Verwendung eines Open-Source-IIoT-Gateways zur Beschleunigung der Modbus-Geräteintegration

Industrielle Internet-of-Things-Anwendungen (IIoT) erfordern normalerweise ein Edge-Gateway zur Integration von Modbus-Peripheriegeräten und anderen Geräten, aber die Implementierung eines Gateways kann kostspielig und zeitaufwändig sein. Ein Open-Source-Edge-Computing-Framework kann die Bereitstellung erheblich vereinfachen.

Industrial Internet of Things (IIoT) bezieht sich auf miteinander verbundene Geräte, Sensoren und Aktoren, die mit industrieller Infrastruktur und Anwendungen wie Fertigung, Transport, Energie, Einzelhandel, Gesundheitswesen und Lieferkettenmanagement vernetzt sind. Diese Konnektivität ermöglicht die Erfassung, den Austausch und die Analyse von Daten, wodurch möglicherweise Produktivitäts- und Effizienzsteigerungen sowie andere wirtschaftliche Vorteile erzielt werden. Edge Computing entstand als Reaktion auf den Aufstieg industrieller IoT-Anwendungen. Beim Edge Computing werden Daten vom Gerät selbst oder von einem lokalen Computer oder Server verarbeitet und nicht an ein Rechenzentrum übertragen.

In industriellen Anwendungsfällen, in denen eine Reihe von Sensoren mit Edge-Gateways verbunden werden müssen, müssen Lösungsarchitekten und Entwickler über das Softwaredesign und die Entwicklung von Edge-Gateways entscheiden; wie man Daten von verschiedenen Sensoren verarbeitet; und wie man Datenanalysen während der Design- und Entwicklungsphase durchführt. In solchen Situationen, wenn kein Open-Source-Framework vorhanden ist, können die Entwicklung neuer Software und Fehlerbehebungen viel Aufwand und Kosten in Anspruch nehmen. Diese Probleme können durch die Verwendung von Open-Source-Edge-Computing-Frameworks gemildert werden, um Edge-Gateway-Software während der Entwicklungsphase zu entwickeln. EdgeX Foundry ist ein Open-Source-Edge-Computing-Framework, das bei der Softwareentwicklung eines Edge-Gateways verwendet werden kann, um Latenz und Kosten zu reduzieren. Modbus ist ein offenes Protokoll, das häufig in industriellen Systemen verwendet wird, und mit dem Aufkommen von Edge-Computing-Anforderungen ist die Fähigkeit wichtig, Modbus-Peripheriegeräte an ein Edge-Computing-System anzuschließen.

Diese zweiteilige Serie beschreibt das EdgeX Foundry-basierte Edge-Gateway-Design und die Entwicklung von Anwendungen für Edge-Computing-Funktionalitäten. Dieser erste Artikel beschreibt industrielle Sensoren mit Anwendungsfällen und bietet einen Überblick über die Anforderungen eines Edge-Gateways sowie eine Diskussion darüber, wie EdgeX die Anforderungen von Edge-Gateways erfüllt.

Übersicht über industrielle Sensoren

In der industriellen Automatisierung spielen Sensoren und Aktoren in allen intellektuellen Produkten eine entscheidende Rolle. Mit Sensoren können wir eine Vielzahl von Transformationen erkennen, analysieren und verarbeiten. Aktoren empfangen Signale von Sensoren und führen Aktionen basierend auf einer Eingabe aus.

Einige der in der Industrie verwendeten Sensoren sind Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, Drucksensoren, Näherungssensoren, Gas- und Chemikaliensensoren und andere. Einige der Anwendungsfälle für diese Sensoren umfassen Folgendes:

• Die Temperatur spielt eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der Integrität biologischer Proben. Wenn die Proben nicht unter strenger Temperaturkontrolle aufbewahrt werden, werden sie unbrauchbar und beeinträchtigen experimentelle Schlussfolgerungen oder, noch schlimmer, die Gesundheit des Patienten. Der IT-Systemadministrator des Krankenhauses kann Temperatursensoren installieren, um die Temperatur in Labors und Kliniken rund um die Uhr zu überwachen.
• Einige Produkte sind empfindlich gegenüber Feuchtigkeit und Temperatur. Die Lagerung solcher Produkte in einem normalen Lagerhaus kann zu Korrosion führen und muss daher in einer klimatisierten Umgebung gelagert werden. Der Lagerleiter kann Sensoren platzieren, um die Lagerumgebung ständig zu überwachen.
• Drucksensoren werden verwendet, um Druckänderungen in Gasen und Flüssigkeiten zu erfassen. Die Wasserdrucksensoren können oben an einem in den Behälter eingetauchten Rohr mit offenem Ende angebracht werden und zur Messung des Wasserstands in einem Tank oder der ständigen Änderung des Wasserstands verwendet werden.

In industriellen Echtzeitumgebungen erfolgt die Gerät-zu-Gerät-Kommunikation, eine unidirektionale oder bidirektionale Kommunikation zwischen Geräten systematisch. Je nach Gerätehersteller wird ein proprietäres oder Open Source Protokoll verwendet. Viele Hersteller passen die offenen Protokolle an, um ihre Produkte leicht in den Markt zu integrieren. Eines der gebräuchlichsten Kommunikationsprotokolle für die Automatisierung, das industrielle elektronische Geräte und SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) verbindet, ist Modbus.

Der Vorteil des Modbus-Protokolls besteht darin, dass es mehrere Hersteller, Softwareanbieter und Serviceorganisationen unterstützt und aktive Community-Gruppen zur Unterstützung hat. Es gibt mehrere Versionen des Modbus-Protokolls für die serielle Schnittstelle und Ethernet und die gebräuchlichsten sind Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP und Modbus Plus. Es kommuniziert über verschiedene Arten von physischen Medien wie serielle RS-232, RS-485, RS-422 und über Ethernet und kann sowohl Peer-to-Peer- als auch Multi-Drop-Netzwerke unterstützen. Mit Modbus TCP/IP über Ethernet können Modbus und andere Arten von gemischten Protokollen gleichzeitig über dieselbe physikalische Schnittstelle koexistieren. Diese Funktionen motivieren die Branchen und Benutzer, sich für die vom Modbus-Protokoll unterstützten Sensoren zu entscheiden.

Edge Gateway-Übersicht

Gerätekonnektivität

Eine wesentliche Anforderung an ein Edge-Gateway besteht darin, die Konnektivität mit den Sensoren und Aktoren zu ermöglichen. Es gibt viele Industrieprotokolle, die verschiedene Methoden der Gerätekommunikation ermöglichen. Eine Edge-Lösung sollte die gängigsten Industrieprotokolle wie ZigBee, Bluetooth LE, BACnet, Modbus und Siemens S7 unterstützen.

Datenanalyse- und Regelmodul

Daten können lokal berechnet werden, da das Gateway Anwendungen lokal ausführen kann. Künstliche Intelligenzdienste können Daten von nachgeschalteten Geräten lokal verarbeiten, lokal auf Erkenntnisse reagieren und eine Teilmenge der Daten in die Cloud senden. Auch die Erstellung von Regeln ist wichtig.

Datenspeicherung

Neben der lokalen Verarbeitung sollte ein Gateway die Möglichkeit haben, Daten lokal zu speichern. Dies ist der Schlüssel zum autonomen Betrieb eines Gateways. Die Kombination aus lokaler Berechnung und lokaler Speicherung sollte es dem Gateway auch ermöglichen, im Offline-Modus zu arbeiten.

Interoperabilität

Verbundene Geräte und Anwendungen, die auf einem Edge-Gateway ausgeführt werden, sollten Interoperabilität zwischen anderen Produkten oder Systemen bieten.

Sicherheit

Die Daten müssen möglicherweise über verschiedene Module in einem Edge-Gateway ausgetauscht werden, solche Module und Geräte müssen ihre Verbindungen zueinander authentifizieren und daher muss die Sicherheit in die Edge-Lösung integriert werden. Eine Edge-Lösung sollte eine berechtigungsbasierte Zugangskontrolle, sichere verschlüsselte Kommunikation, Zertifikatsverwaltung und Integration in bestehende Sicherheitslösungen ermöglichen.

Geräteverwaltung

Edge-Gateways erfordern eine Möglichkeit, jedes einzelne Gateway aus der Ferne zu verwalten und darauf zuzugreifen. Die Fernverwaltungsfunktionen sollten es Betreibern ermöglichen, ein Gateway und die daran angeschlossenen Geräte aus der Ferne zu starten, zu stoppen, zu konfigurieren und zu aktualisieren.

Cloud-Konnektivität

Die Konnektivität zwischen Edge-Gateway und Cloud-System ist von wesentlicher Bedeutung. Es kann dabei helfen, genaue Daten für eine eingehende Analyse zu protokollieren und die gesammelten Daten bei Bedarf an andere Anwendungen zu übertragen.

Portabilität

Die Software für eine Edge-Lösung sollte auf verschiedene Betriebssysteme und Hardwareplattformen portierbar sein. Es hilft Benutzern zu vermeiden, an die Hardware- und Softwarelösung eines bestimmten Anbieters gebunden zu sein.

EdgeX Foundry

Warum Open Source statt Entwicklung?

Die Entwicklung eines neuen Software-Frameworks wird viel Zeit, Aufwand und Kosten in Anspruch nehmen. Es erfordert die meiste Zeit für jede einzelne Phase wie Design, Entwicklung und Test. EdgeX Foundry ist ein Open-Source-Edge-Computing-Framework, das bereits alle Mikrodienste bereitstellt, die für die Servicefähigkeit eines Edge-Gateways erforderlich sind. Dieses Framework führt lose gekoppelte Mikrodienste aus, und es ist nicht erforderlich, alle Dienste zusammen auszuführen, sodass nur abhängige Dienste ausgeführt werden müssen. Andere Dienste können nach Bedarf genutzt werden. Aufgrund dieser Vorteile wird ein Open-Source-Edge-Computing-Framework als Softwaregrundlage des Edge-Gateways bevorzugt.

Das EdgeX Foundry-Projekt wurde unter der Linux Foundation ins Leben gerufen. Es ist eine offene, interoperable Plattform für den IoT-Edge. Das Framework ist in verschiedene Schichten strukturiert, von denen jede aus mehreren Mikrodiensten besteht. Die modulare Architektur ermöglicht es Benutzern, die Logik einfach zu skalieren, zu aktualisieren und auf verschiedene Systeme zu verteilen, wodurch die Wartbarkeit verbessert wird.

EdgeX ist mit Windows-, macOS- und Linux-Systemen kompatibel. Diese Plattformarchitektur ist so konzipiert, dass sie jeder Technikfreak in kurzer Zeit erlernen, selbst implementieren und beitragen kann.

EdgeX beschleunigt die Markteinführungszeit für komplette Edge-Lösungen und/oder Edge-SW/HW-Angebote durch die Bereitstellung austauschbarer Referenzdienste für die Gerätedatenaufnahme, Normalisierung, Edge Intelligence (AI/ML) und die gemeinsame Unterstützung neuer IoT-Datendienste und fortschrittlicher Edge-Computing-Anwendungen .

EdgeX wurde bereits in Produkten wie EdgeXpert, EdgeXRT, HP Engage Edge, EdgeBox und Dell Gateways implementiert. Die Verwendung des EdgeX-Frameworks in diesen vielen Produkten baut das Vertrauen für die Verwendung in anderen Edge-Gateways weiter auf.

Wie geht EdgeX mit den Edge-Gateway-Anforderungen um?

EdgeX Foundry ist eine herstellerneutrale Open-Source-Softwareplattform, die als Edge-Middleware zwischen physischer Erfassung und Betätigung von „Dingen“ und einem Informationstechnologiesystem (IT) dient.

Abbildung 1. EdgeX Foundry (Quelle:www.edgexfoundry.org)

Datenspeicherung – Redis DB

EdgeX bietet standardmäßig Open Source Redis als Datenbank. Redis bietet verschiedene Persistenzoptionen wie RDB, AOF. Es ist eine In-Memory-Datenstruktur, die zum Speichern und Weiterleiten verwendet wird. Dies hilft in Fällen, in denen Edge-Geräte zwischen verbundenen und getrennten Modi wechseln.

Datenanalyse – Kuiper Rules Engine

EdgeX bietet EMQ X Kuiper, ein leichtes Open-Source-Softwarepaket für IoT-Edge-Analyse und Stream-Verarbeitung. Kuiper kann auf verschiedenen ressourcenbeschränkten Edge-Geräten ausgeführt werden. Kuiper-Regeln basieren auf Source, SQL und Sink.

• Quelle:Die Datenquelle von Streaming-Daten, z. B. Daten vom MQTT-Broker.
• SQL:In SQL legen Sie die Geschäftslogik der Streaming-Datenverarbeitung fest. Kuiper bietet SQL-ähnliche Anweisungen, die es dem Benutzer ermöglichen, Daten zu extrahieren, zu filtern und zu transformieren.
• Sink:Sink wird verwendet, um Analyseergebnisse an ein angegebenes Ziel wie einen MQTT-Broker oder eine HTTP-REST-Adresse zu senden.

Die folgenden vier Schritte sind für die Verwendung von Kuiper erforderlich:

1. Erstellen Sie einen Stream, in dem die Datenquelle angegeben werden muss
2. Schreiben Sie eine SQL/Regel für die Datenanalyse
3. Geben Sie ein Senkenziel zum Speichern des Analyseergebnisses an
4. Regel bereitstellen und ausführen

Gerätekonnektivität – Gerätedienste

EdgeX bietet vier lose gekoppelte Micro-Services-Schichten. Unter ihnen interagiert die Gerätediensteschicht mit den Gerätediensten. EdgeX-Gerätedienste übersetzen Informationen von Geräten über Hunderte von Protokollen und Tausende von Formaten und bringen sie in EdgeX.

Device Services sind die Edge Connectors, die mit den Geräten wie Smart Home Appliances, Sensoren, Aktoren und allen Maschinen in der Industrie interagieren. Neben dem Abrufen von Sensordaten und Betätigungsgeräten werden Gerätedienste auch:

1. Erhalte Status-Updates von Geräten/Sensoren
2. Transformieren Sie Daten, bevor Sie Sensordaten an EdgeX senden
3. Konfiguration ändern
4. Geräte entdecken

Gerätedienste können ein oder mehrere Geräte gleichzeitig bedienen. Das Gerät kann ein Edge-/IoT-Gateway (und alle Geräte dieses Gateways), ein Gerätemanager, ein Sensor-Hub, ein über HTTP verfügbarer Webdienst oder ein Softwaresensor sein, der als Gerät oder eine Sammlung von Geräten für EdgeX . fungiert Gießerei.

Interoperabilität – MQTT Broker und REST API

EdgeX unterstützt ein schlankes MQTT-Messaging-Protokoll. Es ermöglicht Benutzern, den Messaging-Transport zu veröffentlichen oder zu abonnieren, der sich ideal für die Verbindung von Remote-Geräten mit geringem Code-Footprint und minimaler Netzwerkbandbreite eignet.

EdgeX unterstützt den Restgerätedienst, der eine einfache Möglichkeit für Anwendungen von Drittanbietern bietet, Daten über das REST-Protokoll in EdgeX zu übertragen.

Sicherheit – Sicherheitsspeicher und API-Gateway

EdgeX bietet zwei wichtige Sicherheitskomponenten. Der erste ist ein Sicherheitsspeicher, der verwendet wird, um einen sicheren Ort zum Aufbewahren der EdgeX-Geheimnisse wie Passwort, Zertifizierung und Zugriffsschlüssel bereitzustellen. Das zweite ist ein API-Gateway, das als Reverse-Proxy verwendet wird, um den Zugriff auf EdgeX-REST-Ressourcen einzuschränken und Arbeiten im Zusammenhang mit der Zugriffssteuerung durchzuführen.

Geräteverwaltung – Geräteverwaltungs-APIs

EdgeX bietet eine Option zur regelmäßigen Überprüfung des Zustands. Die Geräteverwaltungs-APIs, die verwendet werden, um Metadaten zu jedem Gerät abzurufen.

Cloud-Konnektivität

EdgeX bietet Unterstützung für die Verbindung mit Cloud-Plattformen wie AWS, Microsoft Azure und IBM Watson Cloud.

Die Cloud-Konnektivität in EdgeX wird auf zwei Arten bereitgestellt:

1. Anwendungsdienste:Diese Dienste müssen kompiliert werden, um sie zum Senden von Daten an Cloud-Dienste wie AWS und Microsoft Azure bereitzustellen. Es empfängt Daten direkt vom Nachrichtenbus, über den edgex-core-data Datenereignisse veröffentlicht.
2. Anwendungsdienst konfigurierbar:Bietet eine schnelle Möglichkeit, die Konfiguration zu verwenden, anstatt Dienste zu kompilieren, um eingebaute SDK-Funktionen zu verwenden.

Der zweite Artikel bietet eine Fallstudie zur Anbindung eines Industriesensors an EdgeX, um Edge-Computing-Funktionalitäten zu erreichen.