物联网技术-第5章-M2M技术

1、 概述 M2M的体系结构，协议，内容 M2M应用3 1 2 M2M前景和挑战 4 目录 5.1 概述 上世纪90年代中后期，随着各种信息通 讯手段的发展，加之地球上各类设备的不断增加， 人们开始越来越多的关注于如何对设备和资产进 行有效监视和控制，甚至如何用设备控制设备 “M2M”理念由此起源。 什么是M2M uM2MM2M是现阶段物联网最普遍的应用形式，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。是实现物联网的第一步。 u 未来的物联网将是由无数个未来的物联网将是由无数个M2MM2M系统构系统构 成，不同的成，不同的M2MM2M系统会负责不同的功能处理，系统会负责不同的功能处理，

2、 通过中央处理单元协同运作，最终组成智能通过中央处理单元协同运作，最终组成智能 化的社会系统化的社会系统。 相关概念 M2MM2M 传感网传感网物联网物联网泛在网络泛在网络 智慧地球智慧地球 应用层 通信对象 网络层 传感器+ +近距离无线通信 （低速、低功耗） 传感器网+ +近距离无线通信 RFIDRFID、二维码 近距离中高速通信 内置移动通信模块各种终端 传感器网+ +近距离无线通信 RFIDRFID、二维码 近距离中高速通信 内置移动通信模块各种终端 通信终端：手机、上网卡等 物-物 物-物 人-物 物-物 人-物 人-人 不包括 一个或几个网络 初期：传输 后期：融合，协同 多网络、

3、多技术 异构协同智能： 跨技术、跨网络、 跨行业、跨应用 末端网/ /终端 基础网络 什么是M2M M2MM2M表达的是多种不同类型的通信技术有机表达的是多种不同类型的通信技术有机 的结合在一起的结合在一起 机器对机器（机器对机器（Machine to MachineMachine to Machine） 人对机器（人对机器（Man to MachineMan to Machine） 机器对人（机器对人（Machine to ManMachine to Man） 移动网络对机器（移动网络对机器（Mobile to MachineMobile to Machine） M2MM2M让机器，设备，应

4、用处理过程与后台信息系让机器，设备，应用处理过程与后台信息系 统共享信息，并与操作者共享信息。统共享信息，并与操作者共享信息。 什么是M2M M2MM2M（Machine/Man-to-Machine/ManMachine/Man-to-Machine/Man） 是一种以机器智能交互为核心的、网络化的应是一种以机器智能交互为核心的、网络化的应 用与服务。用与服务。 简单地说，简单地说，M2MM2M是指机器之间的互联互通。是指机器之间的互联互通。 M2M M2M 技术使所有机器设备都具备连网和通信能技术使所有机器设备都具备连网和通信能 力，它让机器、人与系统之间实现超时空的无力，它让机器、人与系

5、统之间实现超时空的无 缝连接。缝连接。 M2MM2M通信技术综合了通信和网络技术，将遍布通信技术综合了通信和网络技术，将遍布 在日常生产生活中的机器设备连接成网络，使在日常生产生活中的机器设备连接成网络，使 这些设备变得更加这些设备变得更加“智能智能”，从而可以创造出，从而可以创造出 丰富的应用，给人们的日常生活、工业生产等丰富的应用，给人们的日常生活、工业生产等 带来新一轮的变革。带来新一轮的变革。 M2M示意图 什么是M2M M2MM2M（Machine to MachineMachine to Machine）机器与机器之间）机器与机器之间 自动的数据交换。自动的数据交换。 包括传统意义

6、上的机器，如汽车、自动售货机等包括传统意义上的机器，如汽车、自动售货机等 也包括虚拟意义上的机器，如软件等也包括虚拟意义上的机器，如软件等 基于通用通信网络实现的机器与机器之间的基于通用通信网络实现的机器与机器之间的 “交流交流”引出了所谓引出了所谓“物联网物联网”的概念，其的概念，其 设想是：设想是： 在未来机器与机器之间能够通过通信媒 介，像人与人之间一样进行交流，并且 这种交流是自主的、具有一定智能的 （European Telecommunication Standards Institute, ETSI） （Third Generation Partnership Project，3

7、GPP） （China Communications Standards Association CCSA） 研究M2M的 各大标准 化组织 欧洲电信 标准协会 第三代协作 项目组织 中国通信标 准化协会 ETSI M2M 通信功能体系架构 标准化组织项目内容 3GPP标准化工作 3GPP FS_M2M 这个项目是这个项目是3GPP 3GPP 针对针对M2M M2M 通信进行的可行性研究报告，由通信进行的可行性研究报告，由SA1 SA1 负负 责相关研究工作。研究报告责相关研究工作。研究报告3GPP 3GPP 系统中支持系统中支持M2MM2M通信的可行性研通信的可行性研 究究于于2005 20

8、05 年年9 9 月立项，月立项，2007 2007 年年3 3 月完成月完成 NIMTC 重点研究支持机器类型通信对移动通信网络的增强要求，包括对重点研究支持机器类型通信对移动通信网络的增强要求，包括对 GSMGSM、UTRANUTRAN、EUTRAN EUTRAN 的增强要求，以及对的增强要求，以及对GPRSGPRS，EPC EPC 等核心网络等核心网络 的增强要求的增强要求 FS_MTCe 支持机器类型通信的增强研究是计划在支持机器类型通信的增强研究是计划在R11 R11 阶段立项的新研究项目。阶段立项的新研究项目。 主要负责研究支持位于不同主要负责研究支持位于不同PLMN PLMN 域

9、的域的MTC MTC 设备之间的通信的网络设备之间的通信的网络 优化技术。此项目的研究需要与优化技术。此项目的研究需要与ETSITCM2METSITCM2M中的相关研究保持协同。中的相关研究保持协同。 FS_AMTC 本研究项目旨在寻找本研究项目旨在寻找E.164 E.164 的替代，的替代， 用于标识机器类型终端以及用于标识机器类型终端以及 终端之间的路由消息，终端之间的路由消息， 是是R11 R11 阶段新立项的研究课题，阶段新立项的研究课题， 已于已于2010 2010 年年2 2月启动。月启动。 SIMTC 支持机器类型通信的系统增强研究，此为支持机器类型通信的系统增强研究，此为R11

10、 R11 阶段的新研究课题。阶段的新研究课题。 在在FS_MTCe FS_MTCe 项目的基础上，研究项目的基础上，研究R10 R10 阶段阶段NIMTC NIMTC 的解决方案的增强的解决方案的增强 型版本。型版本。 项目 (1) TC5WG7 完成了移动M2M 业务研究报告，描述了M2M 的典型应用、 分析了M2M 的商业模式、业务特征以及流量模型，给出了M2M 业务标 准化的建议。 (2) TC5WG9 于2010 年立项的支持M2M 通信的移动网络技术研究， 任 务是跟踪3GPP 的研究进展，结合国内需求， 研究M2M通信对RAN 和核 心网络的影响及其优化方案等。 (3) TC10W

11、G2M2M 业务总体技术要求， 定义M2M业务概念、描述M2M 场景和业务需求、系统架构、接口以及计费认证等要求。 (4) TC10WG2M2M通信应用协议技术要求，规定M2M通信系统中端到 端的协议技术要求。 CCSA 标 准化工作 各个组织对M2M的理解均不 同，M2M也没有统一的标准。除了， ETSI,3GPP等标准化组织推进M2M 标准化的进程之外，也有一些运营 商制定相关的一些标准。 5.2 M2M的体系结 构、协议、内容 机器 应用 中间件 M2M终端通信网络 M2M系统构架 具体系统结构 接收远程接收远程M2MM2M平台激活指令平台激活指令 本地故障报警本地故障报警 数据通信数据

12、通信 远程升级远程升级 使用短消息使用短消息/ /彩信彩信/GPRS/GPRS等几种接口通信协等几种接口通信协 议与议与M2MM2M平台进行通信平台进行通信 终端设备（终端设备（TE）: 主要完成行业数字模拟量的采集和转主要完成行业数字模拟量的采集和转 化化 无线模块（无线模块（MT，移动终端），移动终端）: 主要完成数据传输、终主要完成数据传输、终 端状态检测、链路检测及系统通信功能端状态检测、链路检测及系统通信功能 行业专用终端行业专用终端 无线调制解调器无线调制解调器:又称为无线模块，具有终端管理模块功能和无线接入能力。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

13、终端与系统间无线收发数据用于在行业监控终端与系统间无线收发数据 手持设备手持设备:通常具有查询通常具有查询M2MM2M终端设备状态、远程监控行业作业现场和处理办终端设备状态、远程监控行业作业现场和处理办 公文件等功能公文件等功能 。 终端管理模块终端管理模块为为软件模块软件模块，可以位于可以位于TETE 或或MTMT设备中，主要负责维护和管理通信设备中，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及应用功能，为应用层提供安全可靠和 可管理的通信服务可管理的通信服务。 M2MM2M管理平台为客户提供统一的移动行业终管理平台为客户提供统一的移动行业终 端管理、终端设备鉴权端管理、终端

14、设备鉴权 支持多种网络接入方式，提供标准化的接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、内容计提供数据路由、监控、用户鉴权、内容计 费等管理功能费等管理功能 GPRS接入模块接入模块: 使用使用GPRS方式与方式与M2M终端传送数据终端传送数据 行业网关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终端的通信终端的通信 通信接入模块通信接入模块 终端接入模块终端接入模块: 负责

15、负责M2M平台系统通过行业网关或平台系统通过行业网关或GGSN与与M2M终端收发终端收发 协议消息的解析和处理协议消息的解析和处理 数据库模块数据库模块: 保存各类配置数据、终端信息、集团客户（保存各类配置数据、终端信息、集团客户（EC）信息、签）信息、签 约信息和黑约信息和黑/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 应用接入模块应用接入模块: 实现实现M2M应用系统到应用系统到M2M平台的接入平台的接入 业务处理模块业务处理模块: 是是M2M平台的核心业务处理引擎，实现平台的核心业务处理引擎，实现M2M平台系统的平台系统的 业务消息的集中

16、处理和控制业务消息的集中处理和控制 Web模块模块: 提供提供Web方式操作维护与配置功能方式操作维护与配置功能 M2MM2M终端获得了信息以后，本身并不处理这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上来，由应用系统来实现业务逻辑。 把把感知和传输来的信息进行分析和处理，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，实现智能化的管做出正确的控制和决策，实现智能化的管 理、应用和服务理、应用和服务 M2MM2M系统结构的特点与影响 1.1.多数性多数性 设备的数量在数量级上的增加将导致

17、应用程设备的数量在数量级上的增加将导致应用程 序结构和网络负载的压力序结构和网络负载的压力 移动网络在设计时并没有考虑这些移动网络在设计时并没有考虑这些M2MM2M设备设备 2.2.多样性多样性 M2MM2M应用程序的实现导致了大量有多种需求的应用程序的实现导致了大量有多种需求的 设备的出现。设备的出现。 带来异构性，对互操作能力是一大挑战带来异构性，对互操作能力是一大挑战 3.3.不可见性不可见性 设备必须很少或不需要人的控制，这就要求设备必须很少或不需要人的控制，这就要求 设备管理被无缝地集成到服务和网络管理中。设备管理被无缝地集成到服务和网络管理中。 M2M系统结构的特点与影响 4.4.

18、临界性临界性 一些应用（如智能电网上的电压、生命保一些应用（如智能电网上的电压、生命保 障系统等）在延迟和可靠性上有严格要求，障系统等）在延迟和可靠性上有严格要求， 这将挑战和超越现代网络的能力这将挑战和超越现代网络的能力 5.5.隐私问题隐私问题 设备管理被集成到通信系统中，意味着对设备管理被集成到通信系统中，意味着对 于设备上数据的隐私问题和安全问题成为于设备上数据的隐私问题和安全问题成为 人们关注的问题之一人们关注的问题之一 从技术层面看，各环节发展现状及主要难点各不相同 1.现状：能满足部分应用 短距离为主，嵌入式基本实现， 功耗有待改进，目前能满足部 分应用 2.难点：技术标准及成本

19、成为障 碍 技术协议和标准存在多种，且 各有优劣，目前处于混战 由于技术的发展不足以支撑终 端成本的下降，成本成为重要 障碍因素 3.热点：业内关注ZigBee和RFID ZigBee功耗低，成本低50美分， 组网方便，但缺乏安全规范及 完善的标准 RFID成本高，无源单向，未来 重点研究超高频和有源RFID， 推向民用 应用域网络域终端域 1.基础网络层面：能够支撑 从带宽、网络结构方面， 基本能够支撑。未来对 于流量的增加应如何合 理利用带宽和网络资源 成为业内关注热点 2.业务网络层面： 支撑层从垂直向水平融 合存在不足，需要搭建 水平分层业务网络体系 目前IP资源的紧缺 1.借助云计算

20、等新的运算处理 系统来处理信息和辅助决策 2.复杂的应用层语言环境、内 容管理等要求 1.传感网和通信网的无缝连接 2.统一的协议栈 1.上下文感知技术 2.信息和数据集成处理技术 终端及网络的融合网络与应用的融合 M2M技术组成 M2MM2M涉及到涉及到5 5个重要的技术部分，包括：个重要的技术部分，包括： 智能化机器智能化机器 M2MM2M硬件硬件 通信网络通信网络 中间件中间件 应用应用 1.智能化机器 实现实现M2MM2M的第一步就是从机器的第一步就是从机器/ /设备中获取设备中获取 数据，然后把它们通过网络发送出去。使数据，然后把它们通过网络发送出去。使 机器机器“开口说话开口说话”

21、，让机器具备信息感知，让机器具备信息感知 能力、信息加工（计算能力）、无线通信能力、信息加工（计算能力）、无线通信 能力。能力。 使机器具备使机器具备“说话说话”能力的基本方法有两能力的基本方法有两 种：种： 生产设备的时候嵌入生产设备的时候嵌入M2MM2M硬件硬件 对已有机器或设备进行改装，使其具有通信能对已有机器或设备进行改装，使其具有通信能 力力 M2M设备的特征 1.1.功能受限功能受限 大多数大多数M2MM2M设备的计算、存储能力要比目前出设备的计算、存储能力要比目前出 现的笔记本电脑或手机低几个数量级现的笔记本电脑或手机低几个数量级 2.2.低功率低功率 多数位于室外，不能轻易与电

22、源相连多数位于室外，不能轻易与电源相连 这将减少这将减少M2MM2M程序之间的交互次数程序之间的交互次数 3.3.嵌入式嵌入式 部署后很难改变部署后很难改变 4.4.保持不变保持不变 设备更换率低设备更换率低 2.M2M硬件 M2MM2M硬件是使机器获得远程通信和联网功能硬件是使机器获得远程通信和联网功能 的部件。主要用于进行信息的提取，从各的部件。主要用于进行信息的提取，从各 种机器设备那里获取数据，并传到通信网种机器设备那里获取数据，并传到通信网 络。络。 现在的现在的M2MM2M硬件共分为硬件共分为5 5种：种： 嵌入式硬件：嵌入到机器中，使其具有网络通嵌入式硬件：嵌入到机器中，使其具有

23、网络通 信功能。常见的产品是支持信功能。常见的产品是支持GSM/GPRSGSM/GPRS或或CDMACDMA无无 线移动通信网络的无线嵌入数据模块。线移动通信网络的无线嵌入数据模块。 可组装硬件：在可组装硬件：在M2MM2M的工业应用中，厂商拥有的工业应用中，厂商拥有 大量不具备大量不具备M2MM2M通信和联网能力的机器，可组通信和联网能力的机器，可组 装硬件就是为满足这些机器的网络通信能力而装硬件就是为满足这些机器的网络通信能力而 设计的。包括从传感器收集数据的设计的。包括从传感器收集数据的I/OI/O设备，设备， 将数据发送到通信网络的连接终端，有些将数据发送到通信网络的连接终端，有些M2

24、MM2M 硬件还具备回控功能。硬件还具备回控功能。 调制解调器：嵌入式模块要将数据传送到移动调制解调器：嵌入式模块要将数据传送到移动 通信网路，起到的就是调制解调器的作用。如通信网路，起到的就是调制解调器的作用。如 果要将数据通过公用电话网络或以太网送出，果要将数据通过公用电话网络或以太网送出， 则需要相应的则需要相应的ModemModem。 智能传感器：具有感知能力、计算能力和通信智能传感器：具有感知能力、计算能力和通信 能力的微型传感器。由智能传感器组成的传感能力的微型传感器。由智能传感器组成的传感 网络是网络是M2MM2M技术的重要组成部分。一组具备通技术的重要组成部分。一组具备通 信能

25、力的智能传感器以信能力的智能传感器以Ad HocAd Hoc方式构成无线网方式构成无线网 络，协作感知、采集和处理网络覆盖的地理区络，协作感知、采集和处理网络覆盖的地理区 域中感知对象的信息并发布给观察者；也可以域中感知对象的信息并发布给观察者；也可以 通过通过GSMGSM网络或卫星通信网络将信息传给网络或卫星通信网络将信息传给ITIT系系 统。统。 识别标识：如同每个机器，每个商品的识别标识：如同每个机器，每个商品的“身份身份 证证”，使机器之间可以相互识别和区分。常用，使机器之间可以相互识别和区分。常用 的技术包括条形码技术，的技术包括条形码技术，RFIDRFID技术等。技术等。 3.通信

26、网络 将信息传送到目的地。通信网络在将信息传送到目的地。通信网络在M2MM2M技术技术 中处于核心地位。包括：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、广域网（无线移动通信网络、卫星通信网络、 InternetInternet、公众电话网等）、公众电话网等） 局域网（以太网、无线局域网、局域网（以太网、无线局域网、BluetoothBluetooth） 个域网（个域网（ZigBeeZigBee、传感器网络）、传感器网络） 4.中间件 中间件包括两部分中间件包括两部分 M2MM2M网关：是网关：是M2MM2M系统中的翻译员，它获取来自系统中的翻译员，它获取来自 通信网络的数

27、据，将数据传输给信息处理系统。通信网络的数据，将数据传输给信息处理系统。 其主要功能是完成不同通信协议之间的转换其主要功能是完成不同通信协议之间的转换 数据收集数据收集/ /集成部件：此部件是为了将数据变集成部件：此部件是为了将数据变 成有价值的信息。对原始数据进行不同加工和成有价值的信息。对原始数据进行不同加工和 处理，并将结果呈现给这些信息的观察者和决处理，并将结果呈现给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。库和存储部件等。 5

28、.应用 在在M2MM2M系统中，应用的主要功能是通系统中，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，实现智能化的制提供依据，实现智能化的M2MM2M业务应用和业务应用和 服务。服务。 传感器及其 网络技术 通信网络技 术 专用芯片、 模块、终端 技术 M2M平台技 术 它们之间的结合技术 实现M2M主要涉及的关键技术 IPv4地址正 在急速消耗 ，预计将于 2011年底告 罄 。 M2M技术的出 现，使得数 以亿计的M2M 设备接入进 网络 。 IPv6采用

29、128 位地址长度 ，几乎可以 不受限制地 提供地址。 设备众多地址耗尽解决方法 IPv6技术是M2M通信网络的重中之重 可以说IPv6构筑M2M的基础。 管理流业 务流并行 模式 M2M应用模式 管理流业 务流分离 模式 WMMP(Wireless M2M Protocol)协议是为 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应用平台 之间的数据通信过程而设计的应用层协议 。 描述了M2M终端的基 本要求 规定了WMMP协议对 M2M终端的要求 提出了M2M终端的性 能要求和安全性要求 5.3 M2M应用 为了解决各行业需求，M2M的业务 模型由三部分组

30、成：行业终端、移动通信 网络、M2M应用平台。 目前全球M2M应用主要集中于三大行业和三大领域 公共事业公共事业/ /服服 务务 交通运输交通运输 个人用户个人用户 批发零售批发零售 工业工业/ /制造业制造业 商业商业/ /服务业服务业 农业农业 开采开采/ /建筑建筑 金融金融 定位/跟踪/ 导航 安全/监控 移动支付及 管理 自动化和远 程管理 计量/检测远程医疗 重点应用重点应用 日韩一直以推动个人业务为核心，公共事业刚刚起步以支撑U-Japan和U-Korea计划 系统由监护终端设备和无线专用传感器节点构成了 一个微型监护网络。医疗传感器节点用来测量各种人体生 理指标。传感器节点将采集到的数据，通过无线通信方式 将数据发送至监护终端设备，再由监护终端上的通信装置 将数据传输至服务器终端设备上，由专业医护人员对数据 进行观察，提供必要的咨询服务和医疗指导，实现远程医 疗。 数据采集部分管理及业务平台传输部分 负责采集 电表数据 传输数据 的通道 管理及应 用 无线抄表系统 无线通信网络技术 信息采集技术 数据库管理技术 智能