Menggunakan gateway IIoT open source untuk mempercepat integrasi perangkat Modbus
Aplikasi industrial internet of things (IIoT) biasanya memerlukan gateway tepi untuk mengintegrasikan periferal Modbus dan perangkat lain, tetapi menerapkan gateway bisa memakan biaya dan waktu. Kerangka kerja komputasi tepi sumber terbuka dapat menyederhanakan penerapan secara signifikan.
Industrial Internet of Things (IIoT) mengacu pada perangkat, sensor, dan aktuator yang saling terhubung yang terhubung ke jaringan bersama dengan infrastruktur dan aplikasi industri termasuk manufaktur, transportasi, energi, ritel, perawatan kesehatan, dan manajemen rantai pasokan. Konektivitas ini memungkinkan pengumpulan, pertukaran, dan analisis data, yang berpotensi memfasilitasi peningkatan produktivitas dan efisiensi serta manfaat ekonomi lainnya. Komputasi tepi muncul sebagai tanggapan atas munculnya aplikasi IoT industri. Dalam komputasi tepi, data diproses oleh perangkat itu sendiri atau oleh komputer atau server lokal, bukan dikirim ke pusat data.
Dalam kasus penggunaan industri, di mana sejumlah sensor perlu dihubungkan dengan gateway tepi, arsitek solusi dan pengembang perlu memutuskan desain perangkat lunak dan pengembangan gateway tepi; cara mengolah data dari berbagai sensor; dan bagaimana melakukan analisis data selama fase desain dan pengembangan. Dalam situasi seperti itu, jika tidak ada kerangka kerja sumber terbuka, pengembangan perangkat lunak baru dan perbaikan bug dapat menghabiskan banyak usaha dan biaya. Masalah-masalah ini dapat dikurangi dengan menggunakan kerangka kerja komputasi tepi sumber terbuka untuk mengembangkan perangkat lunak gateway tepi selama fase pengembangan. EdgeX Foundry adalah kerangka kerja komputasi tepi sumber terbuka yang dapat digunakan dalam pengembangan perangkat lunak gateway tepi, mengurangi latensi dan biaya. Modbus adalah protokol terbuka yang digunakan secara luas dalam sistem industri dan dengan munculnya persyaratan komputasi tepi, kemampuan untuk menghubungkan periferal Modbus ke sistem komputasi tepi menjadi penting.
Seri dua bagian ini menjelaskan desain gateway tepi berbasis EdgeX Foundry dan mengembangkan aplikasi untuk fungsionalitas komputasi tepi. Artikel pertama ini menjelaskan sensor industri dengan kasus penggunaan dan memberikan ikhtisar tentang persyaratan gateway tepi bersama dengan diskusi tentang bagaimana EdgeX menangani persyaratan gateway tepi.
Ikhtisar Sensor Industri
Dalam otomasi industri, sensor dan aktuator memainkan peran penting dalam setiap produk intelektual. Sensor memungkinkan kami untuk mendeteksi, menganalisis, dan memproses berbagai transformasi. Aktuator menerima sinyal dari sensor dan melakukan tindakan berdasarkan input.
Beberapa sensor yang digunakan dalam industri adalah sensor suhu dan kelembaban, sensor tekanan, sensor jarak, sensor gas dan kimia, dan lain-lain. Beberapa kasus penggunaan untuk sensor ini meliputi:
Suhu memainkan peran kunci dalam menentukan integritas sampel biologis. Jika sampel tidak disimpan di bawah kontrol suhu yang ketat, mereka akan menjadi tidak berguna dan mempengaruhi kesimpulan eksperimental atau bahkan lebih buruk, kesehatan pasien. Administrator sistem TI rumah sakit dapat memasang sensor suhu untuk memantau suhu di laboratorium dan klinik sepanjang waktu.
Beberapa produk sensitif terhadap kelembapan dan suhu. Menyimpan produk semacam itu di gudang normal dapat menyebabkan korosi dan karenanya perlu disimpan di lingkungan yang dikontrol iklim. Manajer gudang dapat menempatkan sensor untuk memantau lingkungan gudang secara konstan.
Sensor tekanan digunakan untuk merasakan perubahan tekanan dalam gas dan cairan. Sensor tekanan air dapat dipasang di bagian atas tabung terbuka yang terendam di dalam wadah dan digunakan untuk mengukur ketinggian air dalam tangki, atau laju perubahan ketinggian air sepanjang waktu.
Dalam lingkungan industri real-time, komunikasi perangkat ke perangkat, komunikasi satu arah atau dua arah antar perangkat terjadi secara sistematis. Tergantung pada produsen peralatan, protokol sumber terbuka atau berpemilik digunakan. Banyak produsen mengadaptasi protokol terbuka untuk beradaptasi dengan mudah mengintegrasikan produk mereka di pasar. Salah satu protokol komunikasi otomasi paling umum yang menghubungkan perangkat elektronik industri dan SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) adalah Modbus.
Keuntungan dari protokol Modbus adalah mendukung banyak pabrikan, vendor perangkat lunak, organisasi layanan, dan memiliki kelompok komunitas yang aktif untuk dukungan. Beberapa versi protokol Modbus ada untuk port serial dan Ethernet dan yang paling umum adalah Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP dan Modbus Plus. Ini berkomunikasi melalui beberapa jenis media fisik seperti serial RS-232, RS-485, RS-422 dan over Ethernet dan mampu mendukung jaringan peer-to-peer dan multi-drop. Dengan Modbus TCP/IP melalui Ethernet, Modbus dan jenis protokol campuran lainnya dapat hidup berdampingan melalui antarmuka fisik yang sama pada waktu yang bersamaan. Fitur-fitur ini memotivasi industri dan pengguna untuk memilih sensor yang didukung protokol Modbus.
Ikhtisar Edge Gateway
Konektivitas Perangkat
Persyaratan utama gateway tepi adalah mengaktifkan konektivitas dengan sensor dan aktuator. Ada banyak protokol industri yang memfasilitasi berbagai metode komunikasi perangkat. Solusi edge harus mendukung protokol industri yang paling umum seperti ZigBee, Bluetooth LE, BACnet, Modbus, dan Siemens S7.
Analisis Data dan Mesin Aturan
Data dapat dihitung secara lokal dengan kemampuan gateway untuk menjalankan aplikasi secara lokal. Layanan kecerdasan buatan dapat secara lokal memproses data yang berasal dari perangkat hilir, bereaksi terhadap wawasan secara lokal, dan mengirim sebagian data ke cloud. Pembuatan aturan juga penting.
Penyimpanan Data
Selain pemrosesan lokal, gateway harus memiliki kemampuan untuk menyimpan data secara lokal. Ini adalah kunci untuk memungkinkan gateway berjalan secara mandiri. Kombinasi komputasi lokal dan penyimpanan lokal seharusnya memungkinkan gateway untuk beroperasi dalam mode offline juga.
Antar-operasional
Perangkat dan aplikasi yang terhubung yang berjalan di edge gateway harus menyediakan interoperabilitas di seluruh produk atau sistem lain.
Keamanan
Data mungkin perlu dipertukarkan di berbagai modul di gateway edge, modul dan perangkat tersebut perlu mengotentikasi koneksi mereka satu sama lain dan karenanya keamanan perlu diintegrasikan ke dalam solusi edge. Solusi edge harus memungkinkan kontrol akses berbasis izin, komunikasi terenkripsi yang aman, manajemen sertifikat, dan integrasi ke dalam solusi keamanan yang ada.
Pengelolaan Perangkat
Gateway tepi memerlukan cara untuk mengelola dan mengakses setiap gateway individu dari jarak jauh. Fitur manajemen jarak jauh harus memungkinkan operator untuk memulai, menghentikan, mengonfigurasi, dan memperbarui gateway dan perangkat yang terhubung dari jarak jauh.
Konektivitas Awan
Konektivitas antara gateway tepi dan sistem cloud adalah hal yang penting. Ini dapat membantu dalam mencatat data yang akurat untuk analisis mendalam dan mentransfer data yang dikumpulkan ke aplikasi lain sesuai permintaan.
Portabilitas
Perangkat lunak untuk solusi edge harus portabel untuk sistem operasi dan platform perangkat keras yang berbeda. Ini akan membantu pengguna menghindari terkunci ke dalam solusi perangkat keras dan perangkat lunak vendor tertentu.
EdgeX Foundry
Mengapa open source daripada pengembangan?
Mengembangkan kerangka kerja perangkat lunak baru akan menghabiskan banyak waktu, tenaga, dan biaya. Ini membutuhkan sebagian besar waktu untuk setiap tahap seperti desain, pengembangan, dan pengujian. EdgeX Foundry adalah kerangka kerja komputasi tepi sumber terbuka yang telah menyediakan semua layanan mikro yang diperlukan untuk kemudahan servis gateway tepi. Kerangka kerja ini menjalankan layanan mikro yang digabungkan secara longgar, dan tidak perlu menjalankan semua layanan bersama-sama, jadi hanya layanan dependen yang perlu dijalankan. Layanan lain dapat digunakan sesuai kebutuhan. Karena manfaat ini, kerangka kerja komputasi tepi sumber terbuka lebih disukai sebagai fondasi perangkat lunak gateway tepi.
Proyek EdgeX Foundry telah diluncurkan di bawah Linux Foundation. Ini adalah platform yang terbuka dan dapat dioperasikan untuk IoT edge. Kerangka kerja ini terstruktur dalam lapisan yang berbeda, masing-masing terdiri dari beberapa layanan mikro. Arsitektur modular memungkinkan pengguna untuk dengan mudah menskalakan, memperbarui, dan mendistribusikan logika ke dalam sistem yang berbeda, meningkatkan pemeliharaan.
EdgeX kompatibel dengan sistem Windows, macOS dan Linux. Arsitektur platform ini dirancang sedemikian rupa sehingga teknisi mana pun dapat mempelajarinya dalam waktu singkat, menerapkan, dan berkontribusi sendiri.
EdgeX mempercepat waktu ke pasar untuk solusi edge yang lengkap dan/atau penawaran edge SW/HW dengan menyediakan layanan referensi yang dapat diganti untuk penyerapan data perangkat, normalisasi, edge intelligence (AI/ML) dan berbagi dukungan ke layanan data IoT baru dan aplikasi edge computing yang canggih .
EdgeX telah diimplementasikan dalam produk seperti EdgeXpert, EdgeXRT, HP Engage Edge, EdgeBox, dan gateway Dell. Penggunaan framework EdgeX dalam banyak produk ini semakin membangun kepercayaan untuk digunakan di gateway edge lainnya.
EdgeX Foundry adalah platform perangkat lunak vendor netral sumber terbuka yang berfungsi sebagai middleware tepi antara penginderaan fisik dan "sesuatu" yang menggerakkan dan sistem teknologi informasi (TI).
Gambar 1. EdgeX Foundry (Sumber:www.edgexfoundry.org)
Penyimpanan Data – Redis DB
EdgeX menyediakan Redis open source sebagai database secara default. Redis menyediakan berbagai opsi persistensi yang berbeda seperti RDB, AOF. Ini adalah struktur data dalam memori yang digunakan untuk menyimpan dan meneruskan. Ini membantu jika perangkat edge beralih antara mode terhubung dan tidak terhubung.
Analisis Data – Mesin Aturan Kuiper
EdgeX menyediakan EMQ X Kuiper, paket perangkat lunak sumber terbuka yang ringan untuk analisis tepi IoT dan pemrosesan aliran. Kuiper dapat berjalan di berbagai perangkat tepi yang dibatasi sumber daya. Aturan Kuiper didasarkan pada Source, SQL, dan Sink.
Sumber:Sumber data data streaming, seperti data dari broker MQTT.
SQL:SQL adalah tempat Anda menentukan logika bisnis pemrosesan data streaming. Kuiper menyediakan pernyataan seperti SQL yang memungkinkan pengguna mengekstrak, memfilter, dan mengubah data.
Sink:Sink digunakan untuk mengirimkan hasil analisis ke target tertentu seperti broker MQTT, atau alamat HTTP REST.
Empat langkah berikut diperlukan untuk menggunakan Kuiper:
Buat aliran yang sumber datanya perlu ditentukan
Tulis SQL/aturan untuk analisis data
Tentukan target sink untuk menyimpan hasil analisis
Menerapkan dan menjalankan aturan
Konektivitas Perangkat – Layanan Perangkat
EdgeX menyediakan empat lapisan layanan mikro yang digabungkan secara longgar. Diantaranya, lapisan layanan perangkat berinteraksi dengan layanan perangkat. Layanan perangkat EdgeX menerjemahkan informasi yang datang dari perangkat melalui ratusan protokol dan ribuan format dan membawanya ke EdgeX.
Layanan perangkat adalah konektor tepi yang berinteraksi dengan perangkat seperti peralatan rumah pintar, sensor, aktuator, dan mesin apa pun di industri. Selain mendapatkan data sensor dan perangkat penggerak, layanan perangkat juga:
Dapatkan pembaruan status dari perangkat/sensor
Transformasi data sebelum mengirim data sensor ke EdgeX
Ubah konfigurasi
Temukan perangkat
Layanan perangkat dapat melayani satu atau beberapa perangkat sekaligus. Perangkat dapat berupa gateway edge/IoT (dan semua perangkat gateway tersebut), pengelola perangkat, hub sensor, layanan web yang tersedia melalui HTTP, atau sensor perangkat lunak yang bertindak sebagai perangkat, atau kumpulan perangkat, ke EdgeX Pengecoran.
Interoperabilitas – Pialang MQTT dan API REST
EdgeX mendukung protokol pesan MQTT yang ringan. Ini memungkinkan pengguna untuk mempublikasikan atau berlangganan transportasi pesan yang ideal untuk menghubungkan perangkat jarak jauh dengan jejak kode kecil dan bandwidth jaringan minimal.
EdgeX mendukung layanan perangkat lain yang menyediakan cara mudah bagi aplikasi pihak ketiga untuk memasukkan data ke EdgeX melalui protokol REST.
Keamanan – Toko Keamanan dan Gerbang API
EdgeX menyediakan dua komponen keamanan utama. Yang pertama adalah toko keamanan, yang digunakan untuk menyediakan tempat yang aman untuk menyimpan rahasia EdgeX seperti kata sandi, sertifikasi, dan kunci akses. Yang kedua adalah gateway API, yang digunakan sebagai proxy terbalik untuk membatasi akses ke sumber daya EdgeX REST dan melakukan pekerjaan terkait kontrol akses.
Pengelolaan Perangkat – API Pengelolaan Perangkat
EdgeX menyediakan opsi untuk memeriksa kesehatan secara berkala. API pengelolaan perangkat yang digunakan untuk mendapatkan metadata tentang perangkat apa pun.
Konektivitas Awan
EdgeX menyediakan dukungan untuk terhubung ke platform cloud seperti AWS, Microsoft Azure, dan cloud IBM Watson.
Konektivitas cloud di EdgeX diberikan dalam dua cara:
Layanan Aplikasi:Layanan ini perlu dikompilasi agar dapat digunakan untuk mengirim data ke layanan cloud seperti AWS dan Microsoft Azure. Ia menerima data langsung dari bus pesan yang melaluinya edgex-core-data menerbitkan peristiwa data.
Application Service Configurable:Ini menyediakan cara cepat untuk menggunakan konfigurasi daripada mengompilasi layanan untuk menggunakan fungsi SDK bawaan.
Artikel kedua akan menawarkan studi kasus tentang antarmuka sensor industri dengan EdgeX untuk mencapai fungsionalitas komputasi tepi.
