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机器对机器(M2M)网关:实现可靠、互联的智能

www.cechina.cn2012.09.28阅读 2692

  简介
  到 2020 年,全球将实现更高程度的联网,与无线网络相连的机器数量将超过人的数量,机器对机器(M2M)技术将帮助我们提高能源和成本效益,使我们更加安全。这是一个互联智能时代。
  GSM 组织预测移动连接的数量到2020 年底将增长到500 亿。根据无线世界研究论坛(Wireless World Research Forum),无线互联设备将达到数万亿。手机和M2M 技术的使用越来越广CONTROL ENGINEERING China版权所有,在材料和能源方面每年将节省1000 亿美元(数据来自smart2020.org)。由此产生的社会和经济效益非常可观。
  许多 M2M 解决方案(多为单用途服务)已经完成部署,未来还将继续进行。采用M2M 网关可以更好地实现易用性和可扩展性。本文将演示飞思卡尔的QorIQ 通信处理器产品组合如何为创建M2M 网络提供必需的高性能和灵活性,从而实现可靠、互联的智能。

  图 1:M2M 网关应用

  为什么选择M2M 网关?
  M2M 是一个新的机遇,可以帮助我们提高安全性、能源效率和成本效益。M2M 还可以实现创收和改善客户保留。它对于业务经营十分有益。图1 展示了面临各种连接挑战且情况各异的不同的行业。与“筒仓式”方法相比,多功能M2M 网关提供了一些综合优势,且在许多情况下占有优势。
  M2M 网关提供了以下几个关键优势:
  可以应用并扩展到多种环境 – 家庭、工厂、办公室、公共场所、零售商店
  避免设备重复
  本地智能节点可以将原始数据转换为有用信息
  使用安全节点连接宽带WAN 和本地无线连接
  跨部门服务和应用融合的节点,即“整合思维”
  单独的机器直接连接到无线宽带网络。
  M2M 网关将一个或多个本地联网设备连接到一个有线或无线宽带连接。本地网络可以为有线或无线网络。
  M2M 网关可以托管各种应用和网络堆栈,在一个或多个CPU 内核上的虚拟机器中运行。使用可靠的软件平台是防止数据、功能和产品惟一性被窃的关键。

 图 2:M2M 网关示例

  M2M 网络解决方案设计的挑战
  图 2 所示的QorIQ M2M 网关模块可在信用卡大小的空间内实现。该设计支持各种有线和无线连接选项,并提供必需的计算性能,帮助M2M 服务提供商解决所面临的一些重要挑战:
  规模:不管在什么位置,大量M2M 器件聚集在一起都可能造成蜂窝网络超负荷。这些器件可以是任何物件,比如一天的工作结束后停放在车库的公共汽车,或者是抵达配送中心的包裹。它们不一定是需要大量数据的器件;仅仅是局部的信令流量高峰就足以引发蜂窝级故障。使用网关可以缓解信令(及数据)拥塞情况。
  安全性:M2M 器件将得到广泛应用,并经常在公共场所使用。因此,它们将很容易受到物理干扰和网络入侵。最近有关直接针对智能手机的恶意软件攻击增多的报道就是有力证明。
  海量数据:即使每天每个器件只传输少量数据,但数百万的器件会产生大量数据,其中可能存在无用数据。服务提供商希望只传输有用数据。执行传感器或算法转换的网关可筛选出不必要的数据。
  分布式智能:一种间歇式连接,如需筛选数据或在本地独立操作,需要进行本地存储和数据处理。
  “反弹”效应:增加M2M 技术的部署一定不能影响其最初的成本和能效优点。低功率和经济高效的节点是关键因素。网关有助于扩展并将低能耗无线网络和主流基础设施衔接起来。
  飞思卡尔M2M 网关解决方案
  面向M2M 应用的QorIQ 处理器包括单核、双核和四核处理器,采用45 纳米技术设计,旨在实现低功率特性。丰富的集成I/O 控制器选项有助于减少组件数量和模块尺寸。QorIQ 平台采用高性能Power Architecture 内核构建,将网络创新引入一个新时代,在这种新环境下,每个连接的可靠性、安全性和服务质量都非常重要。
  以下是一些关键的QorIQ 处理器特性,它们解决了设计M2M 平台解决方案时遇到的上述挑战:
  连接性:多个 PCI Express 、RS232、USB、SPI 和I2C 控制器,允许直接连接ZigBee 、Wi-Fi  和 2.5G/3G 调制解调器芯片组端口,或本地的有线或无线传感器网络。
  安全性:可靠的启动平台和集成的安全引擎提供面向公共安全协议(IPsec、SSL 等)的一次性加密/消息认证。可靠的架构平台融合了先进的端到端代码签名和入侵防御功能,可以帮助抵御软件入侵和软件克隆。如需了解更多详情CONTROL ENGINEERING China版权所有,请参见Beyond Bits: Power Architecture 一期中的文章:“可靠的架构:飞思卡尔面向工业控制系统的安全解决方案”。
  数据包处理:多个10/100/1000 以太网端口支持高级数据包解析,流控制和服务质量特性,以及IEEE  1588 时间戳,是管理LAN 和WAN 接口之间的数据路径流量的理想选择。
  本地存储:USB、SATA 或SD/ MMC 接口提供了本地存储选项 – 这对于本地数据分析过滤和决策制定非常重要。
  高级能源管理:该特性为动态和静态功率模式下的能耗管理提供了功率节省模式,包括traditional nap、doze plus jog(动态频率扩展)和packet lossless deep-sleep 模式。

  图4:M2M 在医疗中的应用

  M2M 在商业中的应用
  数字广告牌和自助信息亭及结账终端的使用正在快速增长中。向数字广告牌添加传感器和短距离无线传输将使它们从简单的屏幕变为交互式显示屏,为广告商增加了吸引力,使他们能够立刻锁定并联系到新的客户。近场通信(NFC)技术允许用户通过他们的智能手机与广告交互,同时传感器技术可用于识别行人的统计数据(未来还将识别他们的情绪)并相应地作出反应。由于具有良好的连接性和高性能,可以将这些通用应用这种功能添加到QorIQ处理器,并且不需要增加额外的硬件费用。欲了解更多详情,请参见Beyond Bits: Power Architecture 一期中的文章:“Digital Signage: A Sign of the Times”。
  M2M 在医疗中的应用
  越来越多的老年人患有糖尿病和心脏病等需要时刻进行监护的疾病,再加上与住院和看病有关的保险法规的影响,家庭式医疗监护日益增多。家庭式医疗监护现在可以通过便携式设备实现CONTROL ENGINEERING China版权所有,后者可以从医院或医生的办公室对病人进行远程监护。不仅病人可以享受到更舒适的治疗,医疗服务提供商和保险公司也可以实现成本节省。
  在家中监测病人生命体征的设备可以直接作为M2M 器件操作,或者可以作为一个专门的远程医疗中心(参见图4)。无论哪一种情况控制工程网版权所有,血压、心率、体温、呼吸频率、血糖及胆固醇等测量数据都可以进行累计和处理,如有必要,还可以定期发送给医疗服务提供商。飞思卡尔的M2M 医疗解决方案使用QorIQ 处理器,通过可靠的架构在病人和医生之间建立安全的连接,确保私人信息不会被泄漏,从而实现加密的通信。
  M2M 在基础设施中的应用
  许多交通、城市和工业基础设施(公路、铁路、地铁、桥梁、航道和管道)资产均通过涉及大量人员的流程进行监视和维护。 M2M 技术在提供更加经济高效的自治技术,有助于实现远程监控和预防性维护。虽然这些基础设施的需求通常各不相同,但是它们面临一个相同的问题 – 对基础设施进行清洁,出现下陷、滑坡或沟渠堤岸断裂后的保险赔偿涉及的成本通常非常高。虽然这些基础设施通常都具备开放的空间,十分适合使用无线技术,但是不难发现沿着铁轨、马路、河道等均铺设了光纤,这构成了解决方案基础设施的一部分(参见图5)。
  QorIQ 处理器的连接、存储和数据包处理等关键特性使其十分适用于基础设施中的M2M 传输网关。

  图 5:M2M 在基础设施中的应用

  楼宇中的M2M
  楼宇是另一个可以实现能源效率的领域。在办公室、酒店或校园,人们与家庭节能的动机不同是合乎情理的。M2M 在楼宇中的自动化潜力被放大,因为它的目标不仅仅是节约能源,同时还要实现安全性(参见图6)。闭路电视和安全访问系统CONTROL ENGINEERING China版权所有,如刷卡机、接近卡或虹膜扫描等更先进的技术,在保护我们的城市方面扮演着越来越重要的角色。使用玻璃和钢筋建造的新式建筑以及老式的石料建筑通常会遇到楼宇内部无线覆盖较差的情况。因此,设计一个楼宇内部M2M 网络,以菊花链的形式将无线网和以太网连接起来,实现节省电缆成本的目的,这种想法并非没有道理。飞思卡尔QorIQ 处理器提供了先进的能源管理和安全特性,同时充分支持各种工业网络协议,因此成为构建楼宇M2M 网关的理想解决方案。

  图 6:楼宇中的M2M

  结语
 
 虽然每种用例的具体细节有所不同,但是使用M2M 都是为了实现相同的目的:安全、安保、低功耗和节约成本。
  飞思卡尔QorIQ 解决方案是所有这些应用的理想选择。QorIQ 集合了高级数据包处理、能源管理、集成的I/O 灵活性以及可靠的启动,允许开发人员和集成商快速部署可靠的无线和有线M2M 系统。由于大量M2M 节点和网关都将部署在相对容易访问的位置,因此可靠性和安全性非常重要。正如Beyond Bits: Power Architecture 一期中的文章“Trust Architecture: Freescale’s Security Solution for Industrial Control Systems”和“Industries Made Safe: PXS Series by Freescale”所述,飞思卡尔Power Architecture 处理器和控制器为实现可靠、互联的智能提供了最佳解决方案。

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