Integração Transparente de Sensor Modbus Usando EdgeX Foundry no Raspberry Pi

Integração Transparente de Sensor Modbus Usando EdgeX Foundry no Raspberry Pi

Implantações de Industrial Internet of Things (IIoT) dependem cada vez mais de gateways de borda para conectar periféricos Modbus com análises em nuvem. Construir gateway proprietário pode ser caro e lento. Este case study demonstra como framework open-source – EdgeX Foundry – pode ser implantado em Raspberry Pi para conectar sensor Modbus de temperatura-umidade, transmitir dados para nuvem e acionar atuações em tempo real com esforço mínimo.

Por que Modbus e EdgeX?

Modbus é protocolo aberto e leve que roda sobre links RS-485 baratos. Usa registradores simples (inteiros sem sinal de 16 bits) para valores analógicos e coils para estados binários, tornando-o ideal para dispositivos industriais. EdgeX Foundry, middleware de borda open-source, atua como ponte entre sensores físicos e sistemas de TI, fornecendo gerenciamento de dispositivos, transformação de dados e conectividade com nuvem out of the box.

Stack de Hardware

• Raspberry Pi 4 (gateway de borda)
• Sensor Modbus RTU: SHT20 (temperatura & umidade)
• Conversor RS-485 para USB
• LEDs para status visual (GPIO-12 & GPIO-14)
• Fonte de alimentação USB

Figura 1: Figura 1. EdgeX Foundry – middleware de borda open-source

Figura 2: Figura 2. Diagrama de blocos de alto nível da implantação EdgeX

Integração Passo a Passo

1. Configure o Raspberry Pi
   • Instale Ubuntu 20.04 LTS com Docker e docker-compose.
   • Clone o repositório EdgeX Foundry e inicie stack via docker-compose.
2. Simule dispositivo Modbus
   • Use ModbusPal (GPL) para emular até 247 slaves Modbus.
   • Configure slave com holding registers para temperatura (endereço 2) e umidade (endereço 3). Cada register mapeia para inteiro de 16 bits que será escalado para °C e %UR.
   • Inicie ModbusPal sobre TCP ou serial (USB-RS485) para verificar comunicação.
3. Carregue perfil do dispositivo

   Envie requisição POST para https://localhost:48081/api/v1/deviceprofile/uploadfile com arquivo YAML contendo perfil (veja abaixo). Resposta retorna ID único do perfil.

4. Registre o dispositivo

   Poste JSON seguinte para https://localhost:48081/api/v1/device para criar entrada do sensor. Seção protocols.modbus-rtu aponta para /dev/ttyUSB0 a 9600 baud.

   { "name": "TemperatureHumiditySensor", "description": "Industrial Grade Temperature & Humidity Transmitter SHT20", "adminState": "UNLOCKED", "operatingState": "ENABLED", "protocols": { "modbus-rtu": { "Address": "/dev/ttyUSB0", "BaudRate": "9600", "DataBits": "8", "StopBits": "1", "Parity": "N", "UnitID": "1" } }, "labels": ["TemperatureHumiditySensor","modbusRTU"], "service": {"name": "edgex-device-modbus"}, "profile": {"name": "TemperatureHumiditySensor"}, "autoEvents": [ {"frequency": "5s", "onChange": false, "resource": "TemperatureDegC"}, {"frequency": "5s", "onChange": false, "resource": "HumidityPercentRH"} ] }

5. Verifique fluxo de dados
   • Serviço de dispositivo EdgeX puxa dados a cada 5 s e escreve no core service, que armazena no Redis.
   • Serviços de aplicação encaminham dados para IBM Cloud (ou nuvem de escolha).
   • Entradas de log mostram pacotes de request/response Modbus.
6. Atue LEDs com motor de regras Kuiper
   • Defina regras: se temperatura > 30 °C ligue LED vermelho; se < 30 °C desligue; similar para azul LED a 28 °C.
   • Kuiper empurra comandos para EdgeX core-command, que então atualiza serviço de dispositivo GPIO.
   • Saídas GPIO verificadas via /sys/class/gpio/gpio12/value e /sys/class/gpio/gpio14/value.

Snippets de Configuração-Chave

Perfil do dispositivo (YAML)

name: TemperatureHumiditySensor manufacturer: ROBOKITS model: RKI-4879 labels: - SHT20 description: Industrial Grade Temperature & Humidity Transmitter SHT20 Sensor High Precision Monitoring Modbus RS485 deviceResources: - name: TemperatureDegC description: Room Temperature in Degrees Celsius. attributes: { primaryTable: INPUT_REGISTERS, startingAddress: 2, rawType: INT16 } properties: value: { type: Float32, readWrite: R, scale: 0.1, floatEncoding: eNotation } units: { type: String, readWrite: R, defaultValue: degrees celsius } - name: HumidityPercentRH description: Room Humidity in %RH. attributes: { primaryTable: INPUT_REGISTERS, startingAddress: 3, rawType: INT16 } properties: value: { type: Float32, readWrite: R, scale: 0.1, floatEncoding: eNotation } units: { type: String, readWrite: R, defaultValue: %RH } deviceCommands: - name: TemperatureDegC get: [{ index: 1, operation: get, deviceResource: TemperatureDegC }] - name: HumidityPercentRH get: [{ index: 2, operation: get, deviceResource: HumidityPercentRH }] coreCommands: - name: TemperatureDegC get: path: /api/v1/device/{deviceId}/TemperatureDegC responses: - code: 200 description: Get the temperature in degrees C expectedValues: [TemperatureDegC] - name: HumidityPercentRH get: path: /api/v1/device/{deviceId}/HumidityPercentRH responses: - code: 200 description: Get the humidity in %RH expectedValues: [HumidityPercentRH]

configuração TOML device-modbus (trecho)

[DeviceList] Name = "TemperatureHumiditySensor" Profile = "TemperatureHumiditySensor" Description = "Industrial Grade Temperature & Humidity Transmitter SHT20" labels = ["TemperatureHumiditySensor","modbusRTU"] [DeviceList.Protocols.modbus-rtu] Address = "/dev/ttyUSB0" BaudRate = 9600 DataBits = 8 StopBits = 1 Parity = "N" UnitID = 1 [[DeviceList.AutoEvents]] Frequency = "5s" OnChange = false Resource = "TemperatureDegC" [[DeviceList.AutoEvents]] Frequency = "5s" OnChange = false Resource = "HumidityPercentRH"

Resultados

Fluxo ponta-a-ponta mostra dados de temperatura e umidade em tempo real chegando na IBM Cloud, acionando mudanças de status de LED baseadas em regras, demonstrando capacidades completas do EdgeX em Raspberry Pi de baixo custo.

Conclusão

EdgeX Foundry permite implantação rápida de soluções IIoT baseadas em Modbus com overhead mínimo de desenvolvimento. Ao abstrair gerenciamento de dispositivos, armazenamento de dados e conectividade com nuvem, liberta engenheiros para focar em lógica de domínio e análises.

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