M2M技术打造彼此智慧互动的新世界

想像一下,假如一辆自行车在移动后会把它的位置传送给智慧型手机;一台照相机可以与全球卫星定位系统(GPS)模块沟通,并​​在徒步旅行时向使用者建议风景优美的景点;一台电冰箱会在牛奶喝完时,传送一段文字讯息来提醒;一个智慧电表(Smart Meter)可以在离峰时段启动洗衣机;一台跑步机可以把患者的心跳速率及其他重要征兆传送给医疗保健单位;位在偏远地区的工业设备在须要维护或修理时,可以自行提醒它的制造商。这样的可能性是无止尽的,在这样一个联网设备可以彼此智慧互动的世界中,所能产生的各种好处是很吸引人的。

机器对机器通讯蔚为显学

在过去20年间,无线产业的各种进展,让全世界的人们得以互相连接。
在接下来的10年内,人们将亲眼目睹一个变革,亦即各式各样跨越不同领域的设备将能够彼此互相沟通,进而为人类带来前所未有的服务,同时还能节省成本、改善效率并将劳动力降至最低。这种可驱动一切成真的潜在技术被称为机器对机器通讯(Machine to Machine Communications, M2M)。

 

图1 M2M技术的三个基本阶段
简单来说,机器对机器是一种能够让设备彼此透过有线或无线通讯网络来进行互动的技术,且完全无须人类介入。M2M技术通常会利用感应器、致动器、微控制器(MCU)或射频收发器(RF Transceiver),透过它们能够从终端设备或事件获得资料,之后再透过通讯网络如全球行动通讯系统(GSM )、整合分封无线服务(GPRS)、电力线或卫星系统,传输至应用软体,然后再把接收到的资料处理成有意义的资讯。有关M2M技术的三个基本阶段如图1所示。

凭借着功能强大的感应器、先进的嵌入式微控制器和无所不在的无线网络,工业应用正在无缝结合M2M技术,接下来描述其中一些例子。

远端监控系统进行预防性维护

远端监控系统利用各种不同的感应器来侦测一些参数,例如震动、液体泄漏、机械磨损、温度及机械杂讯等,借此来评估设备的健康状况。

图2 远端监控系统的执行情况


在图2(a)中,每一感应器是以浅色圆点来代表,它们被称为节点(Node),并且以星型拓扑结构(Star Topology)与由深色圆点所代表的网络协调者(Network Coordinator)连接起来,形成个人区域网络(Personal Area Network, PAN)。这个PAN网络协调者是扮演着介于PAN网络与GPRS网络之间的M2M闸道,负责将资料传输到远端监控基地台。在任何时间内,当其中任何一个参数超出正常运转的临界值(Threshold Value)时,这个远端监控基地台将会发出警报来进行预防性维护。

高处理能力微控制器可简化设计

图2(b)与图2(c)显示了感应器节点与PAN网络协调者的执行情况。设备的感应器参数是透过一个4~20毫安培(mA)的回路来传输,这是一个很可靠的、用于工业处理与控制的感应器讯号标准。这个微控制器透过其类比数位转换器(ADC)来接收这些参数,并且运行如MiWi此类PAN协定堆叠(PAN Protocol Stack)与IEEE 802.15.4收发器交流,将处理后的感应器资料传送至PAN网络协调者。

PAN网络协调者的核心是一个嵌入式微控制器,由它负责驱动整个PAN网络的通讯,它透过序列埠与IEEE 802.15.4收发器和GPRS模块进行串接。微控制器的快闪记忆体储存着整个MiWi PAN网络的地图,负责分配网络位址以及建立与新感应器节点的连接。它也负责将PAN协定的资料解译成GPRS的格式,然后透过GPRS网络传送出去。另外,这个微控制器也控制着GPRS模块,并使用注意(Attention, AT)指令做为资料传输之用。为了确保PAN网络与GPRS网络间的稳定连接,一个具有足够记忆体数量、各种支援直接记忆体存取(Direct Memory Access, DMA)的周边、免费MiWi协定堆叠以及GPRS资料库等的高处理能力微控制器,是绝对必要的。

为了能快速启用无线应用,微芯(Microchip)提供一个如图3(a)所示的PIC32 Wi-Fi Comm展示板,这是一个一应俱全的解决方案,能够简化设计并加速开发过程。

车队管理成热门M2M应用

M2M技术被广泛应用于商用车队的管理。安装在车上的全球定位系统及GPRS/GSM模块可追踪车辆。GPS模块会提供车辆的位置座标,控制器区域网络汇流排(CAN Bus)则负责收集来自车辆不同模块的资料,例如防锁死煞车系统(Antilock Brake System, ABS)、引擎控制模块(Engine Control Unit, ECU)及安全气囊等模块的资料,然后传送至CAN/GPRS闸道。一个32位元的微控制器驱动着这个CAN/GPRS闸道,并且串接到CAN汇流排及GPRS与GPS模块。它会将CAN的资料格式转译成GPRS格式,并透过GPRS网络将资料传送至车队管理基地台(Fleet Management Station)。

图3 机器对机器解决方案
图3(b)的M2M Pictail子板是目前市场上车队管理应用的其中一种解决方案,这块子板配备许多AT指令的GPS与GSM/GPRS模块,以及有着如图3(b)所示的广泛特点,可大幅缩短产品上市时间,并包含所有的硬体资讯、具有堆叠在内的软体二进位制文件、生产测试基准设计,以及测试软体、认证、教育训练和说明文件等。最后的成果就是产出一个无线、超小型、低功耗的通讯解决方案,这个解决方案相当易于整合至消费性、工业与汽车的原始设备制造商(OEM)设计中,而且也已准备好大量生产。

 

M2M设备打造全新智慧型连接

现今有越来越多设备透过网际网络连接在一起,而在未来无线通讯产业的发展趋势下,这样的趋势只会继续扩大。除了正在快速扩展当中的半导体与无所不在的通讯网络外,高速4G与网际网络通讯协定第6版(Internet Protocol Version 6, IPv6)等技术的问世,已经将全世界带到另一波变革的边缘,在这波变革中,M2M设备正在塑造全新层级的智慧型连接,而这将改变所有人的生活、工作与玩乐的方式。

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