Бесшовная интеграция Modbus-сенсоров с EdgeX Foundry на Raspberry Pi

Бесшовная интеграция Modbus-сенсоров с EdgeX Foundry на Raspberry Pi

Развертывания промышленного Интернета вещей (IIoT) все чаще полагаются на пограничные шлюзы для соединения Modbus-периферии с облачной аналитикой. Создание проприетарного шлюза может быть дорого и медленно. Это исследование демонстрирует, как фреймворк с открытым исходным кодом — EdgeX Foundry — может быть развернут на Raspberry Pi для подключения Modbus-сенсора температуры и влажности, передачи данных в облако и запуска актуаторов в реальном времени с минимальными усилиями.

Почему Modbus и EdgeX?

Modbus — открытый, легковесный протокол, работающий над недорогими линиями RS-485. Он использует простые регистры (16-битные беззнаковые целые) для аналоговых значений и катушки для бинарных состояний, что делает его идеальным для промышленных устройств. EdgeX Foundry, открытое промежуточное ПО для периферии, выступает мостом между физическими сенсорами и IT-системами, предоставляя управление устройствами, преобразование данных и облачную связь «из коробки».

Аппаратный стек

• Raspberry Pi 4 (пограничный шлюз)
• Modbus RTU сенсор: SHT20 (температура и влажность)
• RS-485 в USB преобразователь
• Светодиоды для визуального статуса (GPIO-12 и GPIO-14)
• USB-блок питания

Рис. 1: Рис. 1. EdgeX Foundry — открытое промежуточное ПО для периферии

Рис. 2: Рис. 2. Блок-схема высокого уровня развертывания EdgeX

Пошаговая интеграция

1. Настройка Raspberry Pi
   • Установка Ubuntu 20.04 LTS с Docker и docker-compose.
   • Клонирование репозитория EdgeX Foundry и запуск стека через docker-compose.
2. Симуляция Modbus-устройства
   • Использование ModbusPal (GPL) для эмуляции до 247 Modbus-ведомых.
   • Настройка ведомого с хранилищными регистрами для температуры (адрес 2) и влажности (адрес 3). Каждый регистр отображается в 16-битное целое, которое будет масштабировано в °C и %RH.
   • Запуск ModbusPal через TCP или последовательный порт (USB-RS485) для проверки связи.
3. Загрузка профиля устройства

   Отправка POST запроса на https://localhost:48081/api/v1/deviceprofile/uploadfile с YAML-файлом, содержащим профиль (см. ниже). Ответ возвращает уникальный ID профиля.

4. Регистрация устройства

   Отправка следующего JSON на https://localhost:48081/api/v1/device для создания записи сенсора. Раздел protocols.modbus-rtu указывает на /dev/ttyUSB0 на скорости 9600 бод.

   { "name": "TemperatureHumiditySensor", "description": "Industrial Grade Temperature & Humidity Transmitter SHT20", "adminState": "UNLOCKED", "operatingState": "ENABLED", "protocols": { "modbus-rtu": { "Address": "/dev/ttyUSB0", "BaudRate": "9600", "DataBits": "8", "StopBits": "1", "Parity": "N", "UnitID": "1" } }, "labels": ["TemperatureHumiditySensor","modbusRTU"], "service": {"name": "edgex-device-modbus"}, "profile": {"name": "TemperatureHumiditySensor"}, "autoEvents": [ {"frequency": "5s", "onChange": false, "resource": "TemperatureDegC"}, {"frequency": "5s", "onChange": false, "resource": "HumidityPercentRH"} ] }

5. Проверка потока данных
   • Устройство-сервис EdgeX опрашивает данные каждые 5 сек и записывает в основной сервис, который хранит их в Redis.
   • Приложения-сервисы передают данные в IBM Cloud (или любое другое облако).
   • Примеры записей логов показывают пакеты Modbus запрос/ответ.
6. Управление светодиодами через движок правил Kuiper
   • Определение правил: если температура > 30 °C включить красный светодиод; если < 30 °C выключить; аналогично для синего светодиода при 28 °C.
   • Kuiper отправляет команды в EdgeX core-command, который затем обновляет GPIO-устройство-сервис.
   • GPIO-выходы проверяются через /sys/class/gpio/gpio12/value и /sys/class/gpio/gpio14/value.

Ключевые фрагменты конфигурации

Профиль устройства (YAML)

name: TemperatureHumiditySensor
manufacturer: ROBOKITS
model: RKI-4879
labels:
  - SHT20
description: Industrial Grade Temperature & Humidity Transmitter SHT20 Sensor High Precision Monitoring Modbus RS485
deviceResources:
  - name: TemperatureDegC
    description: Room Temperature in Degrees Celsius.
    attributes: { primaryTable: INPUT_REGISTERS, startingAddress: 2, rawType: INT16 }
    properties:
      value: { type: Float32, readWrite: R, scale: 0.1, floatEncoding: eNotation }
      units: { type: String, readWrite: R, defaultValue: degrees celsius }
  - name: HumidityPercentRH
    description: Room Humidity in %RH.
    attributes: { primaryTable: INPUT_REGISTERS, startingAddress: 3, rawType: INT16 }
    properties:
      value: { type: Float32, readWrite: R, scale: 0.1, floatEncoding: eNotation }
      units: { type: String, readWrite: R, defaultValue: %RH }
deviceCommands:
  - name: TemperatureDegC
    get: [{ index: 1, operation: get, deviceResource: TemperatureDegC }]
  - name: HumidityPercentRH
    get: [{ index: 2, operation: get, deviceResource: HumidityPercentRH }]
coreCommands:
  - name: TemperatureDegC
    get:
      path: /api/v1/device/{deviceId}/TemperatureDegC
      responses:
        - code: 200
          description: Get the temperature in degrees C
          expectedValues: [TemperatureDegC]
  - name: HumidityPercentRH
    get:
      path: /api/v1/device/{deviceId}/HumidityPercentRH
      responses:
        - code: 200
          description: Get the humidity in %RH
          expectedValues: [HumidityPercentRH]

Конфигурация device-modbus TOML (фрагмент)

[DeviceList]
Name = "TemperatureHumiditySensor"
Profile = "TemperatureHumiditySensor"
Description = "Industrial Grade Temperature & Humidity Transmitter SHT20"
labels = ["TemperatureHumiditySensor","modbusRTU"]
[DeviceList.Protocols.modbus-rtu]
Address = "/dev/ttyUSB0"
BaudRate = 9600
DataBits = 8
StopBits = 1
Parity = "N"
UnitID = 1
[[DeviceList.AutoEvents]]
Frequency = "5s"
OnChange = false
Resource = "TemperatureDegC"
[[DeviceList.AutoEvents]]
Frequency = "5s"
OnChange = false
Resource = "HumidityPercentRH"

Результаты

Сквозной поток показывает данные о температуре и влажности в реальном времени, поступающие в IBM Cloud, запускающие изменения статуса светодиодов на основе правил, и демонстрирующие полные возможности EdgeX на недорогом Raspberry Pi.

Заключение

EdgeX Foundry обеспечивает быстрое развертывание Modbus-решений IIoT с минимальными затратами на разработку. Абстрагируя управление устройствами, хранение данных и облачную связь, он освобождает инженеров для фокуса на предметной логике и аналитике.

Аббревиатуры