Aproveitando OPC UA para Desenvolvimento Robusto de IIoT na Edge

Adaptado de Industrial Internet Application Development, por Alena Traukina, Jayant Thomas, Prashant Tyagi, Kishore Reddipalli.

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Capítulo 3. Desenvolvimento IIoT na Edge (Continuação)

Por Alena Traukina, Jayant Thomas, Prashant Tyagi, Kishore Reddipalli

Protocolos M2M Industriais – OPC UA

Nesta seção, tentaremos construir um app IoT simples para enviar dados de um módulo simulador de sensor a um dispositivo receptor (PC ou nuvem), usando um hub Raspberry Pi e o protocolo OPC UA:

O protocolo OPC UA é similar ao Modbus, mas trabalha com mais tipos de dados, não tem limitações sérias, enquanto provê segurança, compressão e baixa latência.

O protocolo foi desenvolvido pela OPC Foundation como protocolo de comunicação máquina-a-máquina industrial. OPC UA (Unified Architecture) é uma versão aprimorada do protocolo Open Platform Communications (OPC), com uma das maiores mudanças sendo que o novo protocolo está disponível gratuitamente sem restrições.

Na tabela a seguir, você encontra uma descrição mais detalhada do protocolo para entender se é adequado às suas necessidades:

Chave	Valor
Open source	Sim
Camada OSI	Transporte ou Aplicação
Tipos de dados	Inteiro, float, string, Booleano, data, hora, e mais
Limitações	Não adequado para arquitetura complexa
Operações possíveis	Leitura/escrita/monitoramento/consulta de variáveis
Latência	Baixa
Uso	IIoT
Segurança	Sim
Compressão	Sim

Tabela 5: Especificações do protocolo OPC UA

Requisitos para Construção da Aplicação

• Software necessário:
  • Node.js 6+ (download)
  • PostgreSQL (download)
  • Cloud Foundry CLI (download)
  • Request (página npm)
  • NodeOPCUA (página npm)
  • Async (página npm)
  • Docker (guia de instalação)
• Hardware necessário:
  • Raspberry Pi 3 (modelo B)
  • Adaptador de energia (2A/5V)
  • Cartão microSD (8 GB+) e adaptador SD
  • Cabo Ethernet para conexão de rede com fio

Preparando o Cartão SD

Para preparar um cartão SD, siga a sequência de ações descrita:

1. Baixe a imagem mais recente do Raspbian LITE (disponível em Raspberry Pi Downloads).
2. Conecte seu cartão SD a um computador e use o Etcher (balena.io/etcher) para gravar o arquivo .img do Raspbian no cartão SD.
3. Habilite SSH:

cd /Volumes/boot
touch ssh

4. Para habilitar Wi-Fi, crie wpa_supplicant.conf com o seguinte conteúdo:

network={
  ssid="SEU_SSID"
  psk="SUA_SENHA_WIFI"
}

Para criar um arquivo no console Linux, use o editor GNU nano. Ele vem pré-instalado na maioria das distribuições Linux. Execute o comando nano NOME_ARQUIVO e siga as instruções exibidas.

5. Crie o diretório /home/pi/hub
6. Crie o arquivo /home/pi/hub/package.json com o seguinte conteúdo:

{
  "name": "hub",
  "version": "1.0.0",
  "description": "",
  "main": "index.js",
  "scripts": {
    "start": "node index.js",
    "test": "echo \"Error: no test specified\" && exit 1"
  },
  "author": "",
  "license": "ISC",
  "dependencies": {
    "async": "^2.4.0",
    "node-opcua": "0.0.64",
    "request": "^2.81.0"
  }
}

7. Crie o arquivo /home/pi/hub/index.js com o seguinte conteúdo, substituindo REMOTE-SERVER-ADDRESS.com e REMOTE-SENSOR-ADDRESS por valores reais:

var opcua = require("node-opcua"); var async = require("async");
var request = require("request");
var session, subscription;
var client = new opcua.OPCUAClient();
var sensor = "opc.tcp://REMOTE-SENSOR-ADDRESS:4334/UA/resourcePath";
var receiver = "https://REMOTE-SERVER-ADDRESS.com:8080";
async.series( [
// estabelecendo conexão
function (cb) {
  client.connect(sensor, function (err) {
    if (err) {
      console.log("Conexão com " + sensor + " falhou");
    } else {
      console.log("Conexão bem-sucedida");
    }
    cb(err);
  });
},
// iniciar sessão
function (cb) {
  client.createSession(function (err, res) {
    if (!err) session = res;
    cb(err);
  });
},
// ler valor
function (cb) {
  session.readVariableValue("ns=1;s=Variable1", function (err, dataValue) {
    if (!err) console.log("Variable1 = ", dataValue.value.value);
    cb(err);
  });
},
// escrever valor
function (cb) {
  session.writeSingleNode("ns=1;s=Variable1", new opcua.Variant({
    dataType: opcua.DataType.Double, value: 100
  }), function (err) {
    cb(err);
  });
},
// assinar mudanças
function (cb) {
  subscription = new opcua.ClientSubscription(session, {
    maxNotificationsPerPublish: 5,
    priority: 5,
    publishingEnabled: true,
    requestedLifetimeCount: 5,
    requestedMaxKeepAliveCount: 3,
    requestedPublishingInterval: 500,
  });
  subscription.on("started", function () {
    console.log("subscription id: ", subscription.subscriptionId);
  }).on("terminated", function () {
    cb();
  });
  setTimeout(function () {
    subscription.terminate();
  }, 5000);
  // instalar item monitorado
  var monitor = subscription.monitor({
    attributeId: opcua.AttributeIds.Value,
    nodeId: opcua.resolveNodeId("ns=1;s=Variable1"),
  },
  {
    discardOldest: true,
    samplingInterval: 50,
    queueSize: 5,
  },
  opcua.read_service.TimestampsToReturn.Both
  );
  monitor.on("changed", function (dataValue) {
    console.log("Variable1 = ", dataValue.value.value);
    // enviar para receptor
    var data = {
      device: "sensor1",
      timestamp: Date.now(),
      Variable1: dataValue.value.value
    };
    request.post({url: receiver, form: data}, function (err) {
      if (err) console.log("Falha ao enviar " + JSON.stringify(data) + " para " + receiver);
    });
  });
},
// fechar sessão
function (cb) {
  session.close(function (err) {
    if (err) console.log("Falha ao fechar sessão"); cb();
  });
}
],
function (err) { if (err) {
  console.log("Falhou com erro:", err);
} else {
  console.log("Concluído com sucesso");
}
client.disconnect(function () {
});
}
);

8. Crie o arquivo /home/pi/hub/Dockerfile com o seguinte conteúdo:

FROM hypriot/rpi-node:boron-onbuild

9. Crie o diretório /home/pi/sensor
10. Crie o arquivo /home/pi/sensor/package.json com o seguinte conteúdo:

{
  "name": "sensor",
  "version": "1.0.0",
  "description": "",
  "main": "index.js",
  "scripts": {
    "start": "node index.js",
    "test": "echo \"Error: no test specified\" && exit 1"
  },
  "author": "",
  "license": "ISC",
  "dependencies": {
    "node-opcua": "0.0.64"
  }
}

11. Crie o arquivo /home/pi/sensor/index.js com o seguinte conteúdo:

var opcua = require("node-opcua");
var min = 1;
var max = 100;
var host = new opcua.OPCUAServer({
  buildInfo: {
    buildDate: new Date(2018, 8, 8),
    buildNumber: "1234",
    productName: "productName",
  },
  port: 4334,
  resourcePath: "UA/resourcePath",
});
host.initialize(function () {
  var space = host.engine.addressSpace;
  var componentOf = space.addObject({
    browseName: "browseName",
    organizedBy: space.rootFolder.objects,
  });
  var variable1 = 0;
  // gerar novo valor
  setInterval(function () {
    variable1 = Math.floor(max - Math.random() * (max - min));
  }, 500);
  space.addVariable({
    browseName: "browseName",
    componentOf: componentOf,
    dataType: "Double",
    nodeId: "ns=1;s=Variable1", // nodeID string
    value: {
      get: function () {
        return new opcua.Variant({dataType: opcua.DataType.Double, value: variable1});
      },
      set: function (variant) {
        variable1 = parseFloat(variant.value);
        return opcua.StatusCodes.Good;
      }
    }
  });
  host.start(function () {
    var endpoint = host.endpoints[0].endpointDescriptions()[0].endpointUrl;
    console.log("Endpoint: ", endpoint);
  });
});

12. Configure os valores min e max no início do arquivo /home/pi/sensor/index.js.

13. Crie o arquivo /home/pi/sensor/Dockerfile com o seguinte conteúdo:

FROM hypriot/rpi-node:boron-onbuild