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M2M應用快速拓展
技術完備 架構成熟

【作者: 王明德】   2017年11月10日 星期五

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通訊技術被發明以來,應用對象都以人為主,所傳送的訊息型態也是以語音為大宗,不過這幾年通訊技術開始被延伸到人以外的領域,也就是機器,兩部機器之間利用通訊設備來傳遞訊息,並配合自動化系統來提升系統效率,也就是「M2M」(Machine to Machine)概念,M2M與無線感測網路(WSN)的概念發生時期接近,大約都在2007年左右,後來這兩項概念結合IT領域的資料探勘(Data Mining),形成現在的物聯網,就目前的物聯網系統來看,M2M可說是其機構組成的基礎,透過M2M的訊息擷取與傳輸,整體系統才能啟動。



圖1 :  M2M是兩部機器之間利用通訊設備來傳遞訊息,並配合自動化系統來提升系統效率。(Machine to Machine)概念(Source: Vodafone Global Enterprise)
圖1 : M2M是兩部機器之間利用通訊設備來傳遞訊息,並配合自動化系統來提升系統效率。(Machine to Machine)概念(Source: Vodafone Global Enterprise)


從Wikipedia定義來看,M2M系統包括四部分,1.通訊設備可針對客戶需求,獨立進行資料傳輸,2.設備可透過網路與伺服主機聯繫,3.透過軟體進行資料分析、反應與處理,4.智慧型專家系統,換言之,M2M系統包括硬體與軟體,各硬體設備間透過網路進行資料溝通。此外,M2M系統包含一伺服主機與智慧型專家系統,設備與設備間之傳遞資料可透過伺服主機專家系統進行處理。


需求起飛 應用快速拓展


舉例來說,由於國際原油價格居高不下,台灣高電價時代已經悄悄到來。依現有建築物能源使用統計,包括空調冷氣與燈光照明等機電系統(MEP)能源使用已經超過總使用量70%以上,如何透過能源管理(Energy Management)機制,在需用電時才用,或是根據實際需求量調控機電系統運作狀態,成為建築物管理產業(即物業管理產業)重要議題。


在上述能源管理中,如果在建築物中建置M2M系統,包括設置各類型感測器(Sensor),例如監視各運轉設備狀態感測器、監視室內環境狀態感測器、監視室外環境狀態感測器等。同時,也設置中央監視與控制系統(Facility Monitor Control System, FMCS)與中央電腦硬體與相關軟體,並將感測器與中央監控電腦連結。則此建築物能源管理M2M系統,即可依內外環境(溫度、濕度與人員是否在室內),將建築設備(例如冷氣機)運轉狀態進行最佳調控,以達成能源管理或能源使用最佳化目的。


從上面基本介紹與範例說明可以看出,M2M系統就是透過機器(或元件)間之溝通與運作,進行事務處理之工作代理人系統,也是某類型機器人系統。表一為M2M系統部分範例,可以看出M2M廣泛應用於不同產業,包括製造與服務等。



圖2 :  M2M產業將朝向提升人類提升生活品質為目標。(Source:SiNE-WAV)
圖2 : M2M產業將朝向提升人類提升生活品質為目標。(Source:SiNE-WAV)


M2M產業初期將會以3K產業中(骯髒、危險、辛苦)替代以勞力為主的工作;中期而言,M2M產業將朝向協助提升人類便利性,例如照顧與手機購物;長期而言,M2M產業將與機器人產業結合,朝向提升人類提升生活品質為目標。


工控領域的M2M系統


至於在工控領域,其實機器與機器之間的通訊,在工業電腦領域早已不是新應用,發展已久的工業通訊,處理的就是機器與機器之間的訊息交換。一般來說,大型製造商的工廠生產線不會只有一條,而兩條以上的生產設備,就必須利用通訊設備來加以鏈結成網路,以方便管理。


工廠設備多為固定設備,加上直接與生產過程相關,因此穩定是工業通訊的第一考量,目前工廠機台設備的線路型態以有線為主,相較於無線技術的方便、低成本優勢,有線架構在現場佈線雖然成本高、作業麻煩,不過訊號傳輸穩定度卻遠優於無線技術,因此在固定設備上,多半採有線方式架構。



如前文所言,工業通訊發展已有多年,無論是技術或產業分工都已成熟,廠商所購置的生產設備,都已將通訊設備內建,工業用的乙太網路會因依附的設備不同而有所差異,大致上可分為5種,包括:



  • Sensorbus
  • :通常用來連接低階的感測器或是On/Off開關,傳輸資料最少。


  • Devicebus
  • :只要是能對網路化元件提供通訊或診斷功能,都屬此類,因此所界定的範圍最廣。


  • Fieldbus
  • :通常架構於Devicebus之上,用來傳輸大量資料,不過傳輸速度較慢,有部分也提供元件控制功能。


  • Control
  • :提供高階元件間的對等網路通訊。




這4類加上以企業網路為主幹的乙太網路,就是工業網路的5大類型,從這4種類可以看出,工業通訊的「M2M」應用已涵蓋整個工控領域,發展相當完整。


因應需求選擇通訊標準


工廠的工業通訊以有線技術為主,無線技術方面,目前則以車隊派遣為最大應用,「M2M」的通訊傳輸技術選擇,必須視搭載設備的移動與否來決定,如果其中一方必須不斷移動,自然無法佈線,就必須採取無線傳輸方式。


無線傳輸技術可分為短、中、長距離,短距離包括藍芽、Zigbee與各式NBIoT標準、中距離是無線區域網路(WLAN),長距離目前主要為4G,這兩年深受市場矚目的LPWAN則被視為未來主流,3種不同距離的傳輸技術,在應用上也不盡相同,短距離的傳輸技術多只被要求用來做簡單的訊息傳送,例如將藍芽與胎壓感測器整合,內建在汽車輪胎處,將胎壓數據以無線方式傳送到車控電腦中,至於Zigbee則主要以控環境為主,用來做簡單的I/O控制,NBIoT


中距離的無線區域網路也是以室內應用為主,目前工控領域的無線傳輸,IEEE 802.11 a/b/g/n均有,工控環境會採用無線區域網路,多半是因為佈線不易或廠區環境不佳,線路容易受損。


至於長距離的無線通訊技術,目前以3G和4G為主,不過3G或4G都是按月付費,專為物聯網設計的各種LPWAN標準,因具備低功耗、低成本、長距離、大量連結等特色,將成為未來主流技術。


在系統設計上,M2M必須與不同領域進行整合,這雖不容易,不過M2M市場實在太大,以數量來看,現在全球的機器數量約有總人口的10倍之多,如果每一部機器都內建相關設備,所蘊藏的商機將十分驚人,不過這部份若只憑電信廠商一方將無法完成,還是必須透過系統整合業者來整合電信與電子製造兩方,產業鏈才會完整。


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