物联网与M2M通信电路设计方案对比,谁更方便?
发布时间:2020-01-22
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物联网与M2M通信电路设计方案对比,谁更方便?
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机对机 (M2M) 通信和物联网 (IoT) 虽有所关联,却是两种不同概念,不过往往作为同义词使用。这就导致人们对二者各自的特性、功能及其设计和实施要求有所误解,甚至不解。

本文阐释了二者的区别,分别对两种技术进行举例说明,并以 Multi-Tech Systems、FreeWave Technologies、Hirschmann 和 B+B SmartWorx 的设计解决方案为例,对比了 M2M 与物联网系统的独特差异。此外,本文还介绍了无线 (OTA) 更新和多级安全性等 M2M 新功能;这些功能有助于增强网络功能,降低准入门槛。最后,本文指导设计人员选择合适的 M2M 流量套餐以降低数据通信成本。

M2M 与物联网的区别
尽管 M2M 和物联网技术都涉及数据共享及建立数据传输链接,但二者仍有所不同:物联网是连接互联网的设备网络,而 M2M 是指两个或多个电子系统(或机器、设备)之间的自动通信技术。以 M2M 点对点或点对多点连接的机器或设备,可以是传感器、致动器、嵌入式系统或其他连接元素。

请务必注意,在“物联网”一词诞生之前,甚至 20 世纪 90 年代中期商业互联网出现之前,M2M 就已存在。M2M 起源于 20 世纪初的遥测应用,继双向无线电通信问世后出现。不过,20 世纪 90 年代推出的首个数字蜂窝网络 GSM,促使 M2M 通信进入全新的发展阶段。

大约十年后,物联网才出现,并通过基于开放 IP 的网络成为主要连接工具。自此,这两种独特通信技术之间的界限逐渐变得模糊。为了明确两者之间的差异,借助示例应用(本文中为心率传感器),可有效说明 M2M 和物联网模型的应用方式。

如需将监测患者心率的传感器连接至外部设备或医疗级服务器,使医生了解患者的健康状况,则可通过 M2M 应用来实现。相反,若将心率传感器集成到患者周遭的交互式设备中,并向患者主治医生或家庭成员的智能手机发送报警信息,则属于物联网范畴。

M2M 应用可采用有线、无线和蜂窝连接机制,包括电表自动抄表、交通信号灯智能连接,以及基于监视摄像头的家庭安全和辅助生活。正是凭借网络技术,M2M 通信才开始融入相关物联网设计。

物联网如何补足 M2M
就广义而言,进入物联网时代后,M2M 通信迈向了新阶段。作为物联网的关联技术,同样迅猛发展的物联网相关连接技术和解决方案均可为 M2M 所用,尤其是无线方面。例如,Multi-Tech Systems 的 MTC-H5-B01-US-EU-GB MultiConnect Cell 100 系列蜂窝调制解调器,同时支持 M2M 和物联网应用(图 1)。


图 1:Multi-Tech Systems 的 MTC-H5-B01-US-EU-GB 蜂窝调制解调器(左),专为 M2M 应用设计,也可用于物联网服务。(图片来源:Telit)

这款蜂窝调制解调器支持 GSM、4G 网络(Cat 4 和 Cat-M1),可用于过程自动化、紧急服务、远程患者监护、可再生能源系统,以及列尾装置系统管理等 M2M 应用。

Cell 100 系列调制解调器提供多种接口选项,包括 RS-232 和 USB 串行接口,可满足广泛的应用需求。该硬件由 MultiTech Connection Manager 提供支持;这款软件包可以自动检测 USB 和串行设备,下载所需驱动程序,并确保正确映射通信端口以建立 M2M 连接。

供应商利用高度集成的连接性开发低功耗物联网解决方案,同时也促进紧凑型 M2M 无线电的发展,以提供各种电压输入和网络配置。

FreeWave Technologies 的 MM2 系列 900 MHz 射频模块就是典型范例。该模块可在点对点和点对多点网络拓扑中作为端点。射频前端模块整合了砷化镓 (GaAs) FET 和多级表面声波 (SAW) 滤波功能,藉此提高灵敏度和抗过载能力。数据速率可选:115.2 kbps 或 153.6 kbps。

MM2 系列的典型规格:输出功率为 1 W,输入灵敏度为 -108 dBm,射频范围可达 20 mi。该范围定义了清晰视距。

M2M 安全性和可靠性
M2M 和物联网设计中均需注意安全性和可靠性,但是由于 M2M 应用通常不涉及人机交互,这两点就显得更为重要。事实上,对于广泛覆盖的 M2M 网络而言,安全性和可靠性是关键障碍。

针对有线应用,借助 Hirschmann 的 RS20/RS30 工业 DIN 导轨以太网交换机,工程师可以根据可靠性需求配置 M2M 网络。RS20 交换机提供 4 至 25 个快速以太网端口,以确保极高的容错能力(图 2)。同样,该公司的 RS30 交换机具有 8 至 24 个端口,包括 2 个千兆位以太网端口和 8、16 或 24 个快速以太网端口。


图 2:Hirschmann 的 RS20 以太网交换机提供 4 至 25 个快速以太网端口,以最大限度地减少故障。(图片来源:Hirschmann)

快速以太网端口和千兆位以太网端口可单独定义,使 M2M 设计人员可以根据特定设计要求选择冗余协议和安全机制。

在注重可靠性的 M2M 应用中,鉴于支持媒体冗余协议 (MRP) 和多生成树协议 (MSTP) 等标准,可确保网络可用性较高。此外,这款工业以太网交换机还支持多种安全机制,包括 IP 和 MAC 端口安全性、SNMP V3、SSHv2 和 802.1x 多客户端身份验证。

针对无线应用,B+B SmartWorx 的 AirborneM2M 以太网路由器和网桥提供单串口和双串口两种型号,以提高 M2M 应用的可靠性(图 3)。B+B SmartWorx 的双串口设备可在 2.4 GHz 和 5 GHz 频段上建立 Wi-Fi 连接。因此,若 2.4 GHz 频段因无线通信活动过多而拥挤不堪,则 M2M 路由器和网桥可切换至 5 GHz 频段以保持数据传输畅通。


图 3:借助高度安全的 Wi-Fi 网桥和路由器,通过以太网或串行链路连接 M2M 设备的示意图。(图片来源:B+B SmartWorx)

此外,AirborneM2M 网络设备还集成了多级安全方法:无线安全性通过 802.11i/WPA2 企业级认证;网络安全性通过可扩展身份验证协议 (EAP) 认证。

这款 M2M 设备提供安全外壳协议 (SSH) 公钥身份验证和完全加密的数据隧道,藉此提高网络安全性。另外,就设备而言,这款 M2M 路由器和网桥具有多级加密功能以保护配置数据。

在使用蜂窝连接的 M2M 服务中,常常将安全性和身份验证纳入 LTE 标准。在物理安全性方面,eSIM 卡直接焊接到电路板上,因而篡改和移除 SIM 卡的不当使用情况几乎不可能发生。

M2M 应用中的 SIM 卡将我们带入最后一个主题:M2M 流量套餐及相关选择和使用问题。

M2M 流量套餐
由于所有主要移动运营商都针对 M2M 服务推出了流量套餐和资费套餐,因此 M2M 设计人员和用户可能拥有大量选择。不过,评估各种套餐时须考量一些关键标准,例如应用的定制程度。

此外,某些附属运营商专门提供 M2M 服务,通常称作移动虚拟网络运营商 (MVNO)。这些移动运营商通过无线 (OTA) 服务提供远程 M2M 连接和管理。

然而,与手机使用的传统 SIM 卡不同,专业运营商提供的 M2M SIM 卡可为用户提供流量使用控制及其他功能(例如活动监控和 SIM 卡锁定)。此外,借助隧道网络功能,可将这些 SIM 卡连接至特定应用服务器。

另一方面,某些专业 M2M 运营商的套餐既包含流量套餐,也提供调制解调器和网关等其他 M2M 设备,藉此可轻松构建完整的 M2M 应用。这些 M2M 运营商往往是独立运营商,其网络覆盖范围根据 M2M 应用需求而定。

例如,医疗监护服务可能只需单个蜂窝网络覆盖就已足够,但卡车运输车队则需要覆盖面更广的移动网络。此外,M2M 用户应确保服务提供商具有故障排除能力,能够执行实时远程排故。

流量套餐等级
最后,论及 M2M 数据传输的成本及流量套餐的经济性时,应用的性质相当重要。例如,无线收银机 (PoS) 和停车计时器等 M2M 应用只是间或传输较小的数据包,因此相比按设备付费或固定流量套餐,按使用付费更为合理。

此外,对于自动抄表、资产和车辆跟踪,以及安全警报系统等 M2M 应用,每月 50 KB 到 3 MB 的小流量套餐就已足够。另一方面,M2M 中流量套餐(每月 5 MB 到 150 MB)适用于自动售货、零售和医疗应用(图 4)。


图 4:不存在所谓“一刀切”式 M2M 流量套餐。(图片来源:Data2Go Wireless)

数字标牌、用于工业监控的 PLC 和智能楼宇管理等应用,则可选择大流量套餐。流量范围从 300 MB 到 4 GB,常用于要求实时远程访问以传输大文件或内容流的 M2M 设备。

另外,更有 M2M 流量范围从 8 GB 到 100 GB 的超大流量套餐,常用于需要全天候 M2M 连接以传输大量数据的设备。通常,这类 M2M 应用包括用于资产管理的备份和冗余链路以及视频监视系统。

此外,还有一些 M2M 流量套餐允许用户累计多张 SIM 卡的流量使用情况。因此,即使一台 M2M 设备超出套餐流量范围,也可使用另一台连接设备的剩余流量抵消。而且,根据应用和运营商的不同,这些流量套餐还为用户提供不同的连接技术以供选择:GPRS、2G、3G 和 LTE 4G 数据管道。

总结
深入研究 M2M 和物联网通信这两种相互关联的技术,即可发现二者在网络架构和实现要求方面截然不同,但是射频模块、调制解调器、交换机、路由器和网关等许多构件却为二者所共用。蜂窝连接及相关流量套餐正是这两种联网技术的另一共同点。

不管怎样,了解这些共性对于明确 M2M 与物联网系统之间的界限极为重要,因为在工业自动化设计时,可藉此有效考量安全性、连接可用性和可靠性、接口选项以及射频稳定性方面的需求。

 

 

文章来源digkey

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