Usando um gateway IIoT de código aberto para acelerar a integração do dispositivo Modbus

Aplicativos industriais de internet das coisas (IIoT) normalmente exigem um gateway de ponta para integrar periféricos Modbus e outros dispositivos, mas implementar um gateway pode ser caro e demorado. Uma estrutura de computação de ponta de código aberto pode simplificar significativamente a implantação.
Internet das coisas industrial (IIoT) refere-se a dispositivos, sensores e atuadores interconectados em rede com infraestrutura industrial e aplicações, incluindo manufatura, transporte, energia, varejo, saúde e gerenciamento da cadeia de suprimentos. Essa conectividade permite a coleta, troca e análise de dados, potencialmente facilitando melhorias na produtividade e eficiência, bem como outros benefícios econômicos. A computação de ponta surgiu em resposta ao aumento das aplicações industriais de IoT. Na computação de ponta, os dados são processados ​​pelo próprio dispositivo ou por um computador ou servidor local, em vez de serem transmitidos para um data center.

Em casos de uso industrial, onde vários sensores precisam ter interface com gateways de borda, os arquitetos e desenvolvedores de soluções precisam decidir sobre o projeto de software e o desenvolvimento de gateways de borda; como processar dados de vários sensores; e como realizar análises de dados durante a fase de design e desenvolvimento. Em tais situações, se não houver uma estrutura de código aberto, o desenvolvimento do novo software e as correções de bugs podem consumir muito esforço e custo. Esses problemas podem ser atenuados usando estruturas de computação de ponta de código aberto para desenvolver software de gateway de ponta durante a fase de desenvolvimento. O EdgeX Foundry é uma estrutura de computação de ponta de código aberto que pode ser usada no desenvolvimento de software de um gateway de ponta, reduzindo a latência e o custo. Modbus é um protocolo aberto usado extensivamente em sistemas industriais e com o surgimento de requisitos de computação de ponta, a capacidade de fazer a interface de periféricos Modbus a um sistema de computação de ponta é importante.

Esta série de duas partes descreve o design de gateway de borda com base no EdgeX Foundry e o desenvolvimento de aplicativos para funcionalidades de computação de borda. Este primeiro artigo descreve sensores industriais com casos de uso e fornece uma visão geral dos requisitos de um gateway de borda junto com uma discussão sobre como o EdgeX atende aos requisitos de gateway de borda.

Visão geral dos sensores industriais

Na automação industrial, sensores e atuadores desempenham um papel crucial em qualquer produto intelectual. O sensor nos permite detectar, analisar e processar uma variedade de transformações. Os atuadores recebem sinais de sensores e executam ações com base em uma entrada.

Alguns dos sensores usados ​​nas indústrias são sensores de temperatura e umidade, sensores de pressão, sensores de proximidade, sensores de gás e produtos químicos e outros. Alguns dos casos de uso para esses sensores incluem o seguinte:

• A temperatura desempenha um papel fundamental na definição da integridade das amostras biológicas. Se as amostras não forem mantidas sob estrito controle de temperatura, elas se tornarão inúteis e afetarão as conclusões experimentais ou, pior ainda, a saúde do paciente. O administrador do sistema de TI do hospital pode instalar sensores de temperatura para monitorar a temperatura em laboratórios e clínicas 24 horas por dia.
• Alguns produtos são sensíveis à umidade e temperatura. Armazenar esses produtos em um depósito normal pode resultar em sua corrosão e, portanto, precisam ser armazenados em um ambiente climatizado. O gerente do warehouse pode colocar sensores para monitorar o ambiente do warehouse constantemente.
• Sensores de pressão são usados ​​para detectar as mudanças de pressão em gases e líquidos. Os sensores de pressão de água podem ser encaixados na parte superior de um tubo aberto submerso dentro do recipiente e usados ​​para medir o nível de água em um tanque ou a taxa de mudança no nível da água o tempo todo.

Em ambientes industriais em tempo real, as comunicações de dispositivo para dispositivo, uma comunicação unilateral ou bidirecional entre os dispositivos, ocorrem sistematicamente. Dependendo do fabricante do equipamento, um protocolo proprietário ou de código aberto é usado. Muitos fabricantes adaptam os protocolos abertos para se adaptarem para integrar facilmente seus produtos no mercado. Um dos protocolos de comunicação de automação mais comuns conectando dispositivos eletrônicos industriais e SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) é o Modbus.

A vantagem do protocolo Modbus é que oferece suporte a vários fabricantes, fornecedores de software, organizações de serviço e possui grupos comunitários ativos para suporte. Existem várias versões do protocolo Modbus para a porta serial e Ethernet e as mais comuns são Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP e Modbus Plus. Ele se comunica através de vários tipos de mídia física, como serial RS-232, RS-485, RS-422 e sobre Ethernet e é capaz de oferecer suporte a redes ponto a ponto e multiponto. Com o Modbus TCP / IP sobre Ethernet, o Modbus e outros tipos de protocolos mistos podem coexistir por meio da mesma interface física ao mesmo tempo. Esses recursos motivam as indústrias e usuários a optar pelos sensores compatíveis com o protocolo Modbus.

Visão geral do Edge Gateway

Conectividade do dispositivo

Um requisito fundamental de um gateway de borda é permitir a conectividade com os sensores e atuadores. Existem muitos protocolos da indústria que facilitam diferentes métodos de comunicação do dispositivo. Uma solução de ponta deve suportar os protocolos industriais mais comuns, como ZigBee, Bluetooth LE, BACnet, Modbus e Siemens S7.

Análise de dados e mecanismo de regras

Os dados podem ser calculados localmente com a capacidade do gateway de executar aplicativos localmente. Os serviços de inteligência artificial podem processar localmente dados provenientes de dispositivos downstream, reagir a insights localmente e enviar um subconjunto de dados para a nuvem. A criação de regras também é importante.

Armazenamento de dados

Além do processamento local, um gateway deve ter a capacidade de armazenar dados localmente. Esta é a chave para permitir que um gateway funcione de forma autônoma. A combinação de computação local e armazenamento local deve permitir que o gateway opere em modo offline também.

Interoperabilidade

Dispositivos e aplicativos conectados em execução em um gateway de borda devem fornecer interoperabilidade entre outros produtos ou sistemas.

Segurança

Os dados podem precisar ser trocados entre módulos diferentes em um gateway de borda, tais módulos e dispositivos precisam autenticar suas conexões entre si e, portanto, a segurança precisa ser integrada à solução de borda. Uma solução de ponta deve permitir controle de acesso baseado em permissão, comunicação criptografada segura, gerenciamento de certificados e integração com soluções de segurança existentes.

Gerenciamento de dispositivos

Os gateways de borda exigem uma maneira de gerenciar e acessar remotamente cada gateway individual. Os recursos de gerenciamento remoto devem permitir que os operadores iniciem, parem, configurem e atualizem remotamente um gateway e os dispositivos conectados a ele.

Conectividade em nuvem

A conectividade entre o gateway de borda e o sistema de nuvem é essencial. Pode ajudar no registro de dados precisos para uma análise profunda e na transferência dos dados coletados para outros aplicativos sob demanda.

Portabilidade

O software para uma solução de ponta deve ser portátil para diferentes sistemas operacionais e plataformas de hardware. Isso ajudará os usuários a evitar ficarem presos à solução de hardware e software de um fornecedor específico.

EdgeX Foundry

Por que código aberto em vez de desenvolvimento?

O desenvolvimento de uma nova estrutura de software consumirá muito tempo, esforços e custos. Requer mais tempo para cada estágio, como design, desenvolvimento e teste. O EdgeX Foundry é uma estrutura de computação de ponta de código aberto que já fornece todos os microsserviços necessários para a manutenção de um gateway de borda. Esta estrutura executa microsserviços fracamente acoplados e não há necessidade de executar todos os serviços juntos, portanto, apenas os serviços dependentes precisam ser executados. Outros serviços podem ser usados ​​conforme necessário. Por causa desses benefícios, uma estrutura de computação de ponta de código aberto é preferida como a base de software do gateway de borda.

O projeto EdgeX Foundry foi lançado sob a Linux Foundation. É uma plataforma aberta e interoperável para a borda da IoT. O framework está estruturado em diferentes camadas, cada uma composta por múltiplos microsserviços. A arquitetura modular permite aos usuários dimensionar, atualizar e distribuir facilmente a lógica em diferentes sistemas, melhorando a capacidade de manutenção.

EdgeX é compatível com sistemas Windows, macOS e Linux. Esta arquitetura de plataforma é projetada de forma que qualquer técnico possa aprender em um curto espaço de tempo, implementar e contribuir por conta própria.

O EdgeX acelera o tempo de colocação no mercado de soluções de ponta completas e / ou ofertas de SW / HW de ponta, fornecendo serviços de referência substituíveis para ingestão de dados de dispositivo, normalização, inteligência de ponta (AI / ML) e suporte de compartilhamento para novos serviços de dados IoT e aplicativos de computação avançada de ponta .

EdgeX já implementou em produtos como EdgeXpert, EdgeXRT, HP Engage Edge, EdgeBox e gateways Dell. O uso da estrutura EdgeX nesses muitos produtos aumenta ainda mais a confiança para uso em outros gateways de borda.

Como o EdgeX atende aos requisitos de gateway de borda?

O EdgeX Foundry é uma plataforma de software independente de fornecedor de código-fonte aberto que atua como middleware de ponta entre o sensoriamento físico e a atuação de “coisas” e um sistema de tecnologia da informação (TI).

Figura 1. EdgeX Foundry (Fonte:www.edgexfoundry.org)

Armazenamento de dados - banco de dados Redis

O EdgeX fornece Redis de código aberto como banco de dados por padrão. O Redis oferece uma gama diferente de opções de persistência, como RDB, AOF. É uma estrutura de dados na memória usada para armazenar e encaminhar. Isso ajuda nos casos em que os dispositivos de borda estão alternando entre os modos conectado e desconectado.

Data Analytics - Kuiper Rules Engine

O EdgeX fornece o EMQ X Kuiper, um pacote de software de código aberto leve para análise de borda de IoT e processamento de fluxo. Kuiper pode ser executado em vários dispositivos de borda com recursos limitados. As regras de Kuiper são baseadas em Source, SQL e Sink.

• Fonte:a fonte de dados de streaming de dados, como dados do corretor MQTT.
• SQL:SQL é onde você especifica a lógica de negócios do processamento de dados de streaming. Kuiper fornece instruções semelhantes a SQL que permitem ao usuário extrair, filtrar e transformar dados.
• Coletor:o coletor é usado para enviar o resultado da análise para um destino especificado, como o corretor MQTT ou um endereço HTTP REST.

As quatro etapas a seguir são necessárias para usar o Kuiper:

1. Crie um fluxo em que a fonte de dados precise ser especificada
2. Escreva uma regra / SQL para análise de dados
3. Especifique um destino coletor para salvar o resultado da análise
4. Implantar e executar a regra

Conectividade do dispositivo - Serviços do dispositivo

O EdgeX fornece quatro camadas de microsserviços fracamente acopladas. Entre eles, a camada de serviços do dispositivo interage com os serviços do dispositivo. Os serviços de dispositivo EdgeX traduzem informações provenientes de dispositivos por meio de centenas de protocolos e milhares de formatos e os trazem para o EdgeX.

Os serviços de dispositivo são os conectores de ponta que interagem com os dispositivos, como eletrodomésticos inteligentes, sensores, atuadores e quaisquer máquinas nas indústrias. Além de obter dados do sensor e dispositivos de atuação, os serviços do dispositivo também:

1. Obtenha atualizações de status de dispositivos / sensores
2. Transforme os dados antes de enviar os dados do sensor para o EdgeX
3. Alterar configuração
4. Descubra dispositivos

Os serviços do dispositivo podem atender a um ou vários dispositivos ao mesmo tempo. O dispositivo pode ser um gateway de borda / IoT (e todos os dispositivos desse gateway), um gerenciador de dispositivos, um hub de sensor, um serviço da web disponível em HTTP ou um sensor de software que atua como um dispositivo, ou coleção de dispositivos, para EdgeX Fundição.

Interoperabilidade - MQTT Broker e REST API

EdgeX oferece suporte a um protocolo de mensagens MQTT leve. Ele permite que o usuário publique ou assine o transporte de mensagens que é ideal para conectar dispositivos remotos com uma pegada de código pequena e largura de banda de rede mínima.

O EdgeX oferece suporte ao serviço de dispositivo de descanso, que fornece uma maneira fácil para aplicativos de terceiros enviarem dados para o EdgeX por meio do protocolo REST.

Segurança - Armazenamento de Segurança e Gateway de API

O EdgeX fornece dois componentes de segurança importantes. O primeiro é um armazenamento de segurança, que é usado para fornecer um local seguro para guardar os segredos do EdgeX, como senha, certificação e chave de acesso. O segundo é um gateway de API, que é usado como um proxy reverso para restringir o acesso aos recursos REST do EdgeX e executar trabalhos relacionados ao controle de acesso.

Gerenciamento de dispositivos - APIs de gerenciamento de dispositivos

O EdgeX oferece a opção de examinar a integridade periodicamente. As APIs de gerenciamento de dispositivo usadas para obter metadados sobre qualquer dispositivo.

Conectividade em nuvem

O EdgeX fornece suporte para conexão com plataformas em nuvem, como AWS, Microsoft Azure e nuvem IBM Watson.

A conectividade em nuvem no EdgeX é fornecida de duas maneiras:

1. Serviços de aplicativo:esses serviços precisam ser compilados para implantação para envio de dados a serviços em nuvem, como AWS e Microsoft Azure. Ele recebe dados diretamente do barramento de mensagem por meio do qual edgex-core-data publica eventos de dados.
2. Configurável de serviço de aplicativo:fornece uma maneira rápida de usar a configuração em vez de serviços de compilação para usar funções de desenvolvimento do SDK.

O segundo artigo oferecerá um estudo de caso de interface de um sensor industrial com o EdgeX para obter funcionalidades de computação de ponta.