引言

    M2M技術(shù)目前在物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、自動控制、CPS(Cyber Physical System)等領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注，是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，發(fā)展迅猛，應(yīng)用前景十分廣泛。

    首先，M2M技術(shù)提供了方便快捷的互聯(lián)網(wǎng)接入方式，且支持移動接入。利用遠(yuǎn)程無線通訊系統(tǒng)接入到互聯(lián)網(wǎng)是非常方便快捷的，且容易部署。設(shè)想一下將家里的熱水器裝上支持GPRS網(wǎng)絡(luò)的SIM卡，你就可以在下班的路上給它發(fā)短信控制其開關(guān)和溫度了。傳感器節(jié)點(diǎn)(或者傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān))也可以通過SIM卡將監(jiān)控或者感知的數(shù)據(jù)發(fā)給你，如室溫、濕度等。設(shè)想—下’如果SIM采取的是TD—SCDMA甚至是數(shù)據(jù)傳輸速度更陜的4G LTE模塊(TD—LTE下行速率lOOMhps，上行速率50Mbps)，那么甚至可以看到視頻攝像頭監(jiān)控的內(nèi)容，這無疑相當(dāng)于你具備了無數(shù)個“千里眼”遍布世界各地，你便可以“感知地球”了。甚至可以更加大膽地設(shè)想，如果你的小車裝有M2M的SIM卡，你給汽車發(fā)條短信，它就可以自動開過來接你，因?yàn)槟愕能囉行l(wèi)星導(dǎo)航，且能夠感知路前方的障礙物，小車綜合它感知的數(shù)據(jù)便可以實(shí)現(xiàn)無入駕駛。

    其次，M2M具有巨大的商機(jī)。據(jù)2012年2月的媒體報道，排名M2M通信領(lǐng)域前20位的移動運(yùn)營商有望于2020年從M2M應(yīng)用程序中斬獲250億歐元的收益。

    同時，M2M在學(xué)術(shù)界也引起更多研究者的注意。就在2011年，很多學(xué)術(shù)期刊組織了關(guān)于M2M的�？�(Special Issue)，關(guān)于M2M的專題研討會(Workshop)也非常多。

    另外值得注意的是，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(ETSI)2012年初發(fā)布了M2M標(biāo)準(zhǔn)第一版(ETSI M2M標(biāo)準(zhǔn)Release 1）。該標(biāo)準(zhǔn)允許多種M2M技術(shù)之間通過一個可管理平臺進(jìn)行整合。標(biāo)準(zhǔn)對M2M設(shè)備、接口網(wǎng)關(guān)、應(yīng)用、接入技術(shù)及M2M業(yè)務(wù)能力層進(jìn)行了定義。同時，提供了安全、流量管理、設(shè)備發(fā)現(xiàn)及生命周期管理特性。該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布被視為是M2M產(chǎn)業(yè)的一個里程碑，預(yù)示著該產(chǎn)業(yè)發(fā)展邁向規(guī)范化和規(guī)�；�。

1 M2M架構(gòu)分析

    1．1 M2M的概念、架構(gòu)與應(yīng)用

    M2M(Machine to Machine)即“機(jī)器對機(jī)器”的縮寫，廣義的概念包括“Machine to Mobile”——機(jī)器對移動設(shè)備、“Machineto Man”——“機(jī)器對入”等等，旨在實(shí)現(xiàn)入、設(shè)備、系統(tǒng)間無縫連接。可認(rèn)為是機(jī)器與機(jī)器、入與機(jī)器、移動網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器之間的連接與通信，涵蓋了所有實(shí)現(xiàn)入、機(jī)器、系統(tǒng)之間建立通信連接的技術(shù)和手段。

    M2M強(qiáng)調(diào)機(jī)器與機(jī)器的互聯(lián)，連接方式是多種多樣的。但是，由于移動通信網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線接入，終端不需要入工布線、可以提供移動性支持，有利于節(jié)約成本，并可以滿足在危險環(huán)境下的通信需求，這使得以移動通信網(wǎng)絡(luò)作為接入和承載網(wǎng)絡(luò)的M2M服務(wù)得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。正是由于上述原因，M2M通常是由電信部（移動運(yùn)營商)主導(dǎo)和推動的。M2M狹義的概念就是指通過無線移動通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣域網(wǎng)連接的設(shè)備(機(jī)器)間的通信。圖I給出了一個常見M2M系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

    我們認(rèn)為，M2M可以和EPCglobal網(wǎng)絡(luò)融合，即RFID讀寫器通過M2M連接到Internet，然后可訪問EPGglobal定義的ONS(Object Name Service)、EPCIS(EPC Information Service)等服務(wù)。M2M和6LoWPAN技術(shù)之間的區(qū)別是6LoWPAN提供了直接的Internet尋址能力，而M2M是通過在M2M服務(wù)器端的網(wǎng)關(guān)功能進(jìn)行尋址，這種尋址如同網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT，Natural Address Translation)的功能。因?yàn)榇藭rM2M不配置IP地址，只需要配置內(nèi)部標(biāo)識，即MCIM(M2M CommunicationsIdentity Module)。

圖1 M2M系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架圖

    歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會ETSI(European TelecommunicationsStandards Institute)研究的M2M相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有十多個，其中一個提出了M2M的功能體系架構(gòu)，包括定義新的功能實(shí)體與ETSI其他分支或其他標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)間的標(biāo)準(zhǔn)訪問點(diǎn)和概要級的呼叫流程。其給出的M2M的體系架構(gòu)見圖2。

    M2M技術(shù)在歐美、韓國和日本實(shí)現(xiàn)了商用。美國的Sprint公司通過ODI計劃認(rèn)證了160個廠商的M2M終端設(shè)備，這些設(shè)備被廣泛應(yīng)用到智能抄表、無線POS機(jī)、車載管理等多個行業(yè)領(lǐng)域。到2009年9月，日本國際電信電話株式會社KDDI已經(jīng)售出200萬臺M2M通信模塊，主要針對車輛管理行業(yè)和兒童定位行業(yè)。

    我國在M2M技術(shù)應(yīng)用方面。中國移動已經(jīng)開通了M2M業(yè)務(wù)，推出了“車務(wù)通”、“電梯衛(wèi)士”、“消防監(jiān)控系統(tǒng)”、“愛貝通”、“關(guān)愛通”5項(xiàng)M2M應(yīng)用。2007年起，M2M雜志每年定期發(fā)布M2M領(lǐng)域內(nèi)的全球100強(qiáng)名單的成員，獲得全球M2M業(yè)的廣泛認(rèn)可。全球M2M模塊主要供應(yīng)商有Cinterion(從西門子公司分出)、Wavecom和Teht。

圖2 ETSI M2M功能架構(gòu)中的針對機(jī)器通信的功能強(qiáng)化

    我國M2M模塊的主要供應(yīng)商是SIMCom(芯訊通)公司。2010年，該公司推出了TD—ScDMA模塊SIM4200。這是一款專為中國移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的工業(yè)級產(chǎn)品，該產(chǎn)品同時支持中國移動的wMMP協(xié)議。SIM4200是一款雙模TD—SCDMA／HsDPA，EDGE，GSM模塊，其中TD—SCDMA／HSDPA工作頻段為1880—1920MHz及2010-2025MHz。其數(shù)據(jù)傳輸能力可達(dá)到下行速度2．8Mbps，上行速度384Kbps。SIM4200采用板對板的封裝形式，支持工業(yè)應(yīng)用程序常用的USB2．0和串行端口(RS232)接口，支持語音。另外，該產(chǎn)品還支持Java二次開發(fā)應(yīng)用和嵌入了中國移動WMMP(Wireless Machine ToMachine Protoc01)協(xié)議。

    WMMP協(xié)議是中國移動為實(shí)現(xiàn)終端與M2M平臺數(shù)據(jù)通信過程而設(shè)計，建立在UDP協(xié)議之上。嵌入WMMP協(xié)議到通信模組內(nèi)，可以提供標(biāo)準(zhǔn)化的軟硬件接口以及二次應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端的標(biāo)準(zhǔn)化和快速部署。

    M2M的應(yīng)用遍布各個領(lǐng)域，包括交通領(lǐng)域(物流管理、定位導(dǎo)航、智能交通等)、電力領(lǐng)域(遠(yuǎn)程抄表和負(fù)載監(jiān)控)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域(大棚監(jiān)控、動物溯源)、城市管理(電梯監(jiān)控、路燈控制)、安全領(lǐng)域(城市和企業(yè)安防)、環(huán)保(污染監(jiān)控、水土檢測)、企業(yè)(生產(chǎn)監(jiān)控和設(shè)備管理)和家居(老入和小孩看護(hù)、智能安防)等。M2M具有巨大的市場潛力和應(yīng)用前景，是物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用支撐技術(shù)。

    特別是國內(nèi)最近提出的“車聯(lián)網(wǎng)”概念，可以應(yīng)用M2M技術(shù)，直接在車輛上安裝M2M設(shè)備，通過GPRS(TD—SCDMA、LTE)接入Internet。這個接入規(guī)模是巨大的，如果再和GPS(或者北斗系統(tǒng))功能連用，能導(dǎo)致很多新的應(yīng)用。注意。在無線網(wǎng)絡(luò)的學(xué)術(shù)界，還有一種車輛間的無線網(wǎng)絡(luò)叫做車載自組織網(wǎng)絡(luò)即VANET(Vehicular Ad-hoc Network)，這種網(wǎng)絡(luò)依賴獨(dú)立的建網(wǎng)，使用的不同的物理層協(xié)議，需要路邊單位(RoadSide Unit)的支持，已經(jīng)研究了多年，在北美討論較多，但因各國國情不同，—直沒有廣泛應(yīng)用。

    1．2 M2M的應(yīng)用實(shí)例

    在現(xiàn)有階段，M2M應(yīng)用通常依賴于GSM模塊將來國家會鼓勵更多地使用TD—SCDMA模塊。GSM模塊根據(jù)提供的傳輸速率可分為GPRS模塊、EDGE模塊和純短信模塊。短信模塊只支持語音和短信服務(wù)。GPRS的傳輸速率從56Kbps到114KbDs不等，理論速率為171Kbps。GPRS技術(shù)還具有在任何時間、任何地點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)連線、永遠(yuǎn)在線、按流量計費(fèi)等特點(diǎn)。EDGE技術(shù)進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾实?84-473Kbps。目前國內(nèi)的GSM網(wǎng)絡(luò)普遍具有GPRS通信功能，移動和聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)都支持GPRS，而EDGE在部分省市實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

    GPRS模塊是具有GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能的GSM模塊。其實(shí)就是一個精簡版的手機(jī)，如果加上屏幕和鍵盤就是一個完整的手機(jī)。單片機(jī)(如ARM機(jī))可通過RS-232串口與GPRS模塊相連，通過AT指令控制GPRS模塊實(shí)現(xiàn)通信功能。市場上比較流行的模塊包括西門子的TC35i、MC39i、MC55，Wavecom的Q24／Q26系列，大唐的B200、8255，SIMCom公司的SIM300等。對于模塊的應(yīng)用主要掌握軟件和硬件兩個方面。軟件主要是了解模塊的AT指令集，包括標(biāo)準(zhǔn)的AT指令和各廠家自己擴(kuò)展的AT指令，例如TCP／IP指令、STK指令等。硬件主要是了解該模塊的硬件接口，如串口、SIM接口等。 

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