工業(yè)物聯網 (IIoT) 是指將設備、傳感器和執(zhí)行器與工業(yè)基礎設施和應用(包括制造、運輸、能源、零售、醫(yī)療保健和供應鏈管理)聯網在一起。這種連接允許數據收集、交換和分析，從而可能促進生產力和效率的提高以及其他經濟效益。邊緣計算是隨著工業(yè)物聯網應用的興起而出現的。在邊緣計算中，數據由設備本身或本地計算機或服務器處理，而不是傳輸到數據中心。
在工業(yè)用例中，許多傳感器需要與邊緣網關連接，解決方案架構師和開發(fā)人員需要決定邊緣網關的軟件設計和開發(fā);如何處理來自各種傳感器的數據;以及如何在設計和開發(fā)階段執(zhí)行數據分析。在這種情況下，如果沒有開源框架，新軟件的開發(fā)和錯誤修復可能會耗費大量的精力和成本。這些問題可以通過在開發(fā)階段使用開源邊緣計算框架來開發(fā)邊緣網關軟件來緩解。EdgeX Foundry 是一個開源邊緣計算框架，可用于邊緣網關的軟件開發(fā)，從而降低延遲和成本。Modbus 是一種廣泛用于工業(yè)系統的開放協議，隨著邊緣計算需求的出現，將 Modbus 外圍設備連接至邊緣計算系統的能力非常重要。
本系列文章分為兩部分，介紹了基于 EdgeX Foundry 的邊緣網關設計和開發(fā)邊緣計算功能的應用程序。第一篇文章介紹了工業(yè)傳感器及其用例，并概述了邊緣網關要求，并討論了 EdgeX 如何滿足邊緣網關要求。
工業(yè)傳感器概述
在工業(yè)自動化中，傳感器和執(zhí)行器在任何智能產品中都發(fā)揮著至關重要的作用。傳感器讓我們能夠檢測、分析和處理各種變換。執(zhí)行器接收來自傳感器的信號并根據輸入執(zhí)行動作。
工業(yè)中使用的一些傳感器包括溫度和濕度傳感器、壓力傳感器、接近傳感器、氣體和化學傳感器等。這些傳感器的一些用例包括：
· 溫度是決定生物樣本完整性的關鍵因素。如果樣本沒有在嚴格的溫度控制下保存，它們將變得毫無用處，影響實驗結論，甚至影響患者的健康。醫(yī)院的 IT 系統管理員可以安裝溫度傳感器，全天候監(jiān)控實驗室和診所的溫度。
· 有些產品對濕度和溫度很敏感。將此類產品存放在普通倉庫中會導致其腐蝕，因此需要將其存放在氣候受控的環(huán)境中。倉庫管理員可以放置傳感器以持續(xù)監(jiān)控倉庫環(huán)境。
· 壓力傳感器用于感測氣體和液體的壓力變化。水壓傳感器可安裝在浸沒在容器內的開口管的頂部，用于測量水箱中的水位或水位隨時變化的速度。
在實時工業(yè)環(huán)境中，設備到設備的通信，即設備之間的單向或雙向通信系統性地發(fā)生。根據設備制造商的不同，使用專有或開源協議。許多制造商采用開放協議，以適應輕松將其產品整合到市場中。連接工業(yè)電子設備和 SCADA(監(jiān)控和數據采集)的最常見自動化通信協議之一是 Modbus。
Modbus 協議的優(yōu)勢在于支持多家制造商、軟件供應商、服務組織，并且擁有活躍的社區(qū)團體提供支持。Modbus 協議有多種版本，可用于串行端口和以太網，最常見的是 Modbus RTU、Modbus ASCII、Modbus TCP 和 Modbus Plus。它通過多種類型的物理介質(如串行 RS-232、RS-485、RS-422 和以太網)進行通信，并且能夠支持點對點和多點網絡。借助以太網上的 Modbus TCP/IP，Modbus 和其他類型的混合協議可以同時通過同一物理接口共存。這些功能促使行業(yè)和用戶選擇支持 Modbus 協議的傳感器。
邊緣網關概述
設備連接
邊緣網關的一個關鍵要求是實現與傳感器和執(zhí)行器的連接。有許多行業(yè)協議支持不同的設備通信方法。邊緣解決方案應支持最常見的工業(yè)協議，例如 ZigBee、藍牙 LE、BACnet、Modbus 和西門子 S7。
數據分析與規(guī)則引擎
網關可以在本地運行應用程序，從而實現本地數據計算。人工智能服務可以在本地處理來自下游設備的數據，在本地對洞察做出反應，并將部分數據發(fā)送到云端。制定規(guī)則也是其中重要的一項。
數據存儲
除了本地處理之外，網關還應具備本地存儲數據的能力。這是網關自主運行的關鍵。本地計算和本地存儲的結合還應允許網關以離線模式運行。
互操作性
在邊緣網關上運行的連接設備和應用程序應該提供跨其他產品或系統的互操作性。
安全
數據可能需要在邊緣網關的不同模塊之間交換，這些模塊和設備需要驗證彼此之間的連接，因此需要將安全性集成到邊緣解決方案中。邊緣解決方案應允許基于權限的訪問控制、安全加密通信、證書管理以及與現有安全解決方案的集成。
設備管理
邊緣網關需要一種遠程管理和訪問每個網關的方法。遠程管理功能應允許操作員遠程啟動、停止、配置和更新網關及其所連接的設備。
云連接
邊緣網關和云系統之間的連接至關重要。它有助于記錄準確的數據以進行深入分析，并根據需要將收集到的數據傳輸到其他應用程序。
可移植性
邊緣解決方案的軟件應該能夠移植到不同的操作系統和硬件平臺上。這將幫助用戶避免被鎖定在特定供應商的硬件和軟件解決方案中。
EdgeX 鑄造廠
為什么是開源而不是開發(fā)?
開發(fā)新的軟件框架將耗費大量的時間、精力和成本。設計、開發(fā)和測試等每個階段都需要花費大量的時間。EdgeX Foundry 是一個開源邊緣計算框架，它已經提供了邊緣網關服務性所需的所有微服務。該框架運行松散耦合的微服務，不需要一起運行所有服務，因此只需運行依賴服務。其他服務可以根據需要使用。由于這些優(yōu)勢，開源邊緣計算框架被首選為邊緣網關的軟件基礎。
EdgeX Foundry項目已在 Linux 基金會下啟動。它是一個開放的、可互操作的 IoT 邊緣平臺。該框架分為不同的層，每層由多個微服務組成。模塊化架構允許用戶輕松擴展、更新和將邏輯分發(fā)到不同的系統中，從而提高可維護性。
EdgeX 與 Windows、macOS 和 Linux 系統兼容。該平臺架構的設計方式使得任何技術人員都可以在短時間內學習、自行實施和貢獻。
EdgeX 通過為設備數據提取、規(guī)范化、邊緣智能(AI/ML)提供可替換的參考服務以及對新的物聯網數據服務和先進的邊緣計算應用的共享支持，加快了完整的邊緣解決方案和/或邊緣 SW/HW 產品的上市時間。
EdgeX 已在 EdgeXpert、EdgeXRT、HP Engage Edge、EdgeBox 和戴爾網關等產品中實現。EdgeX 框架在這些產品中的使用進一步為在其他邊緣網關中的使用建立了信任。
EdgeX 如何滿足邊緣網關要求?
EdgeX Foundry 是一個開源的、供應商中立的軟件平臺，作為物理感應和驅動“事物”與信息技術 (IT) 系統之間的邊緣中間件。
數據存儲 – Redis DB
EdgeX 默認提供開源 Redis 作為數據庫。Redis 提供一系列不同的持久性選項，例如 RDB、AOF。它是一種用于存儲和轉發(fā)的內存數據結構。這有助于邊緣設備在連接和斷開連接模式之間切換的情況。
數據分析 – Kuiper 規(guī)則引擎
EdgeX 提供 EMQ X Kuiper，一款用于物聯網邊緣分析和流處理的輕量級開源軟件包。Kuiper 可以在各種資源受限的邊緣設備上運行。Kuiper 規(guī)則基于 Source、SQL 和 Sink。
· 來源：流數據的數據源，比如來自 MQTT 服務器的數據。
· SQL：SQL 是指定流數據處理的業(yè)務邏輯的地方。Kuiper 提供類似 SQL 的語句允許用戶提取、過濾和轉換數據。
· Sink：Sink 用于將分析結果發(fā)送到指定目標，例如 MQTT Broker，或者 HTTP REST 地址。
使用 Kuiper 需要以下四個步驟：
1. 創(chuàng)建需要指定數據源的流
2. 編寫 SQL/規(guī)則進行數據分析
3. 指定用于保存分析結果的接收目標
4. 部署并運行規(guī)則
設備連接 – 設備服務
EdgeX 提供了四個松耦合的微服務層。其中，設備服務層與設備服務交互。EdgeX 設備服務將來自設備的信息通過數百種協議和數千種格式進行轉換，并將其帶入 EdgeX。
設備服務是與智能家用電器、傳感器、執(zhí)行器和行業(yè)中的任何機器等設備交互的邊緣連接器。除了獲取傳感器數據和驅動設備外，設備服務還包括：
1. 從設備/傳感器中獲取狀態(tài)更新
2. 在將傳感器數據發(fā)送到EdgeX之前，請先轉換數據
3. 更改配置
4. 發(fā)現設備
設備服務可以同時服務于一個或多個設備。該設備可以是邊緣/物聯網網關(以及所有該網關的設備)、設備管理器、傳感器集線器、通過HTTP提供的web服務，或作為EdgeX Foundry的設備的軟件傳感器或設備集合。
互操作性——MQTT代理和REST API
EdgeX支持一個輕量級的MQTT消息傳遞協議。它使用戶能夠發(fā)布或訂閱消息傳遞傳輸，這是連接具有小代碼占用和最小網絡帶寬的遠程設備的理想選擇。EdgeX支持休息設備服務，這為第三方應用程序通過rest協議將數據推送EdgeX提供了一種簡單的方法。
安全-安全存儲區(qū)和API網關
EdgeX提供了兩個關鍵的安全組件。第一個是一個安全商店，它被用來提供一個安全的地方來保存EdgeX的秘密，如密碼、認證和訪問密鑰。第二個是API網關，它被用作反向代理，以限制對EdgeX REST資源的訪問，并執(zhí)行與訪問控制相關的工作。
設備管理-設備管理API
EdgeX 提供了定期檢查健康狀況的選項。設備管理 API 用于獲取有關任何設備的元數據。
云連接
EdgeX提供與AWS、Microsoft Azure、IBM Watson云等云平臺的連接支持。
EdgeX 中的云連接以兩種方式提供：
1. 應用服務：這些服務需要編譯部署，用于將數據發(fā)送到 AWS 和 Microsoft Azure 等云服務。它直接從消息總線接收數據，edgex-core-data 通過該消息總線發(fā)布數據事件。
2. 應用服務可配置：提供一種快捷方式來使用配置，而不是編譯服務來使用內置 SDK 功能。
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