Een open source IIoT-gateway gebruiken om de integratie van Modbus-apparaten te versnellen

Industriële internet of things (IIoT)-toepassingen vereisen doorgaans een edge-gateway om Modbus-randapparatuur en andere apparaten te integreren, maar het implementeren van een gateway kan kostbaar en tijdrovend zijn. Een open source edge computing-framework kan de implementatie aanzienlijk vereenvoudigen.

Industrial Internet of Things (IIoT) verwijst naar onderling verbonden apparaten, sensoren en actuatoren die in een netwerk zijn verbonden met industriële infrastructuur en toepassingen, waaronder productie, transport, energie, detailhandel, gezondheidszorg en supply chain management. Deze connectiviteit maakt het verzamelen, uitwisselen en analyseren van gegevens mogelijk, wat mogelijk verbeteringen in productiviteit en efficiëntie mogelijk maakt, evenals andere economische voordelen. Edge computing ontstond als reactie op de opkomst van industriële IoT-toepassingen. Bij edge computing worden gegevens verwerkt door het apparaat zelf of door een lokale computer of server, in plaats van naar een datacenter te worden verzonden.

In industriële gebruikssituaties, waar een aantal sensoren moeten worden gekoppeld aan edge-gateways, moeten oplossingsarchitecten en ontwikkelaars beslissen over het softwareontwerp en de ontwikkeling van edge-gateways; hoe gegevens van verschillende sensoren te verwerken; en hoe data-analyse uit te voeren tijdens de ontwerp- en ontwikkelingsfase. In dergelijke situaties, als er geen open source framework is, kunnen de ontwikkeling van nieuwe software en het oplossen van bugs veel moeite en kosten vergen. Deze problemen kunnen worden verholpen door gebruik te maken van open source edge computing-frameworks om edge gateway-software te ontwikkelen tijdens de ontwikkelingsfase. EdgeX Foundry is een open source edge computing-framework dat kan worden gebruikt bij de softwareontwikkeling van een edge-gateway, waardoor latentie en kosten worden verminderd. Modbus is een open protocol dat veel wordt gebruikt in industriële systemen en met de opkomst van edge computing-vereisten is de mogelijkheid om Modbus-randapparatuur te koppelen aan een edge computing-systeem belangrijk.

Deze tweedelige serie beschrijft EdgeX Foundry-gebaseerd edge gateway-ontwerp en de ontwikkeling van applicaties voor edge computing-functionaliteiten. Dit eerste artikel beschrijft industriële sensoren met gebruiksscenario's en geeft een overzicht van de vereisten van een edge-gateway, samen met een discussie over hoe EdgeX de vereisten van de edge-gateway aanpakt.

Overzicht industriële sensoren

In industriële automatisering spelen sensoren en actuatoren een cruciale rol in alle intellectuele producten. Sensor laat ons verschillende transformaties detecteren, analyseren en verwerken. Actuatoren ontvangen signalen van sensoren en voeren acties uit op basis van een input.

Sommige van de sensoren die in industrieën worden gebruikt, zijn temperatuur- en vochtigheidssensoren, druksensoren, naderingssensoren, gas- en chemische sensoren en andere. Enkele van de gebruiksscenario's voor deze sensoren zijn onder meer:

• Temperatuur speelt een sleutelrol bij het bepalen van de integriteit van biologische monsters. Als de monsters niet onder strikte temperatuurcontrole worden gehouden, worden ze onbruikbaar en beïnvloeden ze experimentele conclusies of erger nog, de gezondheid van de patiënt. De IT-systeembeheerder van het ziekenhuis kan temperatuursensoren installeren om de temperatuur in laboratoria en klinieken de klok rond te bewaken.
• Sommige producten zijn gevoelig voor vochtigheid en temperatuur. Het opslaan van dergelijke producten in een normaal magazijn kan leiden tot corrosie en moeten daarom worden opgeslagen in een klimaatgecontroleerde omgeving. De magazijnmanager kan sensoren plaatsen om de magazijnomgeving constant te bewaken.
• Druksensoren worden gebruikt om de drukveranderingen in gassen en vloeistoffen waar te nemen. De waterdruksensoren kunnen aan de bovenkant van een buis met open uiteinde worden ondergedompeld in de container en worden gebruikt om het waterniveau in een tank te meten, of de snelheid van verandering in het waterniveau de hele tijd.

In realtime industriële omgevingen vindt de apparaat-naar-apparaatcommunicatie, eenrichtings- of tweerichtingscommunicatie tussen apparaten systematisch plaats. Afhankelijk van de fabrikant van de apparatuur wordt een propriëtair of open source protocol gebruikt. Veel fabrikanten passen de open protocollen aan om hun product gemakkelijk in de markt te integreren. Een van de meest voorkomende communicatieprotocollen voor automatisering die industriële elektronische apparaten en SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) verbinden, is Modbus.

Het voordeel van het Modbus-protocol is dat het meerdere fabrikanten, softwareleveranciers, serviceorganisaties ondersteunt en actieve gemeenschapsgroepen heeft voor ondersteuning. Er bestaan ​​verschillende versies van het Modbus-protocol voor de seriële poort en Ethernet en de meest voorkomende zijn Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP en Modbus Plus. Het communiceert via verschillende soorten fysieke media zoals seriële RS-232, RS-485, RS-422 en via Ethernet en ondersteunt zowel peer-to-peer- als multi-drop-netwerken. Met Modbus TCP/IP over Ethernet kunnen Modbus en andere typen gemengde protocollen tegelijkertijd via dezelfde fysieke interface naast elkaar bestaan. Deze functies motiveren de industrieën en gebruikers om te kiezen voor de door het Modbus-protocol ondersteunde sensoren.

Overzicht Edge Gateway

Apparaatconnectiviteit

Een belangrijke vereiste van een edge-gateway is om connectiviteit met de sensoren en actuatoren mogelijk te maken. Er zijn veel industrieprotocollen die verschillende methoden voor apparaatcommunicatie mogelijk maken. Een edge-oplossing moet de meest voorkomende industriële protocollen ondersteunen, zoals ZigBee, Bluetooth LE, BACnet, Modbus en Siemens S7.

Data-analyse en Rules Engine

Gegevens kunnen lokaal worden berekend met de mogelijkheid van de gateway om applicaties lokaal uit te voeren. Kunstmatige-intelligentiediensten kunnen lokaal gegevens verwerken die afkomstig zijn van downstream-apparaten, lokaal reageren op inzichten en een subset van gegevens naar de cloud sturen. Het maken van regels is ook een belangrijke.

Gegevensopslag

Naast lokale verwerking moet een gateway de mogelijkheid hebben om gegevens lokaal op te slaan. Dit is essentieel om een ​​gateway autonoom te laten werken. De combinatie van lokale berekening en lokale opslag zou de gateway ook in staat moeten stellen om offline te werken.

Interoperabiliteit

Verbonden apparaten en applicaties die op een edge-gateway draaien, moeten interoperabiliteit tussen andere producten of systemen bieden.

Beveiliging

De gegevens moeten mogelijk worden uitgewisseld tussen verschillende modules in een edge-gateway, dergelijke modules en apparaten moeten hun verbindingen met elkaar verifiëren en daarom moet beveiliging worden geïntegreerd in de edge-oplossing. Een edge-oplossing moet toegangscontrole op basis van toestemming, veilige versleutelde communicatie, certificaatbeheer en integratie in bestaande beveiligingsoplossingen mogelijk maken.

Apparaatbeheer

Edge-gateways vereisen een manier om elke afzonderlijke gateway op afstand te beheren en te openen. Dankzij de functies voor beheer op afstand kunnen operators op afstand een gateway en de eraan gekoppelde apparaten starten, stoppen, configureren en bijwerken.

Cloud-connectiviteit

De connectiviteit tussen edge gateway en cloudsysteem is essentieel. Het kan helpen bij het loggen van nauwkeurige gegevens voor diepgaande analyse en het op verzoek overbrengen van de verzamelde gegevens naar andere applicaties.

Draagbaarheid

De software voor een edge-oplossing moet overdraagbaar zijn naar verschillende besturingssystemen en hardwareplatforms. Het helpt gebruikers te voorkomen dat ze vastzitten in de hardware- en softwareoplossing van een specifieke leverancier.

EdgeX Foundry

Waarom open source in plaats van ontwikkeling?

Het ontwikkelen van een nieuw softwareraamwerk zal veel tijd, moeite en kosten vergen. Het vereist de meeste tijd voor elke fase, zoals ontwerp, ontwikkeling en testen. EdgeX Foundry is een open source edge computing-framework dat al alle microservices biedt die nodig zijn voor een edge-gateway-serviceability. Dit raamwerk voert losjes gekoppelde microservices uit en het is niet nodig om alle services samen uit te voeren, dus alleen afhankelijke services hoeven te worden uitgevoerd. Andere diensten kunnen indien nodig worden gebruikt. Vanwege deze voordelen heeft een open source edge computing-framework de voorkeur als softwarebasis van de edge-gateway.

Het EdgeX Foundry-project is gelanceerd onder de Linux Foundation. Het is een open, interoperabel platform voor de IoT-edge. Het raamwerk is gestructureerd in verschillende lagen, elk bestaande uit meerdere microservices. Dankzij de modulaire architectuur kunnen gebruikers de logica eenvoudig schalen, bijwerken en distribueren naar verschillende systemen, waardoor de onderhoudbaarheid wordt verbeterd.

EdgeX is compatibel met Windows-, macOS- en Linux-systemen. Deze platformarchitectuur is zo ontworpen dat elke techneut het in korte tijd kan leren, zelf kan implementeren en er zelf aan kan bijdragen.

EdgeX versnelt de time-to-market voor complete edge-oplossingen en/of edge SW/HW-aanbiedingen door vervangbare referentieservices te bieden voor de opname van apparaatgegevens, normalisatie, edge intelligence (AI/ML) en het delen van ondersteuning voor nieuwe IoT-dataservices en geavanceerde edge computing-applicaties .

EdgeX is al geïmplementeerd in producten zoals EdgeXpert, EdgeXRT, HP Engage Edge, EdgeBox en Dell gateways. Het gebruik van het EdgeX-framework in deze vele producten vergroot het vertrouwen voor gebruik in andere edge-gateways.

Hoe EdgeX de vereisten van de edge-gateway aanpakt?

EdgeX Foundry is een open source, leveranciersneutraal softwareplatform dat dient als edge-middleware tussen fysieke detectie en activering van "dingen" en een informatietechnologie (IT)-systeem.

Figuur 1. EdgeX Foundry (Bron:www.edgexfoundry.org)

Gegevensopslag – Redis DB

EdgeX biedt standaard open source Redis als database. Redis biedt een ander scala aan persistentie-opties, zoals RDB, AOF. Het is een gegevensstructuur in het geheugen die wordt gebruikt om op te slaan en door te sturen. Dit helpt in het geval dat edge-apparaten schakelen tussen verbonden en niet-verbonden modi.

Data-analyse – Kuiper Rules Engine

EdgeX biedt EMQ X Kuiper, een lichtgewicht open source softwarepakket voor IoT edge-analyse en streamverwerking. Kuiper kan draaien op verschillende randapparatuur met beperkte bronnen. Kuiper-regels zijn gebaseerd op Source, SQL en Sink.

• Bron:de gegevensbron van streaminggegevens, zoals gegevens van MQTT-broker.
• SQL:SQL is waar u de bedrijfslogica van streaminggegevensverwerking specificeert. Kuiper biedt SQL-achtige instructies waarmee de gebruiker gegevens kan extraheren, filteren en transformeren.
• Sink:Sink wordt gebruikt voor het verzenden van analyseresultaten naar een gespecificeerd doel zoals MQTT-broker of een HTTP REST-adres.

De volgende vier stappen zijn vereist om Kuiper te gebruiken:

1. Maak een stream waarin de gegevensbron moet worden opgegeven
2. Schrijf een SQL/regel voor gegevensanalyse
3. Specificeer een doel voor het opslaan van analyseresultaten
4. Regel implementeren en uitvoeren

Apparaatconnectiviteit – Apparaatservices

EdgeX biedt vier losjes gekoppelde microservicelagen. Onder hen interageert de laag apparaatservices met apparaatservices. EdgeX-apparaatservices vertalen informatie die van apparaten komt via honderden protocollen en duizenden formaten en brengen deze naar EdgeX.

Apparaatservices zijn de randconnectoren die interactie hebben met de apparaten, zoals slimme huishoudelijke apparaten, sensoren, actuatoren en alle machines in industrieën. Naast het verkrijgen van sensorgegevens en het aansturen van apparaten, bieden apparaatservices ook:

1. Ontvang statusupdates van apparaten/sensoren
2. Gegevens transformeren voordat sensorgegevens naar EdgeX worden verzonden
3. Configuratie wijzigen
4. Apparaten ontdekken

Apparaatservices kunnen één of meerdere apparaten tegelijk bedienen. Het apparaat kan een edge/IoT-gateway zijn (en alle apparaten van die gateway), een apparaatbeheerder, een sensorhub, een webservice die beschikbaar is via HTTP, of een softwaresensor die fungeert als een apparaat, of een verzameling apparaten, voor EdgeX Gieterij.

Interoperabiliteit – MQTT Broker en REST API

EdgeX ondersteunt een lichtgewicht MQTT-berichtenprotocol. Het stelt de gebruiker in staat om berichtentransport te publiceren of te abonneren dat ideaal is voor het verbinden van externe apparaten met een kleine codevoetafdruk en minimale netwerkbandbreedte.

EdgeX ondersteunt de service voor restapparaten, waarmee applicaties van derden op een gemakkelijke manier gegevens naar EdgeX kunnen pushen via het REST-protocol.

Beveiliging – Beveiligingswinkel en API-gateway

EdgeX biedt twee belangrijke beveiligingscomponenten. De eerste is een beveiligingswinkel, die wordt gebruikt om een ​​veilige plek te bieden om de EdgeX-geheimen zoals wachtwoord, certificering en toegangssleutel te bewaren. De tweede is een API-gateway, die wordt gebruikt als een omgekeerde proxy om de toegang tot EdgeX REST-bronnen te beperken en aan toegangscontrole gerelateerde werkzaamheden uit te voeren.

Apparaatbeheer – API's voor apparaatbeheer

EdgeX biedt een optie om de gezondheid periodiek te onderzoeken. De apparaatbeheer-API's die worden gebruikt om metagegevens over elk apparaat te krijgen.

Cloud-connectiviteit

EdgeX biedt ondersteuning om verbinding te maken met cloudplatforms zoals AWS, Microsoft Azure en IBM Watson cloud.

De cloudconnectiviteit in EdgeX wordt op twee manieren gegeven:

1. Applicatieservices:deze services moeten worden gecompileerd om te worden geïmplementeerd voor het verzenden van gegevens naar cloudservices zoals AWS en Microsoft Azure. Het ontvangt gegevens rechtstreeks van de berichtenbus waarmee edgex-core-data gegevensgebeurtenissen publiceert.
2. Applicatieservice configureerbaar:het biedt een snelle manier om configuratie te gebruiken in plaats van services te compileren om ingebouwde SDK-functies te gebruiken.

Het tweede artikel biedt een case study van het koppelen van een industriële sensor aan EdgeX voor het bereiken van edge computing-functionaliteiten.