嵌入式SIM卡通信模组在物联网中的应用研究
来源:用户上传
作者: 蒋文学
摘 要：阐述了无线通信模块中SIM卡在物联网应用中容易出现的问题，介绍了嵌入式SIM卡通信模组的市场需求、发展现状及关键技术和标准，探讨了中国移动在物联网嵌入式SIM卡通信模组方面的研究进展及应用现状，最后分析了嵌入式SIM卡通信模组在物联网业务发展中的意义。
关键词：嵌入式SIM卡；通信模组；物联网；无线通信
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095—1302（2012）10—0045—03
0 引 言
物联网（The Internet of Things）把新一代IT技术充分运用在各个行业中（如能源、交通、家庭、市政系统等），然后与现有通信网结合，实现人类社会与物理系统的整合。人类可以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。物联网是“M2M”（机器对机器）应用的归纳化表述，其在电力、车载、工控、市政等方面早已有大量成熟应用。专家预测，未来10年内物联网就可能大规模普及，到2020年，世界上物物互联的业务跟人与人通信的业务相比，将达到30比1，物联网被称为是下一个万亿级的信息技术产业。
1 嵌入式SIM卡模组发展现状及关键技术
1.1 物联网应用中存在的问题
无线模块可提供无线通信能力，是实现物联网的基础和核心部分。通过在机器上安装插有SIM卡的无线模块，可使机器终端无线接入移动网络，从而接入互联网，最终实现机器的联网。目前，物联网市场广泛应用的无线模块一般由三部分组成：通信模块、SIM卡插槽和普通SIM卡。类似于手机，SIM卡通过SIM卡插槽与通信模块连接，进行通信。随着物联网业务的蓬勃发展，普通SIM卡及SIM卡与通信模块分离的结构已经无法满足物联网细分市场的需求，在此方面主要存在以下两方面问题：
一是SIM卡本身无法满足工业级要求，损坏率高。SIM卡暴露在恶劣工作环境（如强电磁干扰、辐射、腐蚀等环境）会造成SIM卡氧化、腐蚀失效，而且卡磨损率高；另外，用户对SIM卡的读写频率较高。因此，普通SIM卡使用寿命短。
二是SIM卡和通信模块分离所带来的问题。如机卡分离，SIM卡接触不良，车辆震动环境，同时也有盗用和数据安全性问题。
1.2 嵌入式SIM卡通信模组的发展现状及关键技术
在物联网环境中，市场对SIM卡及模组的应用提出了新的需求。这主要包括：电力行业需要SIM卡要能够适应恶劣的工作环境、抗电磁干扰，具有较宽的温度适应范围；交通行业需要SIM卡能够抗震动、耐高温等；金融、税务行业需要SIM卡能够防盗用、防拆卡等。据Sierra Wireless预测，电力、交通、金融、税务行业在电力抄表、车载前装、车辆监控、无线POS机、税控机领域对专用SIM卡及模组的需求量巨大。面对庞大的客户需求，业界也逐步推出了一些SIM卡标准和产品。图1所示是目前物联网市场使用比较多的三种类型的SIM卡。
其中，工业级SIM卡采用通用SIM封装，外形与普通SIM卡相同 ，但材质和工艺与塑料SIM卡不同，具备更高的温度适应能力 ，更强的抗电磁干扰能力，而且读写次数更多，抗静电能力更强。这种SIM卡与塑料SIM卡使用方式相同，也需要SIM卡插槽，主要用来替换传统的SIM卡，适用于户外及对温度有特殊要求的M2M设备，如车载前装、中央空调监控等。M2M专用SIM卡在一定程度上解决了重要问题，但仍然不能解决SIM卡和通信模块分离而带来的其他问题。
工业级SIM卡的特点主要有：兼容普通SIM卡Plug—In外观，完全具备传统SIM卡的全部功能，采用特殊材料与定制芯片，工作温度范围大大延长，芯片擦写次数可增强至普通卡的5倍以上，但在一些恶劣环境下，其防震动和抗氧化性能有限。
另外就是嵌入式SIM卡，这其中之一就是一种Sierra Wireless inSIM一体化通信模块技术。该技术摒弃了SIM卡上的塑料部分，而将SIM卡芯片嵌入通信模块上的无线CPU内封装成一体化的硅片。这种嵌入式SIM卡可提供更宽的温度范围，具有抗湿、防振、防盗等能力，能有效地防止使用SIM卡插槽带来的问题（如摩擦、尘、断脚、氧化等），同时能加强SIM卡的固定性，防止SIM卡被取出，而且封装尺寸也比普通SIM卡更小。表1所列是Sierra Wireless inSIM卡的部分性能指标。
表1 Sierra Wireless inSIM部分性能指标参 数 性 能
可靠性 非常低场失败率（约100 ppm）
温度范围 —40～+85 ℃
湿度 99.99%
寿命 平均无故障时间40年
此外，业界还推出了另外两种嵌入式SIM卡标准，也就是SON—8或VQFN—8（贴片式）标准。2009年，ETSI发布了新的M2M嵌入式SIM卡标准 SON—8 （8 pins，5 mm×6 mm），也叫做 VQFN—8。这是工业化标准封装，可直接焊接在M2M设备上，具备普通形态卡的所有能力，同时可防盗用，可有效避免SIM卡从卡基脱落，具备强抗振动、抗腐蚀性能，可使用于环境相对恶劣的M2M设备，如放射源、下水道监控设备、靠近发动机装置的设备等。
嵌入式SIM卡的突出特点除了具备工业级SIM卡的特点外，其制作和封装工艺都发生了改变，inSim方式或焊接方式基本解决了震动和氧化对于卡片性能的影响。表2所列是捷德VQFN—8 SIM的部分性能指标。
表2 捷德VQFN—8 SIM部分性能指标
参 数 性 能
工作温度范围 —40～+105 ℃
可擦写次数 在25 ℃条件下大于50万次
数据保存时间 在85 ℃条件下可保持10年
防震动 符合JESD22—B103最高标准
防湿性 符合JESD22—A101
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-3660876.htm
