǎng)絡與物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 連接之間的區(qū)別

自動化設計提示和調節(jié)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(lián)網(wǎng)技術。如需深入了解這些系統(tǒng)之間的差異，請閱讀 DigiKey文章“物聯(lián)網(wǎng)與 M2M 通信及其設計之間的區(qū)別”。

M2M 技術擅長監(jiān)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(xiàn)。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(shù)據(jù)連續(xù)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(shù)據(jù)點來自那些傳感器件。

物聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)、信息源或高度自動化機器各部件之間協(xié)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(lián)網(wǎng)功能的智能手機進行通信）將使用來自這些反饋器件的數(shù)據(jù)點（如同M2M 設置一樣），以及來自互聯(lián)網(wǎng)的有關當?shù)靥鞖忸A報、眾包社區(qū)數(shù)據(jù)、專家分析和機器學習數(shù)據(jù)庫的其他數(shù)據(jù)，來通知人類操作員的響應或某種連網(wǎng)的自動化裝置。

在工業(yè)環(huán)境中，此類物聯(lián)網(wǎng)功能還支持預見性維護，以及使用大數(shù)據(jù)來實現(xiàn)企業(yè)級（業(yè)務）功能。通常，一些集中式系統(tǒng)會收集部分或全部過濾的機器自動化和反饋數(shù)據(jù)。然后，系統(tǒng)分析會生成規(guī)定的參數(shù)，以便進一步監(jiān)測、調節(jié)或調整。越來越多的工廠使用大數(shù)據(jù)（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(xiàn)代化天然氣管道將遠程泵站的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)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(zhí)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(zhí)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(zhí)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(tǒng)在運輸和航空航天行業(yè)特別有用——尤其適用于船舶、飛機和長途卡車等資產(chǎn)上的 GPS 導航系統(tǒng)、聯(lián)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(huán)境以及要處理的數(shù)據(jù)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(fā)送給管理員，管理員隨后對數(shù)據(jù)進行處理和操作。在某些情況下，支持M2M 網(wǎng)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(jīng)過濾的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)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(wǎng)絡的適用領域

專注于診斷和維護應用：M2M 網(wǎng)絡支持診斷和維護、機器優(yōu)化，以及應用特定控制。由于 M2M
網(wǎng)絡持續(xù)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，因此適用于優(yōu)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(fā)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(fā)送數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)聚合到另一臺設備；最終提供有關設備或系統(tǒng)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(qū)域，M2M 網(wǎng)絡從自動扶梯、自動人行道和行李搬運系統(tǒng)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(wǎng)絡還在機場飲水機柜上使用傳感器，來監(jiān)測水流、溫度、柜門的打開或關閉狀態(tài)，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(tài)指示器采用指示燈和數(shù)字讀數(shù)的形式。但是如前所述，更先進的 M2M 系統(tǒng)支持GUI，以易于理解的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡收集的系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)通常會通知遠程觸發(fā)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(wǎng)絡的數(shù)據(jù)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(wǎng)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(shù)據(jù)，后者則按行業(yè)標準順序一次傳輸 1位數(shù)據(jù)。更高級的 M2M 裝置可能使用局域網(wǎng) （LAN） 或（對于分布式和可擴展 M2M 應用）廣域網(wǎng) （WAN），在更遠距離上進行通信和傳送數(shù)據(jù)。前述之嵌入式M2M 子組件通過 WAN 和 LAN 連接，并可作為系統(tǒng)間或系統(tǒng)內元件進行通信。

系統(tǒng)間通信通過控制器區(qū)域網(wǎng)絡 （CAN） 和串行外設接口 （SPI） 協(xié)議在設備之間進行。相比之下，系統(tǒng)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(fā)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(shù)據(jù)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(jiān)測和控制現(xiàn)場設備，實現(xiàn)監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集 （SCADA） 功能。這些單元在其間用于：

將遙測格式的數(shù)據(jù)（從現(xiàn)場設備收集）傳輸?shù)街醒胂到y(tǒng)，然后

輸出響應命令，發(fā)回至現(xiàn)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(wǎng)絡。無線網(wǎng)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(xiàn) M2M 功能。

M2M 功能所用的應用層協(xié)議

M2M 通信主要發(fā)生在工業(yè)網(wǎng)絡的應用層，即連接系統(tǒng)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(shù)，可用于簡化這些軟件和 Web 服務的編程。

在這些協(xié)議中，M2M 功能經(jīng)常采用的是應用級超文本傳輸協(xié)議 （HTTP），該協(xié)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(wǎng)的其他結構相關聯(lián)。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(xiàn) M2M 連接；這是一種基于 TCP/IP 的消息傳輸協(xié)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(wǎng)關或服務器執(zhí)行。代理接受客戶端向其發(fā)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(xié)議是針對工業(yè)自動化的開放式 OPC 統(tǒng)一架構 （OPC UA） 協(xié)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(xié)議（AMQP）。這是許多企業(yè)應用中所用的業(yè)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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)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(wǎng)絡模型，但 Amazon Web Services （AWS） IoT Core是一種正在興起的面向 M2M 和物聯(lián)網(wǎng)應用的托管云服務。它支持 HTTP 和 MQTT，并為數(shù)十億的現(xiàn)場設備與 AWS端點之間的數(shù)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(yè)享受數(shù)據(jù)接入的好處越來越多，M2M 網(wǎng)絡也會持續(xù)擴張。實際上，支持 M2M的硬件、軟件和網(wǎng)絡通信正在不斷發(fā)展，為工業(yè)和其他行業(yè)提供前所未有的功能。因此，這些 M2M網(wǎng)絡將繼續(xù)成為傳輸、接收和傳遞數(shù)據(jù)的有力手段；在某些情況下，也可以補充或促進物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。