使用开源工业物联网网关加速Modbus设备集成

文章作者:Vediyappan Villali, Vijay Annamalaisamy和Sathya Durai

工业物联网(IIoT)是指与工业基础设施和应用(包括制造、运输、能源、零售、医疗保健和供应链管理)联网的互连设备、传感器和执行器。这种连接允许数据收集、交换和分析，可能有助于提高生产率和效率以及其他经济效益。随着工业物联网应用的兴起，边缘计算应运而生。在边缘计算中，数据是由设备本身或本地计算机或服务器处理的，而不是被传输到数据中心。

在工业用例中，许多传感器需要与边缘网关连接，解决方案架构师和开发人员需要决定边缘网关的软件设计和开发;如何处理来自各种传感器的数据;以及如何在设计和开发阶段执行数据分析。在这种情况下，如果没有开放源码框架，新的软件开发和bug修复可能会消耗大量的精力和成本。在开发阶段使用开源边缘计算框架开发边缘网关软件可以缓解这些问题。EdgeX Foundry是一个开源的边缘计算框架，可以用于边缘网关的软件开发，降低延迟和成本。Modbus是一种广泛用于工业系统的开放协议，随着边缘计算需求的出现，将Modbus外围设备连接到边缘计算系统的能力非常重要。

这两部分系列介绍了基于Edgex铸造的边缘网关设计和开发边缘计算功能的应用。本第一篇文章介绍了具有用例的工业传感器，并提供了边缘网关要求的概述，以及关于edgex如何解决边缘网关要求的讨论。

工业传感器的概述

在工业自动化领域，传感器和执行器在任何智能产品中都扮演着至关重要的角色。传感器让我们检测、分析和处理各种变换。执行器接收来自传感器的信号，并根据输入执行动作。

工业中使用的传感器有温度和湿度传感器、压力传感器、接近传感器、气体和化学传感器等。这些传感器的一些用例包括:

• 温度在定义生物样品的完整性方面发挥着关键作用。如果样品不受严格的温度控制，它们将变得无用，影响实验结论甚至更糟，患者的健康。医院的IT系统管理员可以安装温度传感器，以监控时钟的实验室和诊所的温度。
• 有些产品对湿度和温度很敏感。将此类产品储存在普通仓库可能会导致其腐蚀，因此需要储存在气候可控的环境中。仓库经理可以放置传感器来持续监控仓库环境。
• 压力传感器用来感知气体和液体中的压力变化。水压力传感器可以安装在容器内的开放式管的顶部，用于测量水箱内的水位，或随时测量水位的变化率。

在实时工业环境中，设备通信设备，设备之间的单向或双向通信系统地发生。根据设备制造商，使用专有或开源协议。许多制造商调整开放式协议，以便轻松地将其产品集成在市场上。连接工业电子设备和SCADA（监控和数据采集）的最常见的自动化通信协议之一是Modbus。

Modbus协议的优势在于支持多个制造商、软件供应商、服务组织，并有活跃的社区团体支持。用于串口和以太网的Modbus协议有几个版本，最常见的是Modbus RTU、Modbus ASCII、Modbus TCP和Modbus Plus。它通过多种类型的物理介质(如串行RS-232、RS-485、RS-422)和以太网进行通信，并能够支持点对点和多滴网络。通过Modbus TCP/IP over Ethernet, Modbus和其他类型的混合协议可以通过同一物理接口同时共存。这些特性促使业界和用户选择Modbus协议支持的传感器。

边缘网关概述

设备连接

边缘网关的一个关键要求是实现与传感器和驱动器的连接。有许多行业协议可以促进不同的设备通信方法。边缘解决方案应支持最常见的工业协议，如ZigBee、蓝牙LE、BACnet、Modbus和西门子S7。

数据分析和规则引擎

通过网关在本地运行应用程序的能力，数据可以在本地计算。人工智能服务可以在本地处理来自下游设备的数据，对本地的见解做出反应，并将数据子集发送到云。规则的创建也是一个重要的方面。

数据存储

除了本地处理之外，网关还应该具备本地存储数据的能力。这是允许网关自主运行的关键。本地计算和本地存储的结合也应该允许网关在脱机模式下运行。

可操作性

在边缘网关上运行的连接设备和应用程序应该提供跨其他产品或系统的互操作性。

安全

数据可能需要在边缘网关的不同模块之间交换，这些模块和设备需要对彼此的连接进行身份验证，因此需要将安全性集成到边缘解决方案中。边缘解决方案应该允许基于权限的访问控制、安全加密通信、证书管理和集成到现有的安全解决方案中。

设备管理

边缘网关需要一种远程管理和访问每个网关的方法。远程管理功能应允许操作员远程启动，停止，配置和更新网关和附加到它的设备。

云连接

边缘网关和云系统之间的连接是必不可少的。它可能有助于记录深度分析的准确数据，并按需将收集的数据转移到其他应用程序。

可移植性

边缘解决方案的软件应便于不同的操作系统和硬件平台。它将帮助用户避免被锁定为特定的供应商的硬件和软件解决方案。

EdgeX铸造

为什么开源而不是发展？

开发一个新的软件框架将消耗大量的时间，努力和成本。它需要每个和每个阶段的大多数时间，如设计，开发和测试。Edgex Foundry是一个开源边缘计算框架，它已经提供了Edge Gateway可维护性所需的所有Micro服务。此框架运行松散耦合的微型服务，无需将所有服务一起运行，因此只需要运行依赖的服务。可以根据需要使用其他服务。由于这些益处，开源边缘计算框架是优选的作为边缘的软件基础。

的EdgeX铸造项目已在Linux基金会下推出。它是IOT Edge的一个开放式可互操作的平台。该框架在不同的层中结构，每个都由多个微型服务组成。模块化架构允许用户轻松扩展，更新和将逻辑分配到不同的系统中，从而提高可维护性。

Edgex与Windows，MacOS和Linux系统兼容。该平台架构的设计是以任何Techie都可以在短时间内学习它的方式设计，实现和贡献自己。

EdgeX通过为设备数据获取、标准化、边缘智能(AI/ML)提供可替换的参考服务，并为新的物联网数据服务和高级边缘计算应用提供共享支持，加快了完整边缘解决方案和/或边缘SW/HW产品的上市时间。

EdgeX已经在EdgeXpert、EdgeXRT、HP Engage Edge、EdgeBox和Dell网关等产品中实现。EdgeX框架在这些产品中的使用进一步建立了在其他边缘网关中使用的信任。

EdgeX如何满足边缘网关的需求?

Edgex Foundry是一个开源，供应商中性软件平台，它是物理传感和执行“事物”和信息技术（IT）系统之间的边缘中间件。

图1所示。EdgeX Foundry(来源:www.edgexfoundry.org)

数据存储 - Redis DB

默认情况下，EDGEX将开源REDIS作为数据库提供。Redis提供了不同范围的持久性选项，如RDB，AOF。它是用于存储和转发的内存数据结构。这有助于边缘设备的情况正在连接和断开模式之间切换。

数据分析-柯伊伯规则引擎

Edgex提供EMQ X Kuiper，一个用于IoT边缘分析和流处理的轻量级开源软件包。Kuiper可以在各种资源受限的边缘设备上运行。Kuiper规则基于源，SQL和宿。

• 源:流数据的数据源，例如来自MQTT代理的数据。
• SQL: SQL是指定流数据处理业务逻辑的地方。Kuiper提供了类似sql的语句，允许用户提取、过滤和转换数据。
• inrin：inrin用于将分析结果发送到指定的目标，例如MQTT代理或HTTP REST地址。

使用Kuiper需要以下四个步骤：

1. 创建一个需要指定数据源的流
2. 编写用于数据分析的SQL/规则
3. 指定用于保存分析结果的汇聚目标
4. 部署和运行规则

设备连接-设备服务

Edgex提供四个松散耦合的微服务层。其中，设备服务层与设备服务交互。Edgex设备服务通过数百个协议和数千种格式转换来自设备的信息，并将它们带入Edgex。

设备服务是与诸如智能家电、传感器、驱动器和工业中的任何机器等设备交互的边缘连接器。除了获取传感器数据和驱动设备，设备服务还包括:

1. 从设备/传感器获取状态更新
2. 在将传感器数据发送到EdgeX之前对数据进行转换
3. 改变配置
4. 发现设备

设备服务可以一次服务一个或多个设备。的device could be an edge/IoT gateway (and all of that gateway’s devices), a device manager, a sensor hub, a web service available over HTTP, or a software sensor that acts as a device, or collection of devices, to EdgeX Foundry.

可操作性 - MQTT经纪人和REST API

EdgeX支持轻量级MQTT消息传递协议。它允许用户发布或订阅消息传递，这对于用较少的代码占用和最小的网络带宽连接远程设备非常理想。

EdgeX支持rest设备服务，为第三方应用通过rest协议将数据推送到EdgeX提供了一种简单的方式。

安全-安全存储和API网关

EdgeX提供了两个关键的安全组件。第一个是安全存储，用于提供一个安全的地方来保存EdgeX机密信息，如密码、认证和访问密钥。第二个是API网关，它用作反向代理来限制对EdgeX REST资源的访问，并执行访问控制相关的工作。

设备管理—设备管理接口

Edgex提供定期检查健康的选项。设备管理API用于获取有关任何设备的元数据。

云连接

Edgex提供了支持连接到AWS，Microsoft Azure和IBM Watson Cloud等云平台。

EdgeX中的云连接有两种方式:

1. 应用程序服务：需要编译这些服务以部署以向云服务发送数据，例如AW和Microsoft Azure等云服务。它直接从邮件总线接收数据，通过该消息通过该数据发布数据事件。
2. 应用程序服务可配置：它提供了一种快速的方法来使用配置而不是编译服务在SDK功能中使用构建。

第二篇文章将提供一个将工业传感器与EdgeX连接起来以实现边缘计算功能的案例研究。

这篇文章最初发表于嵌入式．

Vediyappan Villali是HCL Technologies的首席工程师。他的工作是开发和测试嵌入式软件产品。他是嵌入式平台实验室COE的一员。

Vijay Annamalaisamy是HCL技术的高级技术专家。他在为多个领域的产品开发嵌入式软件方面有丰富的经验。他是嵌入式平台实验室COE的一部分，并为各种项目做出了贡献。

Sathya Durai是高级解决方案架构师与HCL技术。他在多个领域的产品的嵌入式软件开发中扮演架构师的角色有丰富的经验。他是嵌入式平台实验室COE的一部分，并为各种项目做出了贡献。