Raspberry Pi上のEdgeX FoundryによるModbusセンサーのシームレスな統合

Raspberry Pi上のEdgeX FoundryによるModbusセンサーのシームレスな統合

産業用IoT（IIoT）の導入では、Modbus対応周辺機器とクラウド分析を橋渡しするエッジゲートウェイへの依存が増しています。独自ゲートウェイの構築はコストと時間がかかります。このケーススタディでは、オープンソースフレームワークであるEdgeX FoundryをRaspberry Piに導入し、Modbus温湿度センサーを接続、データをクラウドにストリーミングし、最小限の労力でリアルタイム制御をトリガーする方法を示します。

なぜModbusとEdgeXなのか

Modbusは安価なRS-485リンク上で動作するオープンで軽量なプロトコルです。アナログ値にはシンプルなレジスタ（16ビット符号なし整数）、バイナリ状態にはコイルを使用し、産業デバイスに最適です。オープンソースのエッジミドルウェアであるEdgeX Foundryは、物理センサーとITシステムの間の橋渡し役を果たし、デバイス管理、データ変換、クラウド接続を標準で提供します。

ハードウェア構成

• Raspberry Pi 4（エッジゲートウェイ）
• Modbus RTUセンサー：SHT20（温度＆湿度）
• RS-485 - USB変換器
• 視覚ステータス用LED（GPIO-12 ＆ GPIO-14）
• USB電源

図1: 図1. EdgeX Foundry – オープンソースエッジミドルウェア

図2: 図2. EdgeX導入のハイレベルブロック図

ステップバイステップ統合

1. Raspberry Piのセットアップ
   • Dockerとdocker-composeを用いてUbuntu 20.04 LTSをインストール。
   • EdgeX Foundryリポジトリをクローンし、docker-composeでスタックを起動。
2. Modbusデバイスのシミュレーション
   • ModbusPal（GPL）を使用し、最大247台のModbusスレーブをエミュレート。
   • 温度（アドレス2）と湿度（アドレス3）の保持レジスタを持つスレーブを設定。各レジスタは16ビット整数にマッピングされ、°Cと%RHにスケーリング。
   • ModbusPalをTCPまたはシリアル（USB-RS485）で起動し、通信を確認。
3. デバイスプロファイルのアップロード

   https://localhost:48081/api/v1/deviceprofile/uploadfile にYAMLファイルを含む POST リクエストを送信（詳細は下記）。レスポンスで一意のプロファイルIDが返されます。

4. デバイスの登録

   https://localhost:48081/api/v1/device に以下のJSONを POST してセンサーエントリを作成。protocols.modbus-rtu セクションは /dev/ttyUSB0（9600ボー）を指定。

   { "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. データフローの確認
   • EdgeXのデバイスサービスが5秒ごとにデータを取得し、コアサービスに書き込み、Redisに格納。
   • アプリケーションサービスがデータをIBM Cloud（または任意のクラウド）に転送。
   • Modbusリクエスト/レスポンスパケットのログ例を確認。
6. KuiperルールエンジンでLEDを制御
   • ルール定義：温度 > 30°C で赤色LED点灯、< 30°C で消灯；同様に青色LEDを28°Cで制御。
   • KuiperがコマンドをEdgeX core-commandにプッシュし、GPIOデバイスサービスを更新。
   • GPIO出力を /sys/class/gpio/gpio12/value と /sys/class/gpio/gpio14/value で検証。

主要設定スニペット

デバイスプロファイル（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]

device-modbus TOML設定（抜粋）

[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"

結果

エンドツーエンドのフローでは、リアルタイムの温湿度データがIBM Cloudに到着し、ルールベースのLEDステータス変更をトリガーし、低コストRaspberry Pi上でのEdgeXの全機能を実証しています。

結論

EdgeX Foundryは、最小限の開発オーバーヘッドでModbusベースのIIoTソリューションを迅速に導入できます。デバイス管理、データストレージ、クラウド接続を抽象化することで、エンジニアはドメインロジックと分析に集中できます。

略語