OPC UA für robuste IIoT Edge-Entwicklung nutzen

Adaptiert aus Industrial Internet Application Development, von Alena Traukina, Jayant Thomas, Prashant Tyagi, Kishore Reddipalli.

Kapitel 3. IIoT Edge-Entwicklung (Fortsetzung)

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

Industrielle M2M Protokolle – OPC UA

In diesem Abschnitt bauen wir eine einfache IoT App, um Daten von einem Sensor Simulator Modul an ein Empfängergerät (PC oder Cloud) zu senden, menggunakan einen Raspberry Pi Hub und das OPC UA Protokoll:

Das OPC UA Protokoll ähnelt Modbus, arbeitet aber mit mehr Datentypen, hat keine ernsthaften Limitations und bietet Sicherheit, Kompression und niedrige Latenz.

Das Protokoll wurde von der OPC Foundation als industrielles Machine-to-Machine Kommunikationsprotokoll entwickelt. OPC UA (Unified Architecture) ist eine verbesserte Version des Open Platform Communications (OPC) Protokolls, wobei eine der großen Änderungen ist, dass das neue Protokoll kostenlos und ohne Restriktionen verfügbar ist.

In der folgenden Tabelle finden Sie eine detailliertere Beschreibung des Protokolls, um zu beurteilen, ob es für Ihre Bedürfnisse geeignet ist:

Tabelle 5: OPC UA Protokollspezifikationen

Benötigte Komponenten

• Software:
  • Node.js 6+ (Download)
  • PostgreSQL (Download)
  • Cloud Foundry CLI (Download)
  • Request (npm)
  • NodeOPCUA (npm)
  • Async (npm)
  • Docker (Installation)
• Hardware:
  • Raspberry Pi 3 (Model B)
  • Netzteil (2A/5V)
  • microSD Karte (8 GB+) und SD Adapter
  • Ethernet Kabel für kabelgebundene Netzwerkverbindung

SD Karte vorbereiten

1. Laden Sie das neueste Raspbian LITE Image herunter (verfügbar unter https://raspberrypi.org/downloads/raspbian/).
2. Verbinden Sie Ihre SD Karte mit einem Computer und nutzen Sie Etcher (https://www.balena.io/etcher/), um das Raspbian .img File auf die SD Karte zu flashen.
3. Aktivieren Sie SSH:

cd /Volumes/boot
touch ssh

4. Für Wi-Fi erstellen Sie wpa_supplicant.conf mit folgendem Inhalt:

network={
 ssid="YOUR_SSID"
 psk="YOUR_WIFI_PASSWORD"
}

Zum Erstellen einer Datei in der Linux Konsole nutzen Sie den GNU nano Editor. Er ist in den meisten Linux Distributionen vorinstalliert. Führen Sie einfach nano DATEINAME aus und folgen Sie den Anweisungen.

5. Erstellen Sie /home/pi/hub
6. Erstellen Sie /home/pi/hub/package.json mit folgendem Inhalt:

{
 "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. Erstellen Sie /home/pi/hub/index.js mit folgendem Inhalt, ersetzen Sie REMOTE-SERVER-ADDRESS.com und REMOTE-SENSOR-ADDRESS durch echte Werte:

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( [
// Verbindung herstellen
function (cb) {
 client.connect(sensor, function (err) {
 if (err) {
 console.log("Connection to " + sensor + "failed");
 } else {
 console.log("Connection successful");
 }
 cb(err);
 });
},
// Session starten
function (cb) {
 client.createSession(function (err, res) {
 if (!err) session = res;
 cb(err);
 });
},
// Wert lesen
function (cb) {
 session.readVariableValue("ns=1;s=Variable1", function (err, dataValue) {
 if (!err) console.log("Variable1 = ", dataValue.value.value);
 cb(err);
 });
},
// Wert schreiben
function (cb) {
 session.writeSingleNode("ns=1;s=Variable1", new opcua.Variant({
 dataType: opcua.DataType.Double, value: 100
 }), function (err) {
 cb(err);
 });
},
// Changes abonnieren
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);
 // Monitored Item installieren
 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);
 // An Receiver senden
 var data = {
 device: "sensor1",
 timestamp: Date.now(),
 Variable1: dataValue.value.value
 };
 request.post({url: receiver, form: data}, function (err) {
 if (err) console.log("Failed to send " + JSON.stringify(data) + " to " + receiver);
 });
 });
},
// Session schließen
function (cb) {
 session.close(function (err) {
 if (err) console.log("Failed to close session"); cb();
 });
}
],
function (err) { if (err) {
 console.log("Failed with error:", err);
} else {
 console.log("Successfully finished");
}
client.disconnect(function () {
});
}
);

8. Erstellen Sie /home/pi/hub/Dockerfile:

FROM hypriot/rpi-node:boron-onbuild

9. Erstellen Sie /home/pi/sensor
10. Erstellen Sie /home/pi/sensor/package.json:

{
 "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. Erstellen Sie /home/pi/sensor/index.js:

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;
 // Neuen Wert generieren
 setInterval(function () {
 variable1 = Math.floor(max - Math.random() * (max - min));
 }, 500);
 space.addVariable({
 browseName: "browseName",
 componentOf: componentOf,
 dataType: "Double",
 nodeId: "ns=1;s=Variable1",
 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. Konfigurieren Sie min und max Werte am Anfang der /home/pi/sensor/index.js Datei.

13. Erstellen Sie /home/pi/sensor/Dockerfile:

FROM hypriot/rpi-node:boron-onbuild