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用于工业物联网应用的面向数据的M2M消息传递机制
——孟兆宗、吴志鹏、Cahyo Muvianto、John Gray
摘要
机器对机器(M2M)通信是未来工业物联网（IIoT）应用的关键技术。它在计算机机器的连接和集成方面起着重要的作用，例如传感器、执行器、控制器和机器人。连接机器间的模块间通信的灵活性、效率和跨平台兼容性的要求，给M2M消息传递机制实现无所不在的数据访问和事件通知带来了挑战。这项调查确定了工业系统M2M通信所面临的挑战，并提出了一个基于ZeroMQ (ZMQ)的面向数据的M2M消息传递机制，用于在富传感普及工业应用程序中无处不在的数据访问。为了证明所提方案的可行性，提出了一种参考工业网络体系结构的欧盟资助的PickNPack生产线，并通过实例说明了微波传感器设备与PickNPack生产线质量评估与传感(QAS)模块控制器之间的通信。通过定性分析和实验研究，验证了所提出的消息传递机制的可行性。由于处理层次系统架构和跨平台异构性的工业应用程序的灵活性，这一消息传递机制应该得到广泛的调查和进一步的评价。
索引-IIoT，M2M，协作自动化，消息机制，ZMQ
- 介绍
未来物联网世界被设想为被各种不引人注目的传感和计算设备包围，这些设备观察周围环境并提供相适应的服务以满足人们的期望。据估计，到2020年将有超过500亿台设备连接到互联网，并且设备的快速增长已经开始了一种新的计算模式，其中所有的对象都变成交互式的[1][2]。在这种新的计算模式中，机器彼此交谈，自动且智能地为不同的应用场景（包括制造业，医疗保健，家庭自动化，供应链，零售等[3]）实现一些任务[4]。M2M通信允许设备以自主的方式相互交换信息。大量的数据由连接的机器生成并存储，用于人员观察，分析和进一步的知识发现[5]。机器生成的“大数据”与数据库中的知识检索（KDD）技术的有效使用通过创建有价值的领域知识，利用收集的数据来优化系统性能。新的计算模式具有无处不在的传感。数据交互，数据采集和数据分析被认为是一种有前途的解决方案，它通过连接机器并允许机器之间的协作自动化和工业过程的智能优化来革新工业应用[6][7]。预计新兴技术将重塑未来的工业系统，并形成新的概念，如IIoT，工业4.0，智能制造，数字化制造和物联网工厂[8][9][10]。
在计算机化的物联网系统中，机器之间的数据传输和数据共享是影响整个系统性能的关键参数，而且该领域的研究越来越受到研究者的关注。商业上新出现的可用的传感和通信模块的标准，协议和成本的降低促进了M2M在工业应用中的进步[11][12]。但是，硬件和软件平台中的复杂系统结构和异构性已经为机器生成数据的无处不在的访问和可互操作共享带来了挑战。物联网感官环境中的信息质量（QoI）也成为一个问题[13][14]。特别是，由于机器在异构硬件和软件平台上执行不同的功能，因此基于跨平台技术的基础标准消息机制支持它们之间的通信，这成为自治工业系统成功的主要关注点。
这项调查旨在提供一种通用而灵活的M2M消息机制来处理IIoT应用的复杂结构和异构问题。它识别有关机器通信的IIoT应用程序的特性，然后基于所选的M2M消息传递协议提出一种面向数据的消息传递机制。为了评估所提出的解决方案，在所提出的参考工业网络架构中用于食品质量检查的微波传感机器被用于案例研究。所提出的解决方案的数据采集和数据共享功能是使用ZMQ消息传递协议实现的。对此应用进行测试和评估，结果证明了设计的用于工业应用的M2M消息机制的可行性和性能。
本文的其余部分安排如下：首先，引入技术，在第二部分对相关研究进行回顾并提出了一些技术挑战。其次，基于数据导向的ZMQM2M消息机制是参考开发的工业网络架构在第三部分。然后，一个对PickNPack生产线中的微波传感控制器的灵活数据通信的案例研究显示在第四部分。最后，在第五部分中得出结论并提出未来要做的工作。
- M2M通用技术综述
在数据传输模式中，M2M与传统的“人对人（H2H）”互联网存在显着差异。 因此，确定M2M通信系统所面临的特点和潜在的挑战非常重要。本节介绍M2M通信的关键使能技术，并提供对同行的调查回顾。本节总结并介绍了最先进的实现技术，最近的进展以及M2M通信中的同行研究，然后，突出了这个特定领域面临的一些开放性问题和挑战。
- 促进技术，进展和相关工作
1）用于M2M通信的技术
虽然广泛的研究领域与M2M通信有关，但它们共享相同的基础支持技术。通常，信息和通信技术（ICT）领域的技术发展迅速，包括嵌入式电子，软件平台，无线通信标准，网络基础设施，通信协议和消息传递机制，在其中M2M得到了利用。工业应用背景下的支持技术总结如图1所示。
图1 用于工业应用中M2M通信技术
（1）嵌入式电子产品
基于诸如微控制器单元（MCU），数字信号处理器（DSP），ARM处理器，可编程逻辑控制器（PLC）和片上系统（SoC）等处理单元的嵌入式电子设备是M2M的重要启用技术和物联网。他们将物理世界与计算机化机器相连接，并通过计算机系统使其可视化和管理。与PC不同，嵌入式电子产品可针对特定应用场合量身定制，以降低成本并提升性能。因此，手持式，小型化，高能效和低成本的设备出现并被用作信息技术（IT）基础设施和传感器节点之间的接口。此外，各种传感器，微机电系统（MEMS），射频识别（RFID）和无线传感器网络（WSN）将物理变量转换为计算机可理解的数据后使用[15]。然后，机器人和执行器依次根据计算机命令与物理世界进行交互。
（2）软件平台
诸如Ubuntu的嵌入式Linux，Android和iOS等移动平台，TinyOS[16]，LiteOS和RIOS等WSN操作系统都是M2M应用成功的关键技术。嵌入式操作系统允许机器完成其任务并根据标准协议与其他设备进行通信。这些操作系统通常是微内核体系结构，通过C / C 提供标准API开发的多线程，它们大多支持标准协议或IoT协议，如6LoWPAN，IPv6，RPL，TCP和UDP[17]。由于分布式机器分别执行不同的任务，软件平台是将它们与IT基础架构集成的中间技术。
- 网络基础设施
Bluetooth，Zigbee，6LowPAN，3G，4G，LTE，WiFi和WiMAX[18]等无线通信标准以及与之建立的无线基础设施也推动了M2M通信的发展。无线网络的优势在于它突破了位置限制，设备可以在任何地方。为了实现机器之间的消息传递，机器之间的连接应该使用Ad Hoc[19]，网状网络，基于基础结构的网络等适当的模型来构建。网络技术的成熟和各种机器的广泛支持让基于M2M通信的系统的设计和开发更灵活。
（4）消息机制
传统的H2H互联网和机器间的工业通信主要是直接使用HTTP和TCP / UDP。利用这些原始通信协议，也可以实现信息传输。但处理效率，故障处理和可靠性是困难且耗时的。在后摩尔定律时代，分布式计算成为处理普及计算设备的主流模式。因此，需要消息机制来处理分布式节点之间的通信。
就通信级别而言，许多可选协议，中间件和API库有望用于M2M消息传递的目的。尽管它们基于不同的技术并适用于不同的应用场景，但目的是为了获得连接机器之间交互的灵活性。用于M2M通信的主要竞争协议，中间件和API库总结如下：
消息队列遥测传输（MQTT） - 一种简单且轻量级的消息传递协议，专为资源受限设备和低带宽，高延迟网络提供低可靠性需求。
约束应用协议（CoAP）- 一种专用网络传输协议，适用于基于物联网的受限节点和受限网络，基于代表性状态传输（REST）模型，适用于智能能源和楼宇自动化等M2M应用。
数据分发服务（DDS） - 一种特定的M2M中间件，可在机器之间提供可扩展，实时，可靠，高性能和可互操作的数据交换。DDS可用于某些物联网实施。
可扩展消息传送和呈现协议（XMPP） - 基于XML（可扩展标记语言）的面向消息的中间件的通信协议，可以在任何两个或多个网络实体之间近乎实时地交换结构化且可扩展的数据。
高级消息队列协议（AMQP） - 面向消息中间件的开放标准应用层协议。 AMQP的定义特征是消息定向，排队，路由，可靠性和安全性。基于AMQP的解决方案的示例是RabbitMQ和StormMQ。
ZMQ - 一种高性能的异步消息库，旨在用于分布式应用程序或并发应用程序。它提供了一个没有专用的消息队列消息代理，类似于用于进程间通信（IPC）的伯克利套接字。
除了上述支持技术之外，语义技术，云服务和数据分析技术等高级数据管理和处理方法都有助于支持M2M的工业应用。数据在硬件和软件基础设施中的整合以及机器生成数据的潜在使用是该特定领域和IIoT系统未来的主要关注点。
2）现有的M2M消息传送技术
M2M消息传递技术是针对不同需求和使用场景的M2M通信而发明的。由于带宽限制或不可靠的连接（如MQTT），某些方法适用于处理不同级别的延迟下的轻量级消息传递，有些方法适用于资源受限的互联网设备，如CoAP等IoT应用程序中的WSN节点，其他一些则专注于数据格式，消息定向，排队，路由，可靠性和AMQP等安全性。有能力支持跨网络域（如XMPP）的服务发现的技术很强大，这些技术非常适合云计算，其中虚拟机和网络会对替代服务发现和基于状态的解决方案构成障碍。此外，还有一些旨在简化大数据应用的复杂网络编程，包括金融交易，空中交通管制，智能电网管理等，如DDS。还有一些技术提供了简单的连接，存在以及像ZMQ这样的应用程序级功能的灵活开发。
由于每种解决方案都有其优势和特别适合的应用领域，因此选择替代技术应基于工业应用实际情况。
- 相关工作
随着企业越来越意识到将地理上分散的人员，设备，传感器和机器连接到法人网络的价值，工业M2M市场正在经历快速转变。相关工作可以分为两类：（1）基于标准和协议的研究以及（2）特定于应用的设计和开发。
有许多标准开发组织（SDO）致力于系统框架和业务模式，称为制造参考架构（MRAs），例如欧洲电信标准协会（ETSI）M2M，智能制造领导联盟（SMLC）开放式制造平台（一个M2M参考架构）和微软离散制造参考架构（DiRA）。ETSI M2M服务架构是迈向通用M2M平台的第一步，该平台已经在统一通信功能和协议上提供了良好的成熟度[20]。SMLC是美国在下一代制造领域的一项举措，其目标是通过基于云的开放式架构制造基础设施和支持优化制造系统的实时应用的市场的无缝制造执行[21]。SMLC正在为协作工业联网信息应用构建开放的智能制造平台。OneM2M Global Initiative目前致力于非谐音参考架构，该架构集成了ETSI以前的工作以及开放移动联盟（OMA）和BroadBand Forum（BBF）[22]等其他标准组织的先前工作。此外，Microsoft Discrete Manufacturing Group开创了DiRA，这是一个基于云的框架，将制造网络中的智能设备连接起来，强调用户界面，企业级社交计算解决方案，智能连接设备和安全增强型解决方案[23]。
除了基于SDO的解决方案之外，还需在学术界和工业界进行调查。Lo等人[24]提出了一个结合了ETSI和第三代合作伙伴计划（3GPP）架构的以蜂窝为中心的M2M服务架构。该提议使用M2M中继节点作为数据连接器来实现基于隧道的聚合方案，该方案将来自几台机器的数据合并到相同的隧道出口点。为了解决用于M2M通信的蜂窝系统的随机接入信道中的服务器拥塞，Lien等人[25]向基站（BS）中的企业3GPP ACB提出了协作接入等级禁止（ACB）。Mougy等人[26]提出了动态无线M2M网络中资源管理的应用和情景感知框架。该框架由软件平台和推理引擎组成。该软件平台被设计为具有上下文感知能力，并使用多级适应来支持设备的动态协作。Lioumpas和Alexiou [27]研究了长期演进（LTE）网络中M2M设备的上行链路调度问题，Ratasuk，Tan和Ghosh [28]研究了M2M在LTE特定领域的覆盖范围和容量， Dhillon等人从功率和能量优化设计的角度对M2M通信中的权衡设计进行了研究[29]。大规模的M2M通信和表现[30]得到讨论，并且信任和安全问题在Bartoli等人发表的工作中得到了解决[31][32]。为了在不同平台上提供动态应用程序，Liu等人[33]提出了具有命名，寻址和配置文件功能的服务器（NAPS）作为中间件，以连接物联网感官环境中的不同平台。
除了对标准和框架的研究外，还有一些研究侧重于利用M2M通信进行实际应用的特定应用开发。在日常运营中的M2M系统可以在多种应用场景中找到，如远程监控，跟踪和示踪，设备管理和智能计量[34]。
Mougy等人[26]提出了一个应用程序和上下文感知框架用于动态无线M2M网络组成的软件平台和推理引擎的资源管理。Niyato等人[12]提出了具有网络架构的M2M家庭能源管理系统（HEMS），以收集家用电器的状态和功耗需求。Zhang等人[35]提出了一种M2M网络架构，用于家庭环境中的服务，如移动医疗保健，家庭自动化，安全，家电监控，照明和娱乐。本次调查针对家庭M2M网络中考虑视觉和多媒体需求的QoS管理问题，提出了QoS感知多媒体共享的跨层联合接纳和速率控制设计。Jung等人[36]提出了一种M2M医疗保健解决方案，将智能手机和IPv6技术集成到WSN中，用于健康监测并提供有效的医疗保健服务。Jung和Chun [37]介绍了全球M2M医疗系统，用6LoWPAN上的非侵入式低功耗嵌入式可穿戴传感器监测患者的健康状况。 Arce等人利用ZMQ在GPU和CPU之间进行数据交换，使用并行前馈神经网络（FFN）和计算机统一设备架构（CUDA）
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