工业领域中无线M2M方案的应用

发布时间：2009-10-16 作者：Scott Barkley

        如今越来越多的行业将移动M2M运用到其业务中，包括在全球运输路线中追踪原材料和制成品、管理现场的移动资源以及监控敏感设备或生产环境等。
        M2M是机器－机器的简称，意指一个远程的移动或固定机器与后端IT基础架构之间的数据交换。数据的自动传输可以是双向的：向上是从现场的传感器中采集信息，向下则是从一个集中控制中心广播指令、更新配置或者监控设备。
        M2M最早是用于遥测领域，可以实现远程测量并将性能数据报告给系统操作人员。在过去，只有财力雄厚的大型组织才能够用得起遥测系统，通过专用数据网络来进行使用。如今的M2M则可以让更多人能够实现远程数据采集和控制。技术、小型化和技术性能的改进，及通信网络的发展，再加上IT系统在全社会的加速推广，使得如今所有工业领域的组织都能使用无线M2M。
        一个典型的M2M系统主要有这些关键组成部分：一组能够将通过各种传感器采集到的数据自动发射出去的设备，一个将这些设备连接到一个电脑服务器的通信链路，一个用来存储所获数据的数据库，和一个分析、报道并执行数据的软件界面。
        M2M看起来似乎比较沉闷 － 那些监控器会定时地醒来，发送一些零星的数据然后继续休眠。据Frost & Sullivan表示，每月无线运营商从这些应用中获得的收入可能只有几美金，只有语音服务收入的1/10，但M2M设备的数量却是语音用户数量的10倍。
        据分析公司Berg Insight预测，到2011年北美地区连接到蜂窝式网络的设备数量将达到6600万台，高出2006年的900万部利用蜂窝和卫星的设备。Harbor Research公司则表示如今全球有1.1亿部M2M设备在使用中，在一个“设备互联网”中互相通信。
        分析师和业内人士表示M2M已经到了一个转折点，将转向更快的发展。具有多年蜂窝M2M行业研究经验的ABI Research公司分析师Sam Lucero表示，在未来几年里M2M行业将以25％的年增长率增长，而其服务的收入则将从去年的20亿美元增长到2012年的80亿美元。
        工厂环境中的无线M2M
        在如今的M2M技术领域，增长很快的一项新型收入是实时维修、管理和工业场所控制带来的收入。很多制造行业的公司都在利用这项技术，来以有限的人力永久监控境外工厂的组装线和设备，提高服务生产力。
        比如，建筑机械和仓储物流系统的制造商，以及打印机和复印机的制造商都采用了M2M。那些将设备暂时租用给客户的供应商需要定期不断地对其设备进行监控。比如，将设备租借或赊货给客户的机械制造企业就面临着要满足不断变化的市场需求的压力。
        客户需要的是最佳的服务和产品可用性，并期望全天候的服务。新的付费方式，例如按次收费等，正给机械制造商带来越来越大的压力。安全、准确和实时的数据是在这一业务领域取得成功的关键因素。这样的付费方式必然会被施工方或者建筑公司等最终用户所接受。他们将不需要花钱去购买这些机器，而是可以租用或按次付费，并且还能从设备租出方那里获得高枕无忧的维修服务。
        在工业领域中，要控制低成本并使机器以最佳效率运行，就必须在故障发生之前获得正确的信息。服务人员必须提前获悉相关的维修要求。为机器提供正确的材料有利于物流成本控制和环境保护。电子系统在曾经纯机械的工业领域的进一步渗透，为各种M2M服务进入该领域铺平了道路。

        一个典型的无线网络

        Aberdeen Group在其2007年度报告《智能设备对消费者和业务的影响》中列举了M2M的几个优势：更高的客户稳定度，更长的机械运行时间，服务收入和利润的增加，服务相应速度的提高，以及维修和分派技工数量的减少。
        在工业领域对于M2M的关注有两点：
        首先，工厂的专家将利用M2M方案来监控其自有设备和车间的主要参数，以便能尽早发现设备故障的信号，避免会带来重大经济损失的二次损坏。诊断程序可以分析潜在趋势，并采取预先措施来避免意外的机器故障和更长的停工时间。M2M监控实时运行的能力将加快工厂解决问题的速度，不再需要让机器供应商服务人员来厂维修或中断生产。
        第二，随着全球竞争的加剧，M2M成为制造设备分销商提供新型产品和服务的保护伞。在未来几年里，采用一个增值型服务模式将成为设备制造商突出自己产品的关键因素。因此，和产品配套的新型智能服务将降低停工时间，提高收益，而更重要的是，能够让商家和客户都高枕无忧。机器运作的效率和可靠性也将提高，安全性能会得到加强，环境条件能得到改进，而消费者也将拥有更多选择，新的收入亦将随之而来。
        M2M通信给人的第一印象似乎和传统的工业控制不一样。M2M系统一般有相对自主的“节点”，能够彼此协作形成一个聚合网络。单个节点可以添加到网络中或者从网络中移除，而不会影响其它接点的运行，对系统的整体性能也没有危害。相比之下，工业控制系统的节点则一般是互相依赖的：要确保整个系统正常工作，所有接点都必须保持运行。
        这两种通信的架构也是不同的。大部分工业系统都有一个集中的控制单元，负责发出所有指令节点，并作为所有节点间数据交换的中继点。M2M虽然也有这种结构，但也能在节点间进行点对点通信，以便实时交换相关数据。
        地理位置也是让M2M和传统工业控制不同的一个因素。工业控制系统一般把所有节点都布置在同一个地方，例如一栋建筑或者厂房里。而M2M系统则没有这样的限制。通信信道的选择可能会带来分隔限制，但整个应用却没有局限。M2M系统经常可以不受地域限制，其包含的设备可以分布全球。
        M2M系统一般还具有移动性。其设备无需永久安置于同一地点，运行时位置也不需要固定。与传统的工业控制相反的是，无论某个应用的数据源是固定的还是移动的，M2M系统都能适用。此外，在不需要移动性的应用中，一般要求便携性。这样一个M2M系统中的设备可以自由重置，而不会影响系统的整体架构或工作。
        那么，M2M系统应用的第一个难题就是选择最好的链路。这取决于很多因素，包括通信的覆盖区域，机器所要求的移动性以及基础设备资源的可用性。为了实现连接，有线和无线通信技术都可以使用，而且还经常互相竞争。最简单的无线连接就是标准的无线信道，例如Wi-Fi, 蓝牙或Zigbee，这些无线信道都已经有了很多模块供应商，而且不需要网络服务提供商的参与。
        但是，这些无线信道都是短程通信系统，通信距离不到100米。因此，使用这些无线技术的应用就只能局限于相对较小的地理范围内，例如一个工厂或仓库，尽管其中的设备可能是在这个范围内可以移动的。为了增强服务的延续性，各个领域的公司目前都在利用蜂窝式全球移动通信系统（GSM）的优势，并采用M2M通信来提高生产力、运行效率并改进客户服务。
        这种应用的增长主要是由于GSM在M2M领域的广泛流行而推动的。从GSM到EDGE和UMTS再到HSDPA，GSM有一个清晰的发展路线，并且具有移动性、普遍性、跨越国界和标准化等优势。在汽车等要求移动性的应用中，无线通信是唯一的选择。而对于固定的设备，无线方案也能提供更快的速度，成本也更低，因为它不需要建筑工程或者安装有线设备就可以使设备互连。另外，GPRS连接的永久“在线”功能是有效远程监控的关键，速度比传统的关键数据传输方法要快好几倍。
        阻碍M2M推广的壁垒正在逐渐消弱。就在几年前，连接位于一个国家内的1000台机器可能还有管理上的难度。而如果要扩大到25个国家的50万台机器，每个国家又有不同的GSM通信运营商，那肯定会更加复杂。管理全球的机器运行必须得到大大简化：如今，基于互联网的软件方案可以让你看到现场设备各方面的性能，让设备管理者能够对每个设备采取即时措施。现在厂家可以很好地组织其稳定的工业级应用，这样还能实现规模经济。
        对于制造商来说，一旦你决定了要将GSM通信功能集成到你的产品中，假设你的产品被销往多国，你的生产线就必须维持不同的流程以确保所有SIM卡都插入到正确的设备，而且所有的产品都能达到指定国家。利用一个全球通用的M2M SIM卡，结合恰当的国际服务计划，就可以使大规模产品的生产和分销变得更简单。自动运转是另一个能够增强M2M通信业务的因素。有了这一功能，可通信的设备就能在闲置时保持待机状态，直到通电后自动激活。此时无线通信费用才开始产生，而且都是由客户来承担的，而不是应用开发公司或者制造商。
        SIM卡用于M2M领域的方式也在改变。人们对于GSM设备和SIM卡的期望就是设备和服务定制可以彼此独立。所以，SIM卡是可以拔除的。另外，手机中的SIM卡一般寿命较短，常常只有几年时间。但是，M2M应用里的情况是不一样的。在M2M应用中，由于SIM卡从未被拔出，设备和SIM卡寿命超过10年都是很正常的。而且，这个寿命还有可能是在苛刻的工业和汽车环境中的极端温度、湿度或振荡条件下实现的。这些要求不适合于采用传统材料制成的传统SIM卡。
        嵌入式SIM技术可以解决这一难题。这种SIM卡和由塑料包装并置于卡套中的SIM卡不同，而是采用普通的封装（例如QFN 44），就相当于焊接到电路板上的另一块芯片。这种SIM卡的厂家不需要用人力将SIM卡从卡套中取出并插入到设备，而是可以采用工业用的抓放机器将SIM卡集成到其产品中。这样可以降低成本并减少错误，因为整个设备在组装到测试的过程中不需要任何人力操作。

        几乎所有的M2M设备制造商都希望能在给客户供货之前在工厂测试他们的产品。当然这是消除无用产品的最好方式。如果他们的产品是通过蜂窝网络来通信，就只有激活无线服务来进行完整的测试。而一旦激活了无线服务，就会开始产生服务费用。如今，新的M2M服务提供商都提供免费的工厂测试。由于他们的业务全都聚焦在M2M业务上，这些公司已经将工厂测试纳入了他们的服务计划中。
        最后，即便是在客户那里，情况也会变化，变得非常简单而灵活。在M2M服务提供商的协助下你可以将整个激活流程自动化，而不需要再人工联系通信提供商进行激活和锁闭。终端客户每次收到的产品都是可以直接工作的。其SIM卡标识符和费率计划已经预先装载到网络控制中心，从而不需要任何人力跟踪工作。
        一个绝佳的挑战
        M2M技术正在改变人们与其固定资产、资源和雇员之间的关系。选择并利用M2M模式的人们将能获得巨大的优势，而传统的制造商和行业仍在努力理解这一技术。在这种模式下，业务能与技术相结合，构成一个信息、知识和行动的无缝网络。它的基础框架是由内部信息透明化所推动的，可以为厂家和客户带来预先型服务，降低停工期，提高利润并最终使双方都高枕无忧。从这一点来看，将有一批新的商家将从这一业务中获得成功。他们的方案的性能将成为决定性因素。
        作者： Scott Barkley
        Jasper Wireless公司