《物联网技术与应用开发》课件第8章.ppt

1、第第8章章 物联网物联网M2M 8.1M2M概述8.2 M2M的应用8.3 M2M的应用举例基于嵌入式ARM处理器的M2M终端总体设计8.1M2M概述概述8.1.1M2M的基本概念的基本概念M2M是Machine-to-Machine/Man的简称，是一种以机器终端智能交互为核心的、网络化的应用与服务。它通过在机器内部嵌入无线通信模块，以无线通信等为接入手段，为客户提供综合的信息化解决方案，以满足客户对监控、指挥调度、数据采集和测量等方面的信息化需求。M2M根据其应用服务对象可以分为个人、家庭、行业三大类。到底什么是M2M？从广义上说，M2M代表机器对机器(Machine to Machine

2、)、人对机器(Man to Machine)、机器对人(Machine to Man)以及移动网络对机器(Mobile to Machine)之间的连接与通信，它涵盖了所有可以实现在人、机、系统之间建立通信连接的技术和手段，而更多的情况下是指非IT机器设备通过移动通信网络与其他设备或IT系统的通信。从狭义上说，M2M就是机器与机器之间通过GSM/GPRS、UMTS/HSDPA和CDMA/EVDO模块实现数据的交换。简单来说，M2M就是把所有的机器都纳入到一张通信网中，使所有的机器都智能起来。M2M不是简单的数据在机器和机器之间的传输，更重要的是，它是机器和机器之间的一种智能化、交互式的通信。也

3、就是说，即使人们没有实时发出信号，机器也会根据既定程序主动进行通信，并根据所得到的数据智能化地做出选择，对相关设备发出正确的指令。可以说，智能化、交互式成为了M2M有别于其他应用的典型特征，这一特征下的机器也被赋予了更多的“思想”和“智慧”。完整的M2M产业链包括通信芯片提供商、通信模块提供商、外部硬件提供商、应用设备和软件提供商、系统集成商、M2M服务提供商、电信运营商、原始设备制造商、消费者、管理咨询提供商和测试认证提供商等。整个产业链的核心是通信芯片提供商、通信模块提供商、系统集成商、电信运营商、原始设备制造商这几个环节。通信芯片提供商、通信模块提供商、外部硬件提供商、原始设备制造提供商

4、组成了M2M终端M2M应用中的最基础设备。通信芯片提供商：提供最底层的通信芯片的厂商。这类芯片往往并不是专门针对M2M应用而开发的，任何希望通过无线方式连入通信网络的机器，比如手机、笔记本，都需要这种芯片。可以说，通信芯片是整个通信设备的核心。通信模块提供商：使用通信芯片提供商提供的通信芯片，设计生产出能够嵌入在各种机器和设备上的通信模块的厂商。通信模块是M2M业务应用终端的基础，除了通信芯片以外，还包括数据端口、数据存储、微处理器、电源管理等功能。通信模块提供商往往是针对M2M业务应用而开发，因此要求通信模块能够和要安装的机器拥有一致的接口和控制协议。外部硬件提供商：提供M2M 终端除通信模

5、块外的其他硬件设备的厂商。外部硬件包括可以进行数据转换和处理的I/O端口设备、提供网络连接的外部服务器和调制解调器、可以操控远程设备的自动控制器、在局域网内传输数据的路由器和接入点以及外部的天线、电缆、通信电源、RFID、二维码等。外部硬件虽然不是M2M 终端的核心，但却是终端正常工作所必需的。原始设备制造商：M2M业务要实现机器的联网必须需要机器设备制造商的支持，因此M2M 业务面向的客户首先是原始设备制造商。而通信模块与设备的接口和协议也需要模块提供商和设备制造商之间进行协商。M2M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。未来的物联网将是由无数个M2M系统构成，不同的M2M系

6、统会负责不同的功能处理，通过中央处理单元协同运作，最终组成智能化的社会系统。8.1.2M2M的系统架构和通信协议的系统架构和通信协议1M2M的系统架构M2M产品主要由三部分构成：第一，无线终端，即特殊的行业应用终端，而不是通常的手机或笔记本电脑；第二，传输通道，从无线终端到用户端的行业应用中心之间的通道；第三，行业应用中心，也就是终端上传数据的汇聚点，对分散的行业终端进行监控。其特点是行业特征强，用户自行管理，而且可位于企业端或者托管。M2M的系统包括M2M终端、M2M平台和应用业务。M2M的系统结构如图8.1所示。图8.1 M2M的系统结构图中各部分说明如下：1)M2M终端(1)M2M终端的

7、功能：M2M终端基于WMMP协议，并具有接收远程M2M平台激活指令、本地故障报警、数据通信、远程升级、数据统计以及端到端的通信交互功能。(2)M2M终端的类型：主要有行业专用终端、无线调制解调器和手持设备。行业专用终端包括终端设备(TE)和无线模块(MT，移动终端)。终端设备(TE)主要完成行业数字模拟量的采集和转化，无线模块主要完成数据传输、终端状态检测、链路检测及系统通信功能。无线调制解调器具有终端管理模块功能和无线接入能力，用于在行业终端监控平台与网管系统间无线收发数据。手持设备通常具有查询M2M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。(3)终端管理模块：为软件模块，可以

8、位于TE或MT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可管理的通信服务。2)M2M平台(1)M2M平台的功能：为客户提供统一的M2M终端管理、终端设备鉴权；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；提供数据路由、监控、用户鉴权、内容计费等管理功能。(2)M2M平台的类型：按照功能划分为通信接入模块、终端接入模块、应用接入模块、业务处理模块、数据库模块和Web模块。通信接入模块：可分为行业网关接入模块和GPRS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；GPRS接入模块使用GP

9、RS方式与M2M终端传送数据。终端接入模块：负责M2M平台通过行业网关或GGSN与M2M终端收发协议消息的解析和处理。应用接入模块：实现M2M应用业务到M2M平台的接入。业务处理模块：是M2M平台的核心业务处理引擎，实现M2M平台系统的业务消息的集中处理和控制。数据库模块：保存各类配置数据、终端信息、集团客户(EC)信息、签约信息和黑/白名单、业务数据、信息安全信息、业务故障信息等。Web模块：提供Web方式操作维护与配置功能。3)M2M应用业务M2M应用业务为M2M应用服务客户提供各类M2M应用服务业务，由多个M2M应用业务平台构成，主要包括个人、家庭、行业三大类M2M应用业务平台。应用业务

10、的主要功能是把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，实现智能化的管理、应用和服务。另外，图中的短信网关：由行业网关或梦网网关组成，与短信中心等业务中心或业务网关连接，提供通信能力，负责短信等通信接续过程中的业务鉴权、黑/白名单设置、EC/SI签约关系、黑/白名单导入。行业网关产生短信等通信原始使用话单，送给BOSS计费。USSDC：负责建立M2M终端与M2M平台的USSD通信。GGSN：负责建立M2M终端与M2M平台的GPRS通信，提供数据路由、地址分配及必要的网间安全机制。BOSS：与短信网关、M2M平台相连，完成客户管理、业务受理、计费结算和收费功能，对EC/SI提供的业

11、务进行数据配置和管理，支持签约关系受理功能，支持通过HTTP/FTP接口与行业网关、M2M平台、EC/SI进行签约关系以及黑/白名单等同步的功能。行业终端监控平台：M2M平台提供FTP目录，将每月统计文件存放在FTP目录，供行业终端监控平台下载，以同步M2M平台的终端管理数据。2M2M的通信协议M2M终端可通过GSM、WCDMA、TD-SCDMA等不同的移动通信网络接入，通信方式包括短信、彩信等。为了屏蔽不同的通信网络、不同的通信方式的差异性，便于M2M终端设备快速接入M2M系统，需要对M2M终端与M2M平台之间的通信协议进行规范。M2M的典型通信协议使用中国移动提出的无线机器管理协议(Wir

12、eless Machine Management Protocol，WMMP)。WMMP是为实现行业终端与M2M平台数据通信过程而设计的，属于与具体通信网络及通信接入方式无关的应用层协议，建立在UDP之上。WMMP协议栈结构如图8.2所示。图8.2 WMMP协议栈结构由于GPRS网络带宽较窄，延迟较大，M2M不适于采用TCP进行通信。采用UDP无连接方式传输，其优点是效率高、流量小、节省网络带宽资源，缺点是没有确认机制，有可能引起丢包。根据实际经验发现，通过在UDP的上层应用层协议实现类似TCP的包确认和重传机制，采用UDP方式传输，丢包率能控制在1%以下，从而可提高通信效率及可靠性。WMMP

13、协议通信方式有长连接和短连接两种。长连接是指在一个过程中可以连续发送多个数据包，如果没有数据包发送，需要行业终端发送心跳包以维持此连接。短连接是指通信双方有数据交互时，就建立一个WMMP过程，数据发送完成后，则断开此WMMP过程。长连接和短连接的比较如表8-1所示。WMMP的流程如下：M2M终端序列号的注册和分配；M2M终端登录系统；M2M终端退出系统；M2M连接检查；终端上线失败错误状态上报；M2M终端按照M2M平台的要求上报采集数据、告警数据或统计数据，以及向M2M平台请求配置数据；M2M平台从M2M终端提取所需的数据，或向终端下发控制命令和配置信息；M2M终端软件的远程升级。表表8-1

14、长连接和短连接的比较长连接和短连接的比较WMMP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应用业务之间的数据通信过程而设计的应用层协议，其体系如图8.3所示。图8.3 WMMP体系WMMP由M2M平台与M2M终端接口协议(WMMP-T)和M2M平台与M2M应用接口协议(WMMP-A)两部分组成。WMMP-T完成M2M平台与M2M终端之间的数据通信，以及M2M终端之间借助M2M平台转发、路由所实现的端到端数据通信。WMMP-A完成M2M平台与M2M应用业务之间的数据通信，以及M2M终端与M2M应用业务之间借助M2M平台转发、路由所实现的端到端数据通信。WM

15、MP的核心是其可扩展的协议栈及报文结构，而在其外层是由WMMP核心衍生的接入方式无关的通信机制和安全机制。在此基础之上，由内向外依次为WMMP的M2M终端管理功能和WMMP的M2M应用扩展功能。8.1.3M2M的支撑技术的支撑技术1M2M系统的关键支撑技术系统的关键支撑技术M2M系统结构中涉及五个重要的支撑技术：机器、M2M硬件、通信网络、中间件和应用，如图8.4所示。图8.4 M2M系统的关键支撑技术1)机器 实现M2M的第一步就是从机器/设备中获得数据，然后把它们通过网络发送出去。不同于传统通信网络中的终端，M2M系统中的机器应该是高度智能化的机器。“人、机器、系统的联合体”是M2M的有机

16、结合体。可以说，机器是为人服务的，而系统则是为了机器更好地服务于人而存在的。机器高度智能化即机器具有“开口说话”的能力、信息感知、信息加工(计算能力)和无线通信能力。机器的智能化实现方法是在生产设备的时候嵌入M2M硬件或对已有机器进行改装，使其具备与其他M2M终端通信/组网的能力。2)M2M硬件M2M硬件是使机器获得远程通信和联网能力的部件。一般来说，M2M 硬件产品可分为以下五类。(1)嵌入式硬件。嵌入式硬件是嵌入到机器里面，使其具备网络通信的能力。常见的产品是支持GSM/GPRS或CDMA无线移动通信网络的无线嵌入式数据模块。典型产品有诺基亚的12 GSM；索尼爱立信的 GR 48和GT

17、48；摩托罗拉的G18/G20 for GSM、C18 for CDMA；西门子的TC45、TC35i、MC35i等。(2)可改装硬件。在M2M的工业应用中，厂商拥有大量不具备M2M 通信和联网能力的机器设备，可改装硬件就是为满足这些机器的网络通信能力而设计的。其实现形式各不相同，包括从传感器收集数据的输入/输出(I/O)部件；完成协议转换功能，将数据发送到通信网络的连接终端(Connectivity Terminals)设备；有些M2M 硬件还具备回控功能。典型产品有诺基亚的30/31 for GSM连接终端等。(3)调制解调器。嵌入式模块将数据传送到移动通信网络上时，起的就是调制解调器(M

18、odem)的作用。而如果要将数据通过有线电话网络或者以太网送出去，则需要相应的调制解调器。典型产品有BT-Series CDMA、GSM无线数据Modem等。(4)传感器。经由传感器，让机器具备信息感知的能力。传感器可分为普通传感器和智能传感器两种。智能传感器(Smart Sensor)是指具有感知能力、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器网络是M2M技术的重要组成部分。一组具备通信能力的智能传感器以Ad-Hoc方式构成无线网络，协作感知、采集和处理网络所覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给用户。也可以通过GSM网络或卫星通信网络将信息传给远方的IT系统。典型产品如英特

19、尔的基于微型传感器网络的“智能微尘(Smart Dust)”等。(5)识别标识。识别标识(Location Tags)如同每台机器设备的“身份证”，使机器之间可以相互识别和区分。常用的技术如条形码技术、射频标签(RFID)技术等。标识技术已被广泛应用于商业库存和供应链的管理。3)通信网络通信网络在整个M2M技术框架中处于核心地位，包括广域网(无线移动通信网络、卫星通信网络、Internet、公众电话网)、局域网(以太网、无线局域网、蓝牙)、个域网(ZigBee、传感器网络)。4)中间件中间件在通信网络和IT系统间起桥接作用。中间件包括两部分：M2M网关、数据收集/集成部件。网关是M2M系统中的

20、“翻译员”，它获取来自通信网络的数据，并将数据传送给信息处理系统。网关主要的功能是完成不同通信协议之间的转换。典型产品如Nokia的M2M网关。数据收集/集成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处理，并将结果呈现给需要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。5)应用在M2M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M2M业务应用和服务。2M2M业务的关键技术一个典型的M2M系统由传感器(或监控设备)、M2M终端、蜂窝移动

21、通信网络、终端管理平台与终端软件升级服务器、运营支撑系统、行业应用系统等环节构成。M2M业务涉及一系列关键技术，包括系统架构设计，终端管理平台，专用芯片、模块、终端技术，服务质量(QoS)与流量控制，传感器网络技术等。1)系统架构设计M2M业务的系统架构设计中要兼顾宽带和窄带无线接入应用、实时和非实时应用，要能支持系统的开放性以便于接入和二次运营。2)终端管理平台终端管理平台实现对全网M2M终端的统一的鉴权认证，并可以支持终端远程诊断功能和终端软件的远程自动升级功能(此时与终端软件升级服务器配合使用)。终端管理平台可根据不同行业和客户的需要选择承担或者不承担客户数据的传输功能；终端管理平台可以

22、全网部署一套，也可以分区域部署，分区域部署时可采用云计算结构。3)专用芯片、模块、终端技术M2M模块与终端之间的接口与AT(Attention)指令集需要进行标准化设计，并可将标准化后的管理协议栈从终端内置迁移到模块内置，以利于降低终端成本；由于许多行业应用终端一旦部署后不便实施经常性的维护，或者对运行的可靠性有较高的要求，因此M2M终端和模块都迫切需要研发低功耗、高可靠性、长寿命的解决方案，在另一些用量大、成本敏感的行业中则需要研发低成本的M2M终端方案，另外在部分应用场合中采用“机卡合一”方案可能更为适合；由于物联网和M2M业务成熟后的终端数量巨大，目前就有必要引入独立的13位终端号段，并

23、且要求终端逐步实现对IPv6的支持。4)QoS与流量控制M2M业务使用无线网络传输数据信息，实现一定程度的QoS和保障无线网络资源的利用率是需要平衡的两个重要目标，因此，需要引入流量控制和终端休眠机制。针对部分行业应用过程中可能出现的空口资源过度占用或大批量终端同时接入的情况尤其要采用适合的处理机制，否则可能导致业务质量的急剧恶化甚至业务中断。5)传感网技术传感器和传感器网络与M2M终端的接口标准化，也是M2M业务发展的一项基础性工作。8.2 M2M的应用的应用8.2.1M2M业务应用业务应用1M2M应用模式应用模式 M2M应用分为管理流-业务流并行模式和管理流-业务流分离模式。管理流是指承载

24、M2M终端管理相关信息的数据流，业务流是指承载M2M应用相关的数据流。对于终端管理流，两种模式都由终端发送给M2M平台，或再由M2M平台转发给应用业务平台。对于业务流，在管理流-业务流并行模式下，业务流通过终端传递到M2M平台，再由M2M平台转发给M2M应用业务平台或者对端的M2M终端；在管理流业务流分离模式下，业务流直接从终端送到M2M应用业务平台或者对端的M2M终端，不通过M2M平台转发。网管系统与平台网络管理模块通信，完成配置管理、性能管理、故障管理、安全管理及系统自身管理等功能。业务数据从M2M终端传送到M2M平台，再由M2M平台转发给M2M应用业务平台或者对端的M2M终端。这种模式下

25、，管理数据和业务数据均由M2M平台统一接收，再根据不同的消息类型和目标地址进行分发或处理。2M2M业务的应用从狭义上说，M2M只代表机器和机器之间的通信。M2M的范围不应拘泥于此，而是应该扩展到人对机器、机器对人、移动网络对机器之间的连接与通信。现在，M2M应用遍及电力、交通、工业控制、零售、公共事业管理、医疗、水利、石油等多个行业，以及车辆防盗、安全监测、自动售货、机械维修、公共交通管理等日常生活当中。8.2.2M2M的发展现状的发展现状1M2M产业发展现状在国内，M2M的应用领域涉及电力、水利、交通、金融、气象等行业。在国外，沃达丰(Vodafone)现为世界上最大的流动通信网络公司之一，

26、在全球27个国家有投资，目前在M2M市场是全球第一，提供M2M全球服务平台以及应用业务，为企业客户的M2M智能服务部署提供托管，能够集中控制和管理许多国家推出的M2M设备，企业客户还可通过广泛的无线智能设备收集有用的客户数据。M2M产业链如图8.5所示。图8.5 M2M产业链随着科学技术的发展，越来越多的设备具有了通信和联网能力，网络一切(Network Everything)逐步变为现实。人与人之间的通信需要更加直观、精美的界面和更丰富的多媒体内容，而M2M的通信更需要建立一个统一规范的通信接口和标准化的传输内容。目前M2M业务发展中存在的主要问题是标准不尽统一，行业终端厂商和集成商面向不同

27、的M2M应用，每次都需进行重新开发和集成，大大增加了人力和时间成本，而开放性强、兼容性好的M2M技术并不多见。2M2M标准化现状标准化现状国际上各大标准化组织中M2M的相关研究和标准制定工作也在不断推进。几大主要标准化组织按照各自的工作职能范围，从不同角度开展了针对性研究。ETSI从典型物联网业务用例(例如智能医疗、电子商务、自动化城市、智能抄表和智能电网)的相关研究入手，完成对物联网业务需求的分析、支持物联网业务的概要层体系结构设计以及相关数据模型、接口和过程的定义。3GPP/3GPP2以移动通信技术为工作核心，重点研究3G，LTE/CDMA网络针对物联网业务提供所需要实施的网络优化相关技术

28、，研究涉及业务需求、核心网和无线网优化、安全等领域。CCSA早在2009年就完成了M2M的业务研究报告，与M2M相关的其他研究工作也已展开。M2M技术标准制定的标准化组织包括欧洲电信标准协会(European Telecommunication Standards Institute，ETSI)、3GPP和中国通信标准化协会(CCSA)的泛在网技术委员会(TC10)。1)ETSI的M2M标准化进展ETSI是国际上较早的系统展开M2M相关研究的标准化组织。2009年初，ETSI成立了专门的TC来负责统筹M2M的研究，旨在制定一个水平化的、不针对特定M2M应用的端到端解决方案的标准。其研究范围可以

29、分为两个层面：第一个层面是针对M2M应用用例的收集和分析；第二个层面是在用例研究的基础上，开展应用无关的统一M2M解决方案的业务需求分析，网络体系架构定义和数据模型、接口和过程设计等工作。ETSI M2M TC的主要职责如下：(1)从利益相关方收集和制定M2M业务及运营需求。(2)建立一个端到端的M2M高层体系架构(如果需要会制定详细的体系结构)。(3)找出现有标准不能满足需求的地方并制定相应的具体标准。(4)将现有的组件或子系统映射到M2M体系结构中。(5)M2M解决方案间的互操作性(制定测试标准)。(6)硬件接口标准化方面的考虑。(7)与其他标准化组织进行交流及合作。ETSI M2M TC

30、目前的研究工作如下：(1)M2M业务需求(TS 102 689)：定义M2M业务应用对通信系统的需求，以及M2M的典型应用场景。(2)M2M功能架构(TS 102 690)：定义M2M业务应用的功能架构以及相关的呼叫会话流程。(3)智能电表(Smart Metering)的应用场景(TS 102 691)：智能电表的应用场景和相关技术问题。(4)电子卫生保健(eHealth)的应用场景(TS 102 732)：电子医疗的应用场景和相关技术问题。(5)消费者连接(Connected Consumers)的应用场景(TS 102 857)：消费者连接的应用场景和相关技术问题。(6)M2M定义(TS

31、 102 725)：M2M相关的定义和名词术语。2)3GPP的M2M标准化进展3GPP在标准制定过程中，也将M2M称做机器类通信(Machine Type Communications，MTC)。3GPP早在2005年9月就开展了移动通信系统支持物联网应用的可行性研究，正式研究于R10阶段启动。在2008年5月，3GPP制定了研究项目针对机器类通信的网络优化(Network Improvement for Machine Type Communications，NIMTC)。3GPP于2009年11月制定的技术报告TS 22.368中定义MTC的一般需求，以及有别于人与人间通信的一些独特的业务

32、需求，并详述了为满足MTC的业务、网络优化需要做的一些工作。3GPP支持机器类型通信的网络增强研究课题在R10阶段的核心工作为SA2工作组对MTC体系结构增强的研究，其中重点述及支持MTC通信的网络优化技术包括以下几点：(1)体系架构：提出了对NIMTC体系结构的修改，包括增加MTC IWF功能实体以实现运营商网络与位于专网或公网上的物联网服务器进行数据和控制信令的交互，同时要求修改后的体系结构需要提供MTC终端漫游场景的支持。(2)拥塞和过载控制：研究多种的拥塞和过载场景要求网络能够精确定位拥塞发生的位置和造成拥塞的物联网应用，针对不同的拥塞场景和类型，给出了接入层阻止广播、低接入优先级指示

33、、重置周期性位置更新时间等多种解决方案。(3)签约控制：研究MTC签约控制的相关问题，提出SGSN/MME具备根据MTC设备能力、网络能力、运营商策略和MTC签约信息来决定启用或禁用某些MTC特性的能力；同时也指出了需要进一步研究的问题，例如网络获取MTC设备能力的方法、MTC设备的漫游场景等。(4)标识和寻址：MTC通信的标识问题已经另外立项进行详细研究。本报告主要研究了MT过程中MTC终端的寻址方法，按照MTC服务器部署位置的不同，报告详细分析了寻址功能的需求，给出了NATTT和微端口转发技术寻址两种解决方案。(5)时间控制特性：适用于那些可以在预设时间段内完成数据收发的物联网应用。报告指

34、出，归属网络运营商应分别预设MTC终端的许可时间段和服务禁止时间段。服务网络运营商可以根据本地策略修改许可时间段，设置MTC终端的通信窗口等。(6)MTC监控特性：MTC监控是运营商网络为物联网签约用户提供的针对MTC终端行为的监控服务，包括监控事件签约、监控事件侦测、事件报告和后续行动触发等完整的解决方案。3)3GPP2的M2M标准化进展为推动CDAM系统M2M支撑技术的研究，3GPP2在2010年1月曼谷会议上通过了M2M的立项。建议从以下几个方面加快M2M的研究进程。(1)当运营商部署M2M应用时，应给运营商带来较低的运营复杂度。(2)降低处理大量M2M设备群组对网络的影响和处理工作量。

35、(3)优化网络工作模式，以降低对M2M终端功耗的影响等研究领域。(4)通过运营商提供满足M2M需要的业务，鼓励部署更多的M2M应用。3GPP2中M2M的研究参考了3GPP中定义的业务需求，研究的重点在于CDMA2000网络如何支持M2M通信，具体内容包括3GPP2体系结构增强、无线网络增强和分组数据核心网络增强。4)CCSA的M2M标准化进展中国通信标准化协会(CCSA)的泛在网技术工作委员会(TC10)包括总体组、感知延伸组、应用组和网络组。CCSA的M2M标准化工作的主要内容如下：(1)IC5 WG7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

36、流量模型，给出了M2M业务标准化的建议。(2)TC5 WG9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)TC10 WG2 M2M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)TC10 WG2 M2M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。3M2M业务面临的挑战和发展趋势业务面临的挑战和发展趋势M2M业务具有广阔的发展前景，但现阶段还面临不少现实的难点和挑战：(1)需要制定国家层面的标准(即使中国三大移动

37、业务运营商正在制定的M2M标准也不一致)。只有在标准化的基础上，才能产生具有规模化成本效应的一系列模块和终端，才有可能产生与M2M的发展潜力相配套的产业格局。(2)商业模式问题。要想通过引入M2M业务真正有效地实现对客户的价值，需要对特定行业的业务流程进行深入的研究、创新和试验，而不同行业的应用方案可能差异很大、前期成本较高、资费单价较低，如何实现M2M产业链的共赢模式还有待探索。(3)关键技术的挑战。传感器技术，低功耗、高可靠性、长寿命的终端技术，具有QoS的无线网络数据传输质量等均是M2M业务面临的重大技术问题。(4)许多行业还存在着不同形式的行业壁垒，政策环境有待完善。综上所述，现阶段各

38、种形式的物联网业务中最主要、最现实的形态是M2M业务，M2M业务在许多国家受到高度的重视，在一些行业中已经或将率先得到规模化的应用，并逐渐地影响到更多的行业。未来几年间，M2M业务将快速地进入很多行业，其用户数也将快速成长，预计至2012年底，中国国内基于移动蜂窝通信技术的M2M用户数将可能达到三千万至四千万，M2M也会在若干年后成为LTE的核心应用之一。同时，M2M业务终端在形态和业务支持上将呈现高度的创新性和融合性，在一些行业应用中将日益支持无线接入带宽与业务的灵活调度管理，也可能与一些相邻业务实现一定程度的融合(如支持更灵活的、移动性的、机动性的视频监控及数据协同等业务)，在另一些行业应

39、用中M2M终端将可能与一系列的传感器和监测、控制设备深度融合。据工业和信息化部的资料显示，M2M的发展将呈现5大趋势：技术的改进将使M2M的产品成本快速降低；随着通信网络的融合和升级，M2M的通信费用将大大降低；用户将更关注与业务密切融合的应用解决方案，以及M2M带来的创新服务；M2M产业的专业化分工将快速形成，产业链的协同将更紧密；M2M不但是“两化”融合的一个重要推动力，而且其应用领域将从企业向个人和家庭用户的方向延伸。8.3 M2M的应用举例的应用举例基于嵌入式基于嵌入式ARM处理处理器的器的M2M终端总体设计终端总体设计1系统硬件组成系统硬件组成 M2M终端的硬件核心为GPRS通信模块

40、MC35i和ARM处理器AT91SAM7S64，它们的接口设计如图8.6所示。M2M终端对外留有两个RS-232串口，通过发送预先定义好的数字指令，可以实现M2M终端的启动、关闭等。当M2M终端与Internet建立连接后，只需把封装好的数据通过串口发送到M2M终端，由其完成向监控中心发送数据的功能。图8.6 嵌入式M2M终端的硬件组成1)GPRS模块 GPRS模块是实现M2M终端平台的核心部分，设计中采用西门子公司的GPRS通信模块MC35i。本模块包括CPU接口电路、SIM卡接口电路和MC35i外围电路。MC35i支持GPRS的四种编码协议：CS-1、CS-2、CS-3和CS-4，理论上最

41、高传输速率可达172 kb/s。它具备完整的GSM和GPRS功能，可以广泛应用在相关的M2M数据传输平台上。MC35i提供了标准AT命令界面和一个RS-232接口，用于与外部应用系统连接。2)ARM处理器 本数据传输平台处理器采用ATMEL公司生产的32位ARM7TDMI体系结构处理器AT91SAM7S64。该芯片采用3.3 V电压进行供电，支持低功耗模式。它具有64 KB的FLASH和16 KB的SRAM，具备丰富的外围设备资源，其中包括3个UART通信串口和1个USB2.0全速设备。利用本芯片完成系统功能的同时可以实现系统的高性价比。CPU模块硬件电路包括时钟电路、JTAG接口电路和RS-

42、232接口电路等。3)电源设计 系统采用9V电源进行供电，经过TI公司LDO降压芯片UA7805进行一次降压，使电压降至5 V。GPRS模块MC35i要求的电源电压为3.3 V4.8 V，而且要求电源必须能够提供2 A的尖峰电流，因此需要将5 V电源通过一个0.7 V压降的肖特基二极管1N5819后输入MC35i，同时需要接入耐压25 V、1000 F的电解电容，以为MC35i提供足够的尖峰电流。将5 V电源经过TI公司电源模块REG1117-3.3将电压降至3.3 V，为微处理器及其他芯片提供电源。2嵌入式软件设计嵌入式软件设计 采用嵌入式实时操作系统可以更合适、有效地利用CPU的资源，简化

43、应用软件的设计，缩短系统开发时间，更好地保证系统的实时性和可靠性。FreeRTOS是在Sourceforge网站上发布的微内核嵌入式实时操作系统，它是完全免费的操作系统，具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点。作为一个轻量级的操作系统，FreeRTOS提供的功能包括任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理等。FreeRTOS支持优先级和轮换时间片两种调度算法，可根据用户需要设置为可剥夺型内核或不可剥夺型内核。下面基于FreeRTOS给出了M2M终端实现PPP协商以及数据封装传输的软件设计方案。1)基于状态机设计GPRS连接任务 由于网络和信号较弱等原因，可能导致节点与GPRS网

44、络连接的失败，采用基于状态机的结构设计方法对各个阶段产生的错误进行处理，能保障模块与GPRS网络建立可靠连接。状态机设计流程如图8.7所示。图8.7 GPRS网络连接任务的状态机设计流程空闲待命态：此时MC35i处在离线关闭状态，节点处在低功耗模式下，系统复位后处于此状态。GPRS参数设置态：处理器控制启动MC35i模块后进入此状态，通过发送AT命令对模块及必要的网络参数进行设置，为使各个参数均设置成功，软件设计中增加了容错重试机制。PPP协商态：GPRS参数设置完成后，通过发送AT*99*1#命令，开始MC35i模块与GPRS网络ISP(网络服务提供商)的PPP协商。软件设计中采用LCPHa

45、ndler()函数完成LCP协商，PAPHandler()完成认证，由IPCPHandler()完成IPCP协商，如果最后获得ISP和本节点的IP地址，则进入PPPOVER态，此后就能进行数据的传输了。由于GPRS网络等原因，PPP协商有时会失败，此时应重启MC35i模块，再按照状态机流程重新连接。UDP数据传输态：当程序采用UDP方式进行数据传输时，程序进入此状态，通过xDataTrsmtTask()任务进行数据的UDP/IP封装和解析。TCP数据传输态：当节点调用uip_cionnect()函数与监控中心建立连接后，程序进入TCP数据传输态，进行基于TCP的数据传输。2)数据的封装和传输

46、通过GPRS进行数据的传输需要经过Internet网络进行中转，因而传输的数据封装必须进行TCP/IP协议。此处利用软件进行数据封装，需要传输的数据经过传输层UDP协议头封装，然后是IP协议头的封装，最后进行PPP协议的封装。MC35i将接收到的数据透明地传输到Internet网络中，通过Internet网络路由器中转，最终将数据传输到监控中心。接收端对接收到的数据按照相应的层次进行解析，从而确定数据的目标程序。系统软件设计采用分层的结构，从底到上分别为串口驱动层(物理层)、PPP协议层(链路层)、IP协议层(网络层)、UDP协议和ICMP层(传输层)以及应用层。在移植好的LwIP协议栈中，通

47、过在各层中建立相应功能的线程，实现数据的封装。底层软件为上层软件提供函数支持，上层软件利用底层软件完成应用程序的编写和实现。软件采用自底向上的设计方法逐步实现系统中各个函数的功能，各部分函数实现均采用模块化的设计方法。每个任务对应一个模块。对每个任务单独进行设计后，最终由FreeRTOS操作系统统一管理，通过采用信号量和邮箱的方式实现多个任务之间的通信。软件各部分主要函数之间的关系如图8.8所示。图8.8 软件各部分主要函数之间的关系在MC35SerialISR()中将接收的数据存放到xQRxChars队列中后，发送SemMC35Rx信号量来激活PPPRxTask()任务。通过对接收数据的解析

48、，确定数据包的类型，然后由相应的函数对接收的数据进行处理。如果接收的数据是应用程序的数据，将由IPRx()函数判断目标主机是否正确，再经过传输层解析数据从而判定对数据处理的应用程序。最后由应用程序解析数据并执行相应的功能，如将数据通过串口发送到主机、向数据采集系统发送控制命令、接收数据采集系统的数据并发送等。当接收队列中所有数据均处理完毕后，延时250 ms，如果还没有接收到数据，则任务通过等待信号量SemMC35Rx将自己挂起。数据的发送是一个相反的过程。应用程序根据需要的功能建立UDPTxTask()或ICMPTxTask()任务，并将数据发送到xAPPTxQ队列中。相应的任务再调用IPTx()和PPPTx()函数进行数据的封装并将数据发送到xQTxChars队列中，从而唤醒MC35SerialISR()中断程序将数据通过串口发送到MC35i中进行传输。为提高系统的实时性，FreeRTOS采用可剥夺内核方式进行调度。采用FreeRTOS操作系统对任务进行管理简化了软件的编写难度，同时提高了程序的可读性和可移植性。3总结总结 基于GPRS的M2M产品的无线数据传输以及远程监控系统是目前国内外研究的热点。本节采用完全免费的操作系统和TCP/IP协议栈给出的系统设计方案具备成本低、性能好、可升级等优点，为远程监控系统相关领域的数据传输提供了一个可行的设计方案。