用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化機(jī)器功能的機(jī)器對(duì)機(jī)器網(wǎng)絡(luò)

作者：Lisa Eitel

機(jī)器對(duì)機(jī)器 （M2M） 網(wǎng)絡(luò)的核心是工業(yè)遠(yuǎn)程信息處理技術(shù)組合——由電信和信息技術(shù)組合而成，使用數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化操作。M2M網(wǎng)絡(luò)包括傳感器、控制裝置和機(jī)器，無需人工參與即可進(jìn)行通信。在這種網(wǎng)絡(luò)中，機(jī)器可以在同一個(gè)設(shè)施中，也可以相隔半個(gè)地球。

有線和無線通信都可驅(qū)動(dòng) M2M功能。設(shè)備發(fā)送并收集信息，以對(duì)操作進(jìn)行評(píng)估并做出實(shí)時(shí)調(diào)整。例如，污水處理廠可以在關(guān)鍵站點(diǎn)使用遠(yuǎn)程傳感器，來收集有關(guān)液位、化學(xué)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(luò)傳輸?shù)狡脚_(tái)，以供智能控制裝置收集。在需要人工對(duì)不斷變化的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)督和響應(yīng)的情況下，一個(gè)運(yùn)行專用軟件的人機(jī)界面（HMI） 可能會(huì)在數(shù)字儀表板上顯示系統(tǒng)值。在某些情況下，外設(shè)機(jī)器會(huì)通過 M2M網(wǎng)絡(luò)上的控制器來接收來自其他機(jī)器的信號(hào)。這樣便能讓此類設(shè)備按照任何基于規(guī)則的預(yù)設(shè)程序進(jìn)行工作。

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

自動(dòng)化設(shè)計(jì)提示和調(diào)節(jié)較高級(jí)別操作是一種相對(duì)較新的功能，同時(shí)取決于 M2M 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。如需深入了解這些系統(tǒng)之間的差異，請(qǐng)閱讀 DigiKey文章“物聯(lián)網(wǎng)與 M2M 通信及其設(shè)計(jì)之間的區(qū)別”。

M2M 技術(shù)擅長(zhǎng)監(jiān)視和控制單個(gè)（某種程度上孤立的）功能。這種技術(shù)越來越多地通過采用嵌入式設(shè)備進(jìn)行蜂窩通信來實(shí)現(xiàn)。許多 M2M都屬于本機(jī)安裝，并且使用一個(gè)或兩個(gè)信息源。 例如，消費(fèi)級(jí) M2M
設(shè)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(shè)備或智能手機(jī)——目的可能是提示人類操作員進(jìn)行調(diào)整。唯一的數(shù)據(jù)點(diǎn)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(jī)器致動(dòng)和反饋），以支持復(fù)雜系統(tǒng)、信息源或高度自動(dòng)化機(jī)器各部件之間協(xié)同操作。因此，相同的消費(fèi)級(jí)設(shè)置（溫控器和攝像頭與集成物聯(lián)網(wǎng)功能的智能手機(jī)進(jìn)行通信）將使用來自這些反饋器件的數(shù)據(jù)點(diǎn)（如同M2M 設(shè)置一樣），以及來自互聯(lián)網(wǎng)的有關(guān)當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)、眾包社區(qū)數(shù)據(jù)、專家分析和機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫的其他數(shù)據(jù)，來通知人類操作員的響應(yīng)或某種連網(wǎng)的自動(dòng)化裝置。

在工業(yè)環(huán)境中，此類物聯(lián)網(wǎng)功能還支持預(yù)見性維護(hù)，以及使用大數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)（業(yè)務(wù)）功能。通常，一些集中式系統(tǒng)會(huì)收集部分或全部過濾的機(jī)器自動(dòng)化和反饋數(shù)據(jù)。然后，系統(tǒng)分析會(huì)生成規(guī)定的參數(shù)，以便進(jìn)一步監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)或調(diào)整。越來越多的工廠使用大數(shù)據(jù)（有時(shí)輔以機(jī)器學(xué)習(xí)）來管理正常操作，以及需要維護(hù)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(yuǎn)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(huì)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(nèi)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(wù)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(dú)工作的設(shè)備。這種嵌入式 M2M
系統(tǒng)在運(yùn)輸和航空航天行業(yè)特別有用——尤其適用于船舶、飛機(jī)和長(zhǎng)途卡車等資產(chǎn)上的 GPS 導(dǎo)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(tái)取決于機(jī)器的移動(dòng)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(jì)算的情況下，它會(huì)在與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信的硬件上運(yùn)行。該服務(wù)器運(yùn)行自己的軟件，將信息發(fā)送給管理員，管理員隨后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和操作。在某些情況下，支持M2M 網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜且可能引起混淆的文本界面。

M2M 網(wǎng)絡(luò)的適用領(lǐng)域

專注于診斷和維護(hù)應(yīng)用：M2M 網(wǎng)絡(luò)支持診斷和維護(hù)、機(jī)器優(yōu)化，以及應(yīng)用特定控制。由于 M2M
網(wǎng)絡(luò)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(dú)立設(shè)備的維護(hù)計(jì)劃，并在可能需要計(jì)劃外維護(hù)時(shí)發(fā)出信號(hào)。在這一點(diǎn)上，所連接機(jī)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(tái)設(shè)備；最終提供有關(guān)設(shè)備或系統(tǒng)維護(hù)的信息。例如，異常溫度可能表明軸需要重新潤(rùn)滑，或因存在機(jī)械磨損而需要更換零件。

在機(jī)場(chǎng)的公共和后臺(tái)區(qū)域，M2M 網(wǎng)絡(luò)從自動(dòng)扶梯、自動(dòng)人行道和行李搬運(yùn)系統(tǒng)收集有關(guān)溫度、振動(dòng)和齒輪電機(jī)潤(rùn)滑油液位的信息。此外，M2M網(wǎng)絡(luò)還在機(jī)場(chǎng)飲水機(jī)柜上使用傳感器，來監(jiān)測(cè)水流、溫度、柜門的打開或關(guān)閉狀態(tài)，甚至潛在的漏水情況。

機(jī)器狀況圖形顯示：最簡(jiǎn)單的機(jī)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(jìn)的 M2M 系統(tǒng)支持GUI，以易于理解的數(shù)據(jù)格式將機(jī)器狀況傳達(dá)給人類。在某些情況下，機(jī)器或設(shè)備上也會(huì)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(yuǎn)程位置。

遠(yuǎn)程更改設(shè)置：M2M 網(wǎng)絡(luò)收集的系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)通常會(huì)通知遠(yuǎn)程觸發(fā)工作流程和資源分配。我們?cè)俅慰紤]一下機(jī)場(chǎng)示例： 來自 M2M網(wǎng)絡(luò)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(bào)告之前，就派遣技術(shù)人員來處理設(shè)備故障。

M2M 物理網(wǎng)絡(luò)連接和鏈路

如上所述，M2M
通信是通過無線和有線方式進(jìn)行。針對(duì)最簡(jiǎn)單設(shè)備的有線技術(shù)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(dǎo)線上傳輸數(shù)據(jù)，后者則按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)順序一次傳輸 1位數(shù)據(jù)。更高級(jí)的 M2M 裝置可能使用局域網(wǎng) （LAN） 或（對(duì)于分布式和可擴(kuò)展 M2M 應(yīng)用）廣域網(wǎng) （WAN），在更遠(yuǎn)距離上進(jìn)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(nèi)元件進(jìn)行通信。

系統(tǒng)間通信通過控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) （CAN） 和串行外設(shè)接口 （SPI） 協(xié)議在設(shè)備之間進(jìn)行。相比之下，系統(tǒng)內(nèi)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(jì)算機(jī)的串行端口進(jìn)行，以允許設(shè)備內(nèi)芯片之間的數(shù)據(jù)流傳輸。

當(dāng)然，機(jī)器與設(shè)備之間的通信采用其他形式。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信（相對(duì)于廣播通信）通常支持設(shè)備各部分內(nèi)的 M2M 功能。此外，遠(yuǎn)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(cè)和控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)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(cè)格式的數(shù)據(jù)（從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備收集）傳輸?shù)街醒胂到y(tǒng)，然后

輸出響應(yīng)命令，發(fā)回至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

無線 M2M 通信格式：用于無線通信的 M2M 配置有很多——使用藍(lán)牙、Wi-Fi 和 GSM 技術(shù)以及 GSM、CMDA 和 LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)絡(luò)帶來了緊湊性和便利性，而如 LTE/5G 之類新興基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)正促使越來越多地使用蜂窩通信來實(shí)現(xiàn) M2M 功能。

M2M 功能所用的應(yīng)用層協(xié)議

M2M 通信主要發(fā)生在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層，即連接系統(tǒng)與用戶的最頂層，因而允許設(shè)備與控制裝置之間進(jìn)行通信。應(yīng)用編程接口 （API）也多不勝數(shù)，可用于簡(jiǎn)化這些軟件和 Web 服務(wù)的編程。

在這些協(xié)議中，M2M 功能經(jīng)常采用的是應(yīng)用級(jí)超文本傳輸協(xié)議 （HTTP），該協(xié)議定義了 Web 瀏覽器與服務(wù)器之間的消息結(jié)構(gòu)。HTTP通常與超鏈接及其傳遞至萬維網(wǎng)的其他結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)。它在 M2M 應(yīng)用中的功能類似，因?yàn)闉g覽器充當(dāng)客戶端，向提供應(yīng)用的服務(wù)器請(qǐng)求信息。

此外，也會(huì)采用消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸 （MQTT） 來實(shí)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(jí) M2M通信。在某些設(shè)置中，多個(gè)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(guān)或服務(wù)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(bào)，客戶端可以接收它們訂閱的消息。

M2M 功能所用的另一個(gè)協(xié)議是針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的開放式 OPC 統(tǒng)一架構(gòu) （OPC UA） 協(xié)議。另一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)選擇是應(yīng)用間用于傳遞消息的高級(jí)消息隊(duì)列協(xié)議（AMQP）。這是許多企業(yè)應(yīng)用中所用的業(yè)務(wù)消息傳遞標(biāo)準(zhǔn)。而 MTConnect（由 ANSI/MTC1.4-2018定義）是一種制造標(biāo)準(zhǔn)，指定了如何在工廠設(shè)備與應(yīng)用之間交換控制數(shù)據(jù)。工廠設(shè)備可以是各種裝備，也可以是工具和傳感器。MTConnect 使用標(biāo)準(zhǔn)化的組件描述，將以XML 格式提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

盡管這不在本文的討論范圍內(nèi)，也無法整齊對(duì)應(yīng)到歷史性的 OSI 網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用的托管云服務(wù)。它支持 HTTP 和 MQTT，并為數(shù)十億的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與 AWS端點(diǎn)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(gè)前沿領(lǐng)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(luò)也會(huì)持續(xù)擴(kuò)張。實(shí)際上，支持 M2M的硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(bǔ)充或促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。