Облачные технологии в автоматизации: комплексный подход от Eurotech

Интернет вещей (Internet of Things – IoT) – это уже технологии сегодняшнего дня. Большинство окружающих нас устройств, используемых в городской инфраструктуре, на транспорте и в зданиях, постоянно генерируют данные, которые с помощью облачных инструментов можно собирать, хранить и анализировать для более эффективной эксплуатации техники. Реализация концепции Интернета вещей зависит от отраслевой специфики каждого проекта. Возьмём, к примеру, завод, там присутствует инфраструктура, позволяющая собирать и анализировать данные. С помощью облачных сервисов можно собирать данные с различных удалённых устройств. Эти сведения позволят анализировать поведение системы, предсказывать возможные поломки, в итоге на их основе можно разрабатывать стратегии превентивного обслуживания. 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, подключённые к Интернету, позволяют удалённо 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. Одним из наиболее важных аспектов Интернета вещей является эффективное взаимодействие умных устройств друг с другом и с облачными приложениями. Исходя из этого, наиболее интересным является подход, когда поставщик предлагает законченные решения, начиная с интеллектуальных полевых устройств и до облачных сервисов. 
Одним из ведущих поставщиков подобных решений является 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 даёт возможность подключаться к облачному сервису для обмена с ним данными. Рассмотрим подробнее эти компоненты.

Шлюзы M2M /IoT 

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 подключения датчиков, исполнительных механизмов и устройств коммерческого предприятия в рамках M2M-приложений. Кроме того, они включают в себя весь необходимый набор беспроводных интерфейсов для организации надёжной связи, таких как сотовая связь, Wi-Fi, Bluetooth и Zigbee. Практически все шлюзы компании Eurotech предназначены для промышленного применения и эксплуатации в жёстких условиях. Широкая линейка устройств включает в себя 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. Отличительной 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, удалённому доступу и полной интеграции в облачные платформы Everyware™ Cloud (EC). Такой подход призван облегчить работу заказчика по программированию, снизить время и затраты на проектирование, обеспечивая быстрое развёртывание проекта. Особенности программных решений будут рассмотрены дальше в статье. А для начала проведём обзор доступных шлюзов IoT компании Eurotech.
ReliaGATE 20-25 – защищённый шлюз индустриального исполнения на базе процессоров серии Intel E38XX с напаянным ОЗУ до 8 Гбайт с поддержкой контроля чётности 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, оснащён 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 разъём для microSD-карт, DisplayPort, аудиоинтерфейс, а также акселерометр. Для связи с верхним уровнем Relia­GATE 20-25 оснащён 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 – защищённый 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 – защищённый шлюз индустриального исполнения на базе процессоров серии NXP i.MX6 с ОЗУ размером 512 Мбайт, 4 Гбайт флэш-памяти eMMC и разъёмом для microSD-карт. Он имеет 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 подключения двух каналов Gigabit Ethernet, а также CAN, до четырёх последовательных портов и трёх портов USB. 
ReliaGATE 10-11 – компактный защищённый шлюз индустриального исполнения на базе процессоров серии TI AM335X семейства Cortex-A8 (Sitara), с ОЗУ размером 512 Мбайт, 4 Гбайт флэш-памяти eMMC и разъёмом для microSD-карт. Это шлюз с низким энергопотреблением (2 Вт) для промышленных задач и работы на транспорте: поддерживает два защищённых последовательных порта RS-232/485, 2 интерфейса CAN, 2 защищённых порта USB и 4 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 защищённый шлюз индустриального исполнения на базе процессоров серии NXP i.MX285, с ОЗУ 512 Мбайт, 4 Гбайт eMMC и разъёмом 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 защищёнными последовательными портами (RS-232 и RS-485) и защищённым портом USB. Встроенная батарея предоставляет возможность работы до 30 минут 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 лёгкая 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, идут 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 котором пойдёт речь далее.

Everyware™ Software Framework 

Eurotech Everyware™ Software Frame­work (ESF) является специализированным программным пакетом на базе Java OSGi для M2M-шлюзов, интеллектуальных устройств и IoT-приложений.
Это даёт 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, надёжный 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 дополнительных работ по программированию. 
ESF включает в себя:

• интегрированную среду приложений;
• модульные компоненты программного обеспечения;
• компоненты абстрагирования от аппаратной части;
• библиотеки протоколов полевых шин;
• компоненты для подключения к облачному приложению;
• приложения по удалённому 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, оснащённой всеми необходимыми инструментами разработки и библиотеками. 

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 удалённый доступ к шлюзу с использованием протокола MQTT для обновления программного обеспечения, управления, конфигурирования, диагностики и мониторинга работы. Заложенные в ESF функции позволяют абстрагироваться от аппаратной платформы, а также отделить логику приложений непосредственно от ПО шлюза. Это упрощает разработку приложений, так как разработчикам предоставляется уже готовое ПО для работы со шлюзом и они могут сосредоточиться на разработке 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 путём 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 их собственные устройства. ESF включает в себя 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 даёт OEM-производителям огромное конкурентное преимущество перед статическим, фиксированным программным обеспечением.
ESF предоставляет следующие преимущества.

• Сокращение времени разработки → сокращение времени выхода на рынок.
• Фокус на разработку приложения → снижение затрат и рисков на разработку проекта.
• Программисты со знанием языка Java и без опыта в области M2M могут легко создавать программные приложения → ESF берёт на себя всё остальное.
• Использование API и существующих приложений → снижение затрат на разработку.
• Портативный надёжный код → высокое качество программного обеспечения; портирование на другие аппаратные платформы различных OEM-производителей.
• Виртуализация аппаратных средств → защита инвестиций.
• Более детерминированное исполне-ние проекта → более высокая вероятность реализации проектов в срок.
• Открытые стандарты → защита инвестиций.
• Удалённое управление → расширенный жизненный цикл изделия.
• Безопасность → снижение операционных рисков.

Одной из главных задач ESF является организация обмена данными с облачным приложением, о котором и пойдёт речь далее.

M2M/IoT-платформа Everyware Cloud 

Everyware Cloud (EC) от Eurotech (рис. 4) является M2M/IoT-платформой, которая упрощает управление устройствами и сбором данных путём подключения распределённых устройств через безопасные и надёжные облачные сервисы.

После того как устройства будут развёрнуты, Everyware Cloud позволяет пользователям подключать устройства, конфигурировать и управлять ими в течение всего жизненного цикла проекта.
Платформа Everyware Cloud может развёртываться 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 использованием общественных облачных технологий или без них, охватывающую все возможности технологии Everyware Cloud, выполненную в виде надёжного аппаратного устройства для обеспечения удобного и полного контроля в центре обработки данных. 
Everyware Server облегчает управление устройствами и данными при подключении распределённых устройств к бизнес-приложениям предприятия, с использованием безопасных и надёжных протоколов связи и обмена данными.
Everyware Cloud (рис. 5) представляет собой программную платформу, которая быстро соединяет устройства для создания и поддержания законченного M2M-приложения. 

Она обеспечивает лёгкий путь для подключения устройств к ИТ-системам и/или приложениям.
Что представляет собой Everyware Cloud?
Платформа: масштабируемая облачная M2M-платформа для подключения устройств и приложений.

• Независимая платформа данных.
• Подключение любого количества устройств и приложений.
• Позволяет строить подключения по схеме «многие ко многим».
• Встроенные инструменты отображения состояния.
• Добавление устройств в нулевой конфигурации.
• Возможность хранить любые типы и любое количество данных без ограничения по времени.
• REST API-интерфейсы для разработки приложений (в том числе функций консоли).
• Rules Engine для анализа информации, событий и данных в реальном времени.
• Двухполосные каналы связи с устройствами.
• Встроенные механизмы резервирования и обеспечения высокой готовности. 

Платформа консоли: Web-интерфейс для управления платформой.

• Управление устройствами и данными в режиме реального времени.
• Управление пользователями.
• Агрегация данных и визуализации.
• Раздел создания правил. 

Платформа подключения устройств: лёгкий и надёжный способ подключения различных устройств.

• Масштабируемость и оптимизированный двунаправленный протокол связи с устройствами.
• На основе MQTT V 3.1 (в открытом доступе).
• Эффективный формат сообщения EDC.
• Клиенты Everyware Cloud доступны для устройств сторонних производителей.
• Доступные клиенты Java и C++ . 

Платформа разработки приложений: стандартный и гибкий интерфейс для базовых приложений.

• Простота в использовании REST API-интерфейсов для разработки приложений. 
• Форматы XML и JSON. 

В итоге M2M-шлюзы с предустановленным ПО ESF, подключённые к облачному сервису Eurotech Cloud, составляют законченное решение Euro­tech Everyware Device Cloud.

Eurotech Everyware Device Cloud

Eurotech Everyware Device Cloud (EDC) является полностью законченным решением, которое включает в себя 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 даёт 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, надёжных и защищённых протоколов, обеспечивающих эффективную связь даже в сложных условиях;
• облачный сервис Everyware Cloud для мгновенного доступа к данным и управления устройствами через облачные платформы.

Заключение

Компания Eurotech предлагает законченное решение с применением облачных технологий для задач автоматизации. Данное предложение базируется на защищённых встраиваемых компьютерах, предназначенных для работы в жёстких условиях, с предустановленным программным обеспечением для работы с полевыми устройствами и датчиками, а также подключения к облачным сервисам, и сами облачные сервисы, которые могут быть публичными и частными. 
Подобный подход предназначен для облегчения работ заказчикам по созданию новых проектов. Он позволяет значительно снизить время и затраты на проектирование. Заказчик может сконцентрироваться только на своей прямой компетенции, в то время как все вопросы по работе устройств, сбору данных, подключению к облачным сервисам, хранению и обработке данных уже решены специалистами компании Eurotech. ● 

Автор – сотрудник
фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru