Облачные технологии в автоматизации: комплексный подход от Eurotech

В промышленности часто возникают задачи, где системы сообщаются не только между собой, но и с внешним миром посредством того или иного узла. Для описания этих процессов используются два термина: «связь машины с машиной» (Machine to Machine — M2M) и «Интернет вещей» (IoT). Они имеют в основе единую технологическую парадигму: интеллектуальные устройства, подключенные к Интернету, позволяют удаленно собирать и передавать данные. Как показывает современный опыт, аббревиатура IoT в большей мере относится к потребительскому пространству, в то время как М2М имеет промышленную окраску и предпочтительна при использовании оборудования промышленного класса. Один из наиболее важных аспектов «Интернета вещей» — эффективное взаимодействие «умных» устройств между собой и с облачными приложениями. Исходя из этого наиболее интересным является подход, когда поставщик предлагает законченные решения начиная с интеллектуальных полевых устройств и заканчивая облачными сервисами.

К числу ведущих поставщиков подобных решений принадлежит и компания Eurotech, предлагающая сочетание аппаратных и программно-аппаратных средств, операционных систем, сред программирования и внешней инфраструктуры, позволяющих клиентам значительно снизить время и затраты на проектирование и сосредоточиться на своей основной деятельности. По сути, решение представляет собой M2M/IoT-шлюз с установленным на него программным обеспечением, которое дает возможность подключаться к облачному сервису для обмена с ним данными. Рассмотрим подробнее эти компоненты.

Шлюзы M2M /IoT

Рис. 1. Шлюз IoT компании Eurotech

M2M/IoT-шлюзы (рис. 1) позволяют организовать двунаправленную связь полевых устройств с облаком, где собираются, хранятся и обрабатываются данные с помощью бизнес-приложений. Кроме того, шлюзы высокого класса предлагают возможности по обработке и хранению данных для предоставления услуг в автономном режиме, а при подключении к облачным приложениям обеспечивают контроль и управление в реальном времени. Многофункциональные IoT-шлюзы подходят для подсоединения датчиков, исполнительных механизмов и устройств коммерческого предприятия в рамках M2M-приложений. Они также включают в себя весь необходимый набор беспроводных интерфейсов для организации надежной связи, таких как сотовая связь, Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee. Практически все шлюзы компании Eurotech предназначены для промышленного применения и эксплуатации в жестких условиях. Широкая линейка устройств содержит как компактные компьютеры с низким энергопотреблением, так и высокопроизводительные встраиваемые ПК с широким функциональным набором. При этом все продукты имеют необходимые функции для работы с полевыми устройствами, а также для организации проводного/беспроводного подключения к Интернету. Особенностью шлюзов компании Eurotech является то, что они поставляются с предустановленным программным обеспечением Everyware Software Framework (ESF) на базе Eclipse Kura и Java/OSGi, добавляющим дополнительные функции по безопасности, диагностике, удаленному доступу и полной интеграции в облачные платформы Everyware Cloud (EC). Подобный подход призван облегчить работу заказчика по программированию, снизить время и затраты на проектирование, обеспечивая быстрое развертывание проекта. Особенности программных решений будут рассмотрены далее, а?для начала проведем обзор доступных шлюзов IoT компании Eurotech.

ReliaGATE 20-25 — защищенный шлюз индустриального исполнения на базе процессоров серии Intel E38XX с напаянным ОЗУ до 8 Гбайт с поддержкой контроля четности ECC. Он предлагает большой набор интерфейсов ввода/вывода и полевых шин: CAN, RS-232/422/485, USB (2.0 и 3.0) и дискретный ввод/вывод. Шлюз предназначен для работы в расширенном диапазоне температур от –40 до +85 °C, оснащен источником питания с широким диапазоном входных напряжений (от +6 до +32 В) и защитой от скачков и неправильного подключения. Кроме того, он имеет доступный пользователю разъем для microSD-карт, DisplayPort, аудиоинтерфейс, а также акселерометр. Для связи с верхним уровнем Relia­GATE 20-25 оснащен проводными и беспроводными интерфейсами связи: 2?Gigabit Ethernet с поддержкой Mod­bus, Wi-Fi, Bluetooth и сотовой связи с помощью модуля ReliaCELL 10-20, который также обеспечивает позиционирование GPS.

ReliaGATE 20-26 — защищенный шлюз индустриального исполнения на базе процессоров серии Intel E38XX с операционной системой Red Hat. Он имеет ту же функциональность, что и ReliaGATE 20-25, только использует предустановленные программные компоненты Red Hat Enterprise Linux: Red Hat JBoss Fuse — модульную интегрированную платформу с открытым исходным кодом, и Red Hat JBoss BRMS?— систему управления с открытым исходным кодом.

ReliaGATE 10-20 — защищенный шлюз индустриального исполнения на базе процессоров серии NXP i.MX6 с ОЗУ размером 512 Мбайт, 4 Гбайт флэш-памяти eMMC и разъемом для microSD-карт. У него низкое энергопотребление в номинале 4 Вт и большой набор интерфейсов беспроводной связи, включая сотовую, Wi-Fi и Bluetooth, позволяющих подключать широкий спектр датчиков и оконечных устройств, необходимых в приложениях M2M/IoT. Кроме того, есть возможность для проводного подсоединения двух каналов Gigabit Ethernet, а также CAN, до четырех последовательных портов и трех портов USB.

ReliaGATE 10-11 — компактный защищенный шлюз индустриального исполнения на базе процессоров серии TI AM335X семейства Cortex-A8 (Sitara), с ОЗУ размером 512 Мбайт, 4 Гбайт флэш-памяти eMMC и разъемом для microSD-карт. Это шлюз с низким энергопотреблением (2 Вт) для промышленных задач и работы на транспорте: поддерживает два защищенных последовательных порта RS-232/485, два?интерфейса CAN, два защищенных порта USB и четыре изолированных дискретных интерфейса. ReliaGATE 10-11 предоставляет широкие коммуникационные возможности: Wi-Fi, Bluetooth Low Energy и 2 Fast Ethernet. Шлюз поддерживает ReliaCELL 10-20, сотовый модуль, предварительно сертифицированный основными операторами сотовой связи. В ReliaGATE 10-11 также доступен внутренний сотовый модем с опциональной поддержкой геолокации GPS. Очень компактный и сертифицированный E-Mark, с источником питания с диапазоном входных напряжений от +9 до +36 В с защитой от переходных процессов и режима зажигания, Relia­GATE 10-11 — это универсальная платформа для транспортного применения, где компактный размер — один из важных факторов.

ReliaGATE 10-05 — ультракомпактный защищенный шлюз индустриального исполнения на базе процессоров серии NXP i.MX285, с ОЗУ 512 Мбайт, 4 Гбайт eMMC и разъемом для micro­SD-карт. Это компактное устройство с низким энерго­потреблением для промышленных задач: входное напряжение питания от +9 до 36 В с защитой от шумов, перенапряжения и неправильного подключения, двумя защищенными последовательными портами (RS-232 и RS-485) и защищенным портом USB. Встроенная батарея предоставляет возможность работы до 30 мин и безопасного отключения при пропадании питания. ReliaGATE 10-05 предлагает проводную и беспроводную связь с использованием интегрированного сотового модема (2G или 3G), Wi-Fi, Bluetooth и одного порта Fast Ethernet. Его установка очень проста благодаря компактным размерам 112?68?37 мм (Д?Ш?В) и небольшому весу, всего 180?г. Также имеется адаптер для установки на DIN-рейку.

Практически все шлюзы, кроме ReliaGATE 20-26, который использует Red Hat Linux, поставляются с предустановленной операционной системой Yocto Linux и программным обеспечением Everyware Software Framework (ESF). Кроме того, в качестве шлюзов могут выступать и процессорные платы в различных форм-факторах, на которые также предустанавливается специализированное программное решение. О нем пойдет речь далее.

Everyware Software Framework

Рис. 2. Структура шлюза IoT

Eurotech Everyware Software Frame­work (ESF) — это специализированный программный пакет на базе Java OSGi для M2M-шлюзов, интеллектуальных устройств и IoT-приложений.

Это предоставляет возможность Eurotech поставлять заказчикам не только современные аппаратные платформы, но и аппаратно-программные, позволяющие снизить затраты на разработку приложений. Структура шлюза IoT представлена на рис. 2.

ESF выступает в качестве моста между локальной сетью устройства и сетями общего пользования, обеспечивая безопасный, надежный и оптимизированный механизм передачи данных между полевыми устройствами (датчики, исполнительные механизмы и человеко-машинные интерфейсы) и облачными платформами с помощью оптимизированных для M2M/IoT протоколов, таких как MQTT.

По сути, ESF, программная среда на основе Java OSGi, является переходным звеном между операционной системой и приложениями заказчика, использующим стандартные интерфейсы, которые сокращают время разработки пользовательского ПО, упрощают задачи по кодированию.

Кроме того, есть возможность переносить программное обеспечение с одной аппаратной платформы на другую без дополнительного программирования.

ESF содержит:

• интегрированную среду приложений;
• модульные компоненты программного обеспечения;
• компоненты абстрагирования от аппаратной части;
• библиотеки протоколов полевых шин;
• компоненты для подключения к облачному приложению;
• приложения по удаленному контролю и управлению устройством;
• приложения по локальному контролю и управлению устройством;
• встроенную систему безопасности;
• инструменты разработки.

Архитектура Everyware Software Framework (рис. 3) базируется на разных слоях программного обеспечения, так что клиент может писать приложения для аппаратно-абстрагированной платформы, оснащенной всеми необходимыми инструментами разработки и библиотеками.

Рис. 3. Структура Everyware Software Framework

В частности, полностью интегрированными и проверенными програм­мными технологиями, которые могут быть найдены в ESF, являются:

• виртуальная машина Java обеспечивает аппаратную абстракцию на различных аппаратных платформах;
• Java Native Interface позволяет коду на Java вызывать приложения или библиотеки, написанные на C, C ++, и собирать их;
• OSGi Framework обеспечивает основу для сокращения времени выхода на рынок и затрат на разработку;
• специализированные библиотеки полевых интерфейсов предоставляют разработчикам уже протестированные библиотеки для полевых шин;
• API высокого уровня помогают быстро написать приложения, максимально эффективно используя эти API;
• подключение к Everyware Cloud — непосредственная работа с облачными технологиями.

ESF позволяет осуществлять полный удаленный доступ к шлюзу с использованием протокола MQTT для обновления программного обеспечения, управления, конфигурирования, диагностики и мониторинга работы. Заложенные в ESF функции разрешают абстрагироваться от аппаратной платформы, а также отделить логику приложений непосредственно от ПО шлюза. Это упрощает создание приложений, поскольку разработчикам предоставляется уже готовое ПО для работы со шлюзом и они могут сосредоточиться на проектировании конкретного приложения. Драйверы устройств предлагаются как сервис, позволяя работать с аппаратной частью с помощью простых API вместо написания сложного кода. Простой интерфейс API устраняет необходимость изменения кода на низком уровне операционной системы или конфигурационных файлов путем создания готового исполняемого кода и добавления его в специализированные библиотеки, доступные во время разработки. Поскольку пакет ESF основан на стандартизированном открытом програм­мном обеспечении, поддерживаемом крупными софтверными компаниями, OEM-производители могут легко портировать существующие приложения на собственные устройства. ESF включает набор инструментов промежуточного программного обеспечения, что позволяет OEM-производителям модифицировать, перенастраивать и поддерживать их приложения в течение долгого времени, развивать их по мере изменения требований рынков. Адаптивность и гибкость для удовлетворения потребностей конкретных рынков дает OEM-производителям огромное конкурентное преимущество перед статическим, фиксированным программным обеспечением.

M2M/IoT-платформа Everyware Cloud

Everyware Cloud (EC) от Eurotech (рис. 4) является M2M/IoT-платформой, которая упрощает управление устройствами и сбором данных путем подключения распределенных устройств через безопасные и надежные облачные сервисы. После того как устройства будут развернуты, Everyware Cloud позволяет пользователям подключать устройства, конфигурировать и управлять ими в течение всего жизненного цикла проекта.

Рис. 4. Облачная платформа Everyware Cloud

Платформа Everyware Cloud может развертываться как в публичном облаке, так и в частном. Для организации частного облака Eurotech предлагает специализированный Everyware Server — интеграционную платформу M2M, разработанную для обеспечения дополнительного уровня безопасности и конфиденциальности с помощью общественных облачных технологий или без них, охватывающую все возможности технологии Everyware Cloud, выполненную в виде надежного аппаратного устройства для обеспечения удобного и полного контроля в центре обработки данных.

Everyware Server облегчает управление устройствами и данными при подключении распределенных устройств к бизнес-приложениям предприятия, с использованием безопасных и надежных протоколов связи и обмена данными.

Everyware Cloud (рис. 5) представляет собой программную платформу, которая быстро соединяет устройства для создания и поддержания законченного M2M-приложения.

Рис. 5. Структура Everyware Cloud

Она обеспечивает легкий путь для подключения устройств к ИТ-системам и/или приложениям.

Что же представляет собой Everyware Cloud?

Eurotech Everyware Device Cloud

Eurotech Everyware Device Cloud (EDC) — полностью законченное решение, которое содержит специализированные аппаратные средства, подключение и управление устройствами с помощью Eurotech Software Framework и облачные сервисы Everyware Device Cloud Client и M2M для обмена данными между полевыми устройствами и бизнес-приложениями предприятия.

IoT-платформа компании Eurotech дает возможность упростить реализацию сложных проектов, позволяя получить готовое решение быстрее, чем когда-либо прежде. Полное предложение включает:

• встраиваемые компьютеры и процессорные платы Eurotech, выполненные на базе производительных процессорных платформ с низким энергопотреблением;
• операционную систему Linux (Wind River, Yocto, Red Hat) с полным набором инструментов для разработки и поддержки продуктов;
• программный пакет Everyware Soft­ware Framework (ESF), чтобы упростить разработку приложений и подключение к сети;
• облачный клиент Everyware Device Cloud для внедрения эффективных, надежных и защищенных протоколов, обеспечивающих действенную связь даже в сложных условиях;
• облачный сервис Everyware Cloud для мгновенного доступа к данным и управления устройствами через облачные платформы.