用于实现自动化机器功能的机器对机器网络

作者：Lisa Eitel

机器对机器 （M2M） 网络的核心是工业远程信息处理技术组合——由电信和信息技术组合而成，使用数据进行自动化操作。M2M网络包括传感器、控制装置和机器，无需人工参与即可进行通信。在这种网络中，机器可以在同一个设施中，也可以相隔半个地球。

有线和无线通信都可驱动 M2M功能。设备发送并收集信息，以对操作进行评估并做出实时调整。例如，污水处理厂可以在关键站点使用远程传感器，来收集有关液位、化学品比例、温度、流速和其他参数的数据。然后，这些数据通过无线网络传输到平台，以供智能控制装置收集。在需要人工对不断变化的参数进行监督和响应的情况下，一个运行专用软件的人机界面（HMI） 可能会在数字仪表板上显示系统值。在某些情况下，外设机器会通过 M2M网络上的控制器来接收来自其他机器的信号。这样便能让此类设备按照任何基于规则的预设程序进行工作。

M2M 网络与物联网 （IoT） 连接之间的区别

自动化设计提示和调节较高级别操作是一种相对较新的功能，同时取决于 M2M 和物联网技术。如需深入了解这些系统之间的差异，请阅读 DigiKey文章“物联网与 M2M 通信及其设计之间的区别”。

M2M 技术擅长监视和控制单个（某种程度上孤立的）功能。这种技术越来越多地通过采用嵌入式设备进行蜂窝通信来实现。许多 M2M都属于本机安装，并且使用一个或两个信息源。 例如，消费级 M2M
设置可能包括温控器和摄像头，它们将数据连续传输至可穿戴设备或智能手机——目的可能是提示人类操作员进行调整。唯一的数据点来自那些传感器件。

物联网意味着装置全面集成、完全互连（通常涉及机器致动和反馈），以支持复杂系统、信息源或高度自动化机器各部件之间协同操作。因此，相同的消费级设置（温控器和摄像头与集成物联网功能的智能手机进行通信）将使用来自这些反馈器件的数据点（如同M2M 设置一样），以及来自互联网的有关当地天气预报、众包社区数据、专家分析和机器学习数据库的其他数据，来通知人类操作员的响应或某种连网的自动化装置。

在工业环境中，此类物联网功能还支持预见性维护，以及使用大数据来实现企业级（业务）功能。通常，一些集中式系统会收集部分或全部过滤的机器自动化和反馈数据。然后，系统分析会生成规定的参数，以便进一步监测、调节或调整。越来越多的工厂使用大数据（有时辅以机器学习）来管理正常操作，以及需要维护或采取其他措施的有问题操作。例如，现代化天然气管道将远程泵站的数据传输到中央数据库，供控制指挥中心的人员访问；在某些情况下，这些人员可能会位于完全不同的大陆。

支持 M2M 功能的硬件类型

传感器、执行器和嵌入式逻辑器件是支持 M2M 的主要硬件类型。传感器和执行器通常由元器件制造商提供，并且内置 M2M 连接。相比之下，嵌入式 M2M模块通常由 OEM 集成到自家的器件中，用以执行特定的任务和功能——通常是将蜂窝和其他形式的连接添加至过去可能单独工作的设备。这种嵌入式 M2M
系统在运输和航空航天行业特别有用——尤其适用于船舶、飞机和长途卡车等资产上的 GPS 导航系统、联锁装置以及记录器和传感器。

M2M 软件：M2M 装置所用的软件平台取决于机器的移动性、所处环境以及要处理的数据量和类型。在 M2M软件利用云计算的情况下，它会在与远程服务器通信的硬件上运行。该服务器运行自己的软件，将信息发送给管理员，管理员随后对数据进行处理和操作。在某些情况下，支持M2M 网络的软件包括用于提供图形用户界面 （GUI） 的软件。此类 GUI可让人类工作人员访问经过滤的系统数据，这些数据通常以图形、图表和视频形式显示，而不是复杂且可能引起混淆的文本界面。

M2M 网络的适用领域

专注于诊断和维护应用：M2M 网络支持诊断和维护、机器优化，以及应用特定控制。由于 M2M
网络持续发送和接收数据，因此适用于优化制造工厂中独立设备的维护计划，并在可能需要计划外维护时发出信号。在这一点上，所连接机器的传感器可以通过云中的软件堆栈发送数据，并将这些数据聚合到另一台设备；最终提供有关设备或系统维护的信息。例如，异常温度可能表明轴需要重新润滑，或因存在机械磨损而需要更换零件。

在机场的公共和后台区域，M2M 网络从自动扶梯、自动人行道和行李搬运系统收集有关温度、振动和齿轮电机润滑油液位的信息。此外，M2M网络还在机场饮水机柜上使用传感器，来监测水流、温度、柜门的打开或关闭状态，甚至潜在的漏水情况。

机器状况图形显示：最简单的机上 M2M 状态指示器采用指示灯和数字读数的形式。但是如前所述，更先进的 M2M 系统支持GUI，以易于理解的数据格式将机器状况传达给人类。在某些情况下，机器或设备上也会提供此类显示——采用小显示器，甚至是全尺寸的HMI。在其他情况下，图形显示位于远程位置。

远程更改设置：M2M 网络收集的系统反馈数据通常会通知远程触发工作流程和资源分配。我们再次考虑一下机场示例： 来自 M2M网络的数据分析可以提示管理人员在保洁人员或旅客注意到问题并报告之前，就派遣技术人员来处理设备故障。

M2M 物理网络连接和链路

如上所述，M2M
通信是通过无线和有线方式进行。针对最简单设备的有线技术包括电力线通信和串行通信；前者是在提供交流电的同一根导线上传输数据，后者则按行业标准顺序一次传输 1位数据。更高级的 M2M 装置可能使用局域网 （LAN） 或（对于分布式和可扩展 M2M 应用）广域网 （WAN），在更远距离上进行通信和传送数据。前述之嵌入式M2M 子组件通过 WAN 和 LAN 连接，并可作为系统间或系统内元件进行通信。

系统间通信通过控制器区域网络 （CAN） 和串行外设接口 （SPI） 协议在设备之间进行。相比之下，系统内通信通常采用通用串行总线 （USB）或通用同步/异步接收器/发射器 （USART） 微芯片，通过计算机的串行端口进行，以允许设备内芯片之间的数据流传输。

当然，机器与设备之间的通信采用其他形式。点对点通信（相对于广播通信）通常支持设备各部分内的 M2M 功能。此外，远程终端单元 （RTU） 也支持 M2M连接，它通常作为电子微处理器模块出售，用来监测和控制现场设备，实现监督控制和数据采集 （SCADA） 功能。这些单元在其间用于：

将遥测格式的数据（从现场设备收集）传输到中央系统，然后

输出响应命令，发回至现场设备。

无线 M2M 通信格式：用于无线通信的 M2M 配置有很多——使用蓝牙、Wi-Fi 和 GSM 技术以及 GSM、CMDA 和 LTE蜂窝网络。无线网络带来了紧凑性和便利性，而如 LTE/5G 之类新兴基础设施标准正促使越来越多地使用蜂窝通信来实现 M2M 功能。

M2M 功能所用的应用层协议

M2M 通信主要发生在工业网络的应用层，即连接系统与用户的最顶层，因而允许设备与控制装置之间进行通信。应用编程接口 （API）也多不胜数，可用于简化这些软件和 Web 服务的编程。

在这些协议中，M2M 功能经常采用的是应用级超文本传输协议 （HTTP），该协议定义了 Web 浏览器与服务器之间的消息结构。HTTP通常与超链接及其传递至万维网的其他结构相关联。它在 M2M 应用中的功能类似，因为浏览器充当客户端，向提供应用的服务器请求信息。

此外，也会采用消息队列遥测传输 （MQTT） 来实现 M2M 连接；这是一种基于 TCP/IP 的消息传输协议，可用于轻量级 M2M通信。在某些设置中，多个客户端通过 MQTT交换代理的信息。这种代理功能由接收器、网关或服务器执行。代理接受客户端向其发布的消息；然后作为回报，客户端可以接收它们订阅的消息。

M2M 功能所用的另一个协议是针对工业自动化的开放式 OPC 统一架构 （OPC UA） 协议。另一个开放标准选择是应用间用于传递消息的高级消息队列协议（AMQP）。这是许多企业应用中所用的业务消息传递标准。而 MTConnect（由 ANSI/MTC1.4-2018定义）是一种制造标准，指定了如何在工厂设备与应用之间交换控制数据。工厂设备可以是各种装备，也可以是工具和传感器。MTConnect 使用标准化的组件描述，将以XML 格式提取的数据进行标准化。

尽管这不在本文的讨论范围内，也无法整齐对应到历史性的 OSI 网络模型，但 Amazon Web Services （AWS） IoT Core是一种正在兴起的面向 M2M 和物联网应用的托管云服务。它支持 HTTP 和 MQTT，并为数十亿的现场设备与 AWS端点之间的数万亿条消息提供安全处理和路由。

M2M 通信和控制的下一个前沿领域

随着企业享受数据接入的好处越来越多，M2M 网络也会持续扩张。实际上，支持 M2M的硬件、软件和网络通信正在不断发展，为工业和其他行业提供前所未有的功能。因此，这些 M2M网络将继续成为传输、接收和传递数据的有力手段；在某些情况下，也可以补充或促进物联网的发展。