物联网技术与应用开发第8章90

第8章物联网M2M第8章物联网M2M8.1M2M概述8.2M2M的应用8.3M2M的应用举例—基于嵌入式ARM处理器的M2M终端总体设计第8章物联网M2M8.1M2M概述8.1.1M2M的基本概念M2M是Machine-to-Machine/Man的简称，是一种以机器终端智能交互为核心的、网络化的应用与服务。它通过在机器内部嵌入无线通信模块，以无线通信等为接入手段，为客户提供综合的信息化解决方案，以满足客户对监控、指挥调度、数据采集和测量等方面的信息化需求。M2M根据其应用服务对象可以分为个人、家庭、行业三大类。第8章物联网M2M到底什么是M2M？从广义上说，M2M代表机器对机器(MachinetoMachine)、人对机器(MantoMachine)、机器对人(MachinetoMan)以及移动网络对机器(MobiletoMachine)之间的连接与通信，它涵盖了所有可以实现在人、机、系统之间建立通信连接的技术和手段，而更多的情况下是指非IT机器设备通过移动通信网络与其他设备或IT系统的通信。从狭义上说，M2M就是机器与机器之间通过GSM/GPRS、UMTS/HSDPA和CDMA/EVDO模块实现数据的交换。简单来说，M2M就是把所有的机器都纳入到一张通信网中，使所有的机器都智能起来。第8章物联网M2MM2M不是简单的数据在机器和机器之间的传输，更重要的是，它是机器和机器之间的一种智能化、交互式的通信。也就是说，即使人们没有实时发出信号，机器也会根据既定程序主动进行通信，并根据所得到的数据智能化地做出选择，对相关设备发出正确的指令。可以说，智能化、交互式成为了M2M有别于其他应用的典型特征，这一特征下的机器也被赋予了更多的“思想”和“智慧”。第8章物联网M2M完整的M2M产业链包括通信芯片提供商、通信模块提供商、外部硬件提供商、应用设备和软件提供商、系统集成商、M2M服务提供商、电信运营商、原始设备制造商、消费者、管理咨询提供商和测试认证提供商等。整个产业链的核心是通信芯片提供商、通信模块提供商、系统集成商、电信运营商、原始设备制造商这几个环节。通信芯片提供商、通信模块提供商、外部硬件提供商、原始设备制造提供商组成了M2M终端—M2M应用中的最基础设备。第8章物联网M2M通信芯片提供商：提供最底层的通信芯片的厂商。这类芯片往往并不是专门针对M2M应用而开发的，任何希望通过无线方式连入通信网络的机器，比如手机、笔记本，都需要这种芯片。可以说，通信芯片是整个通信设备的核心。通信模块提供商：使用通信芯片提供商提供的通信芯片，设计生产出能够嵌入在各种机器和设备上的通信模块的厂商。通信模块是M2M业务应用终端的基础，除了通信芯片以外，还包括数据端口、数据存储、微处理器、电源管理等功能。通信模块提供商往往是针对M2M业务应用而开发，因此要求通信模块能够和要安装的机器拥有一致的接口和控制协议。第8章物联网M2M外部硬件提供商：提供M2M终端除通信模块外的其他硬件设备的厂商。外部硬件包括可以进行数据转换和处理的I/O端口设备、提供网络连接的外部服务器和调制解调器、可以操控远程设备的自动控制器、在局域网内传输数据的路由器和接入点以及外部的天线、电缆、通信电源、RFID、二维码等。外部硬件虽然不是M2M终端的核心，但却是终端正常工作所必需的。原始设备制造商：M2M业务要实现机器的联网必须需要机器设备制造商的支持，因此M2M业务面向的客户首先是原始设备制造商。而通信模块与设备的接口和协议也需要模块提供商和设备制造商之间进行协商。第8章物联网M2MM2M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。第8章物联网M2M8.1.2M2M的系统架构和通信协议1．M2M的系统架构M2M产品主要由三部分构成：第一，无线终端，即特殊的行业应用终端，而不是通常的手机或笔记本电脑；第二，传输通道，从无线终端到用户端的行业应用中心之间的通道；第三，行业应用中心，也就是终端上传数据的汇聚点，对分散的行业终端进行监控。其特点是行业特征强，用户自行管理，而且可位于企业端或者托管。第8章物联网M2MM2M的系统包括M2M终端、M2M平台和应用业务。M2M的系统结构如图8.1所示。图8.1M2M的系统结构第8章物联网M2M图中各部分说明如下：1) M2M终端(1) M2M终端的功能：M2M终端基于WMMP协议，并具有接收远程M2M平台激活指令、本地故障报警、数据通信、远程升级、数据统计以及端到端的通信交互功能。(2) M2M终端的类型：主要有行业专用终端、无线调制解调器和手持设备。第8章物联网M2M行业专用终端包括终端设备(TE)和无线模块(MT，移动终端)。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。无线调制解调器具有终端管理模块功能和无线接入能力，用于在行业终端监控平台与网管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。第8章物联网M2M(3)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。第8章物联网M2M2) M2M平台(1) M2M平台的功能：为客户提供统一的M2M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。(2) M2M平台的类型：按照功能划分为通信接入模块、终端接入模块、应用接入模块、业务处理模块、数据库模块和Web模块。第8章物联网M2M①通信接入模块：可分为行业网关接入模块和GPRS接入模块。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；GPRS接入模块使用GPRS方式与M2M终端传送数据。②终端接入模块：负责M2M平台通过行业网关或GGSN与M2M终端收发协议消息的解析和处理。第8章物联网M2M③应用接入模块：实现M2M应用业务到M2M平台的接入。④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。⑤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。⑥ Web模块：提供Web方式操作维护与配置功能。第8章物联网M2M3) M2M应用业务M2M应用业务为M2M应用服务客户提供各类M2M应用服务业务，由多个M2M应用业务平台构成，主要包括个人、家庭、行业三大类M2M应用业务平台。应用业务的主要功能是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。另外，图中的短信网关：由行业网关或梦网网关组成，与短信中心等业务中心或业务网关连接，提供通信能力，负责短信等通信接续过程中的业务鉴权、黑/白名单设置、EC/SI签约关系、黑/白名单导入。行业网关产生短信等通信原始使用话单，送给BOSS计费。第8章物联网M2MUSSDC：负责建立M2M终端与M2M平台的USSD通信。GGSN：负责建立M2M终端与M2M平台的GPRS通信，提供数据路由、地址分配及必要的网间安全机制。BOSS：与短信网关、M2M平台相连，完成客户管理、业务受理、计费结算和收费功能，对EC/SI提供的业务进行数据配置和管理，支持签约关系受理功能，支持通过HTTP/FTP接口与行业网关、M2M平台、EC/SI进行签约关系以及黑/白名单等同步的功能。行业终端监控平台：M2M平台提供FTP目录，将每月统计文件存放在FTP目录，供行业终端监控平台下载，以同步M2M平台的终端管理数据。第8章物联网M2M2．M2M的通信协议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终端与M2M平台之间的通信协议进行规范。第8章物联网M2MM2M的典型通信协议使用中国移动提出的无线机器管理协议(WirelessMachineManagementProtocol，WMMP)。WMMP是为实现行业终端与M2M平台数据通信过程而设计的，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之上。WMMP协议栈结构如图8.2所示。第8章物联网M2M图8.2WMMP协议栈结构第8章物联网M2M由于GPRS网络带宽较窄，延迟较大，M2M不适于采用TCP进行通信。采用UDP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。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，从而可提高通信效率及可靠性。第8章物联网M2MWMMP协议通信方式有长连接和短连接两种。长连接是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。短连接是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。第8章物联网M2M长连接和短连接的比较如表8-1所示。WMMP的流程如下：① M2M终端序列号的注册和分配；② M2M终端登录系统；③ M2M终端退出系统；④ M2M连接检查；⑤终端上线失败错误状态上报；⑥ M2M终端按照M2M平台的要求上报采集数据、告警数据或统计数据，以及向M2M平台请求配置数据；⑦ M2M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；⑧ M2M终端软件的远程升级。第8章物联网M2M项目长连接短连接维持、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，当心跳包发出且超过时间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表8-1长连接和短连接的比较第8章物联网M2MWMMP是为实现M2M业务中M2M终端与M2M平台之间、M2M终端之间、M2M平台与M2M应用业务之间的数据通信过程而设计的应用层协议，其体系如图8.3所示。第8章物联网M2M图8.3WMMP体系第8章物联网M2MWMMP由M2M平台与M2M终端接口协议(WMMP-T)和M2M平台与M2M应用接口协议(WMMP-A)两部分组成。WMMP-T完成M2M平台与M2M终端之间的数据通信，以及M2M终端之间借助M2M平台转发、路由所实现的端到端数据通信。WMMP-A完成M2M平台与M2M应用业务之间的数据通信，以及M2M终端与M2M应用业务之间借助M2M平台转发、路由所实现的端到端数据通信。第8章物联网M2MWMMP的核心是其可扩展的协议栈及报文结构，而在其外层是由WMMP核心衍生的接入方式无关的通信机制和安全机制。在此基础之上，由内向外依次为WMMP的M2M终端管理功能和WMMP的M2M应用扩展功能。第8章物联网M2M8.1.3M2M的支撑技术1．M2M系统的关键支撑技术M2M系统结构中涉及五个重要的支撑技术：机器、M2M硬件、通信网络、中间件和应用，如图8.4所示。图8.4M2M系统的关键支撑技术第8