物联网业务及应用

第6章物联网业务及应用M2M业务6.1云计算6.26.3物联网应用小结6.4物联网典型应用6.1M2M业务6.1.1M2M概述6.1.2M2M系统架构和通信协议6.1.3M2M支撑技术6.1.4M2M业务应用6.1.5M2M发展现状6.1.1M2M概述M2M是现阶段物联网最普遍的应用形式，是实现物联网的第一步。未来的物联网将是由无数个M2M系统构成，不同的M2M系统会负责不同的功能处理，通过中央处理单元协同运作，最终组成智能化的社会系统。概述M2M的全称是机器对机器（Machine-to-Machine），提供了设备实时数据在系统之间、远程设备之间、机器与人之间建立无线连接的简单手段，实现人与机器、机器与机器之间畅通无阻、随时随地的通信。本节内容体系先介绍M2M的系统结构，包括M2M终端、M2M管理平台和应用系统然后介绍M2M的典型通信协议—无线机器管理协议（WMMP）进而对M2M的关键支撑技术和业务应用领域进行介绍并给出了一个M2M的应用实例—基于GPRS无线网络的远程自动雨量监测网络最后分析M2M的产业和标准发展现状以及面临的问题6.1.2M2M系统架构和通信协议M2M业务流程涉及众多环节，其数据通信过程内部也涉及多个业务系统包括•M2M终端•M2M管理平台•应用系统具体系统结构M2M终端具有的功能•接收远程M2M平台激活指令•本地故障报警•数据通信•远程升级•使用短消息/彩信/GPRS等几种接口通信协议与M2M平台进行通信终端设备（TE）:主要完成行业数字模拟量的采集和转化无线模块（MT，移动终端）:主要完成数据传输、终端状态检测、链路检测及系统通信功能行业专用终端无线调制解调器:又称为无线模块，具有终端管理模块功能和无线接入能力。用于在行业监控终端与系统间无线收发数据手持设备:通常具有查询M2M终端设备状态、远程监控行业作业现场和处理办公文件等功能。M2M终端类型终端管理模块终端管理模块为软件模块，可以位于TE或MT设备中，主要负责维护和管理通信及应用功能，为应用层提供安全可靠和可管理的通信服务。•M2M管理平台为客户提供统一的移动行业终端管理、终端设备鉴权•支持多种网络接入方式，提供标准化的接口使得数据传输简单直接•提供数据路由、监控、用户鉴权、内容计费等管理功能M2M管理平台的功能GPRS接入模块:使用GPRS方式与M2M终端传送数据行业网关接入模块:负责完成行业网关的接入，通过行业网关完成与短信网关、彩信网关的接入，最终完成与M2M终端的通信通信接入模块终端接入模块:负责M2M平台系统通过行业网关或GGSN与M2M终端收发协议消息的解析和处理数据库模块:保存各类配置数据、终端信息、集团客户（EC）信息、签约信息和黑/白名单、业务数据、信息安全信息、业务故障信息等应用接入模块:实现M2M应用系统到M2M平台的接入业务处理模块:是M2M平台的核心业务处理引擎，实现M2M平台系统的业务消息的集中处理和控制Web模块:提供Web方式操作维护与配置功能M2M平台(按照功能划分)M2M终端获得了信息以后，本身并不处理这些信息，而是将这些信息集中到应用平台上来，由应用系统来实现业务逻辑。应用系统应用系统的主要功能把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务M2M终端可通过GSM、WCDMA、TD-SCDMA等不同的移动通信网络接入，通信方式包括短信、彩信等。为了屏蔽不同的通信网络、不同的通信方式的差异性，便于M2M终端设备快速接入M2M系统，需要对M2M终端设备与M2M管理平台之间的通信协议进行规范。通信协议M2M的典型通信协议中国移动提出的无线机器管理协议（WirelessMachineManagementProtocol，WMMP）WMMP协议为实现行业终端与M2M平台数据通信过程而设计，属于与具体通信网络及通信接入方式无关的应用层协议，建立在UDP协议之上WMMP协议栈结构图6-2WMMP协议栈结构采用UDP协议传输？由于GPRS网络带宽较窄，延迟较大，不适于采用TCP协议进行通信。采用UDP协议无连接方式传输，其优点是效率高、流量小、节省网络带宽资源，缺点是没有确认机制，有可能引起丢包。采用UDP协议传输？根据实际经验发现，通过在UDP的上层应用层协议实现类似TCP的包确认和重传机制，采用UDP方式传输，丢包率能控制在1%以下，从而提高通信效率及可靠性。WMMP协议通信方式•长连接，指在一个过程中可以连续发送多个数据包，如果没有数据包发送，需要行业终端发送心跳包以维持此连接•短连接，指通信双方有数据交互时，就建立一个WMMP过程，数据发送完成后，则断开此WMMP过程长连接和短连接的比较长连接短连接维持、监测链路的手段心跳包不需要心跳包来维持链路，但M2M终端仍然需要通过心跳包告知M2M平台它的运行状态，以便进行监控和故障报警操作流程通信双方以客户/服务器方式建立WMMP过程，用于双方信息的相互提交。当信道上没有数据传输时，M2M终端应每隔时间C发送心跳包以维持此连接，当心跳包发出超过时间T后未收到响应，应立即再发送心跳包，再连续发送N-1次后仍未得到响应则结束此过程唯一的区别在于平台并非通过心跳包来判断终端链路的存在，而是判断终端是否处于工作状态。M2M终端平时处于下线状态，当本地由于数据需要传输或达到定时上线时间等类似策略时，行业终端作为客户端以客户/服务器方式建立WMMP过程参数配置参数C、T、N原则上应可配置参数T、N原则上应可配置应用范围长时间一直在线的企业不需要一直在线的企业应用WMMP协议主要实现的功能和流程•M2M终端序列号的注册和分配•M2M终端登录系统•M2M终端退出系统•M2M连接检查•终端上线失败错误状态上报•M2M终端按照M2M管理平台的要求上报采集数据、告警数据或统计数据，以及向M2M管理平台请求配置数据•M2M管理平台从M2M终端提取所需的数据，或向终端下发控制命令和配置信息•M2M终端软件的远程升级6.1.3M2M支撑技术M2M系统结构中涉及5个重要的支撑技术，如图6-3所示。图6-3M2M系统的关键支撑技术机器（Machines）实现M2M的第一步就是从机器/设备中获得数据，然后把它们通过网络发送出去。不同于传统通信网络中的终端，M2M系统中的机器应该是高度智能化的机器。机器高度智能化即机器具有“开口说话”的能力•信息感知•信息加工（计算能力）•无线通信能力机器高度智能化实现方法•生产设备的时候嵌入M2M硬件•对已有机器进行改装，使其具备与其他M2M终端通信/组网能力M2M硬件是使机器获得远程通信和联网能力的部件。在M2M系统中，M2M硬件的功能主要是进行信息的提取，从各种机器/设备那里获取数据，并传送到通信网络中M2M硬件产品•嵌入式硬件•可改装硬件•调制解调器（Modem）•传感器•识别标识（LocationTags）通信网络通信网络在整个M2M技术框架中处于核心地位，包括广域网（无线移动通信网络、卫星通信网络、Internet、公众电话网）、局域网（以太网、WLAN、Bluetooth）、个域网（ZigBee、传感器网络）中间件（Middleware）•M2M网关•数据收集/集成部件M2M网关是M2M系统中的“翻译员”，它获取来自通信网络的数据，将数据传送给信息处理系统，主要的功能是完成不同通信协议之间的转换。数据收集/集成部件目的是将数据变成有价值的信息。对原始数据进行不同加工和处理，并将结果呈现给需要这些信息的观察者和决策者。这些中间件包括：数据分析和商业智能部件、异常情况报告和工作流程部件、数据仓库和存储部件等。应用在M2M系统中，应用的主要功能是通过数据融合、数据挖掘等技术把感知和传输来的信息进行分析和处理，为决策和控制提供依据，实现智能化的M2M业务应用和服务。6.1.4M2M业务应用从狭义上说，M2M只代表机器和机器之间的通信。我们认为M2M的范围不应拘泥于此，而是应该扩展到人对机器、机器对人、移动网络对机器之间的连接与通信。M2M应用领域现在，M2M应用遍及电力、交通、工业控制、零售、公共事业管理、医疗、水利、石油等多个行业，以及车辆防盗、安全监测、自动售货、机械维修、公共交通管理等日常生活当中。电力行业无线应用——电力抄表GPRS数据传输--流量监测系统应用M2M应用实例M2M在气象监测领域的一个应用实例—基于GPRS无线网络的远程自动雨量监测网络远程自动雨量监测网络自动雨量站数据通信网络（有线和无线两种方式）数据中心工作站局地计算机网络自动雨量站作为系统的端站安装于各个观测点。无线自动雨量站•传感器单元•单片机系统•GPRS数据终端单元有线自动雨量站•传感器单元•单片机系统•局地微机系统数据通信网络(无线)自动雨量采集设备有多个，它们用各自的GPRS数据终端将数据打成IP包，经GPRS空中接口接入无线GPRS网络，由移动服务商转接到Internet，最终通过各种网关和路由到达统一的数据处理中心工作站。数据通信网络(无线)GPRS终端向数据业务中心发送数据是间断性发送，可以根据需要调整发送数据的频率，这在一定程度上也降低了无线信息传输费用。无线网络设计过程中的关键问题如何进行气象信息采集单元与GPRS终端的连接如何根据具体无线网络情况合理设置如何进行数据打包发送并在数据中心工作站实现接收数据通信网络(有线)有线雨量站中通过单片机把传感器获得的雨量信息用串行通信的方式送到局地微型机算机，计算机首先把数据进行处理和编码，然后通过互联网把数据信息送到有固定IP的数据业务中心站数据处理中心工作站整个网络系统的主控部分，由一台主服务器和三台数据处理服务器组成。主服务器在公网上有固定的IP地址，三台数据服务器通过集线器与主服务器联网。6.1.5M2M发展现状•M2M产业发展现状•M2M标准化现状M2M产业发展现状•国内主要由中移动、电信和联通，应用领域涉及电力、水利、交通、金融、气象等行业•国外Vodafone目前在M2M市场是全球第一，提供M2M全球服务平台以及应用业务，为企业客户的M2M智能服务部署提供托管，能够集中控制和管理许多国家推出的M2M设备，企业客户还可通过广泛的无线智能设备收集有用的客户数据M2M标准化现状技术标准制定主要是在：•欧洲电信标准协会（EuropeanTelecommunicationStandardsInstitute，ETSI）•3GPP国内主要是在：•中国通信标准化协会（CCSA）的泛在网技术委员会（TC10）ETSI的M2M标准化进展ETSI专门成立了一个专项小组（M2MTC）以研究如何对快速成长的M2M技术进行标准化ETSIM2MTC的主要研究目标从端到端的全景角度研究机器对机器通信，并与ETSI内NGN的研究及3GPP已有的研究进行协同工作ETSIM2MTC的职责从利益相关方收集和制定M2M业务及运营需求；建立一个端到端的M2M高层体系架构（如果需要会制定详细的体系结构）；找出现有标准不能满足需求的地方并制定相应的具体标准；将现有的组件或子系统映射到M2M体系结构中；M2M解决方案间的互操作性（制定测试标准）；硬件接口标准化方面的考虑；与其他标准化组织进行交流及合作ETSIM2MTC目前的研究工作①M2M业务需求（TS102689）：定义M2M业务应用对通信系统的需求，以及M2M的典型应用场景。②M2M功能架构（TS102690）：定义M2M业务应用的功能架构以及相关的呼叫会话流程。③智能电表（SmartMetering）的应用场景（TS102691）：智能电表的应用场景和相关技术问题。④电子卫生保健（eHealth）的应用场景（TS102732）：电子医疗的应用场景和相关技术问题。⑤消费者连接（ConnectedConsumers）的应用场景（TS102857）：消费者连接的应用场景和相关技术问题。⑥M2M定义（TS102725）：M2M相关的定义和名词术语。3GPP的M2M标准化进展•3GPP针对M2M的研究主要从移动网络出发，研究M2M