オープンソースIIoTエッジゲートウェイでModbusデバイス統合を加速

産業用IoT（IIoT）アプリケーションは、Modbus周辺機器やその他のデバイスを橋渡しするエッジゲートウェイに日常的に依存しています。カスタムゲートウェイの構築はコストと時間がかかります。オープンソースのエッジコンピューティングフレームワークは、導入を劇的に簡素化し、コストを削減します。

IIoTは、製造、輸送、エネルギー、小売、ヘルスケア、サプライチェーン管理にわたるセンサー、アクチュエータ、産業インフラを接続します。その結果の接続性により、リアルタイムデータ収集、交換、分析が可能になり、生産性向上と経済的利益を解き放ちます。

エッジコンピューティングは、すべてを中央データセンターに送るのではなく、データをローカルで処理することで、これらのユースケースのレイテンシ要求に対応します。

数十台のセンサーをエッジゲートウェイにリンクする必要がある場合、アーキテクトはソフトウェア設計、データ処理、分析について重要な決定に直面します。オープンソースフレームワークなしでは、各新しい開発サイクルがリソースを消耗します。EdgeX Foundryは、開発時間を短縮し、レイテンシを低減し、コストを管理下に置く、すぐに使えるマイクロサービススタックを提供します。広く採用されている産業プロトコルであるModbusは堅牢なゲートウェイサポートを必要とするため、EdgeXは理想的な基盤です。

この2部構成のシリーズでは、EdgeXベースのエッジゲートウェイ設計とアプリケーション開発を探ります。第1回は産業用センサー、ユースケース、EdgeXがゲートウェイ要件をどう満たすかに焦点を当てます。

産業用センサーの概要

自動化において、センサーとアクチュエータはあらゆるシステムの鼓動です。センサーは環境変化を検出し、アクチュエータはそれらの検出に基づいてアクションを実行します。

典型的な産業用センサーには、温度、湿度、圧力、近接、ガスまたは化学検出器があります。主なユースケース：

• 温度センサーは生物学的サンプルの完全性を保持。病院と研究所は患者の成果を守るため継続的な監視を導入。
• 湿度に敏感な製品には気候制御された倉庫が必要。センサーがリアルタイムアラートを提供し、腐食を防止。
• 圧力センサーは液面と流量を追跡。例えば、タンク内の水位センサーがModbusインターフェースを通じて変化を継続的に記録。

多くの工場では、デバイスが独自またはオープンプロトコルで通信します。Modbusは、ベンダーに依存しない設計、広範なコミュニティサポート、シリアルおよびEthernetメディアとの互換性（Modbus RTU、ASCII、TCP、Plus）により、SCADAおよびPLC統合の業界標準であり続けています。単一ネットワーク上で他のプロトコルと共存できる能力が、さらなる採用を推進しています。

エッジゲートウェイの概要

デバイス接続性

エッジゲートウェイは、ZigBee、Bluetooth LE、BACnet、Modbus、Siemens S7などの一般的な産業プロトコルをサポートし、多様なセンサーとアクチュエータを接続する必要があります。

データ分析とルールエンジン

ローカル処理により、ゲートウェイはAI/MLワークロードを実行し、リアルタイムアクションをトリガーし、必須データのみをクラウドに転送できます。ルールエンジンは自動化された意思決定に不可欠です。

データストレージ

Redisなどによるローカル持続性は、ネットワーク停止時でもゲートウェイが自律的に動作できることを保証します。

相互運用性

エッジソリューションは、MQTT、RESTなどの標準インターフェースを公開し、デバイスとアプリケーションがシームレスに相互運用できるようにする必要があります。

セキュリティ

堅牢な認証、暗号化、証明書管理、きめ細かなアクセス制御が、エッジスタック全体でデータとデバイスを保護します。

デバイス管理

リモート管理（開始、停止、設定、更新）により、オペレーターはゲートウェイの群れを効率的に維持できます。

クラウド接続性

クラウドプラットフォーム（AWS、Azure、IBM Watson）との双方向同期が、高度な分析と長期ストレージを促進します。

移植性

クロスプラットフォームサポート（Windows、macOS、Linux）はベンダーロックインを防ぎ、導入を加速します。

EdgeX Foundry

なぜオープンソースプラットフォームなのか？

独自のエッジフレームワークを構築するには、網羅的な設計、コーディング、テストが必要で、高コストです。EdgeX Foundryは、開発者が必要なコンポーネントのみを導入できるモジュール型マイクロサービスアーキテクチャを提供します。結果：市場投入までの時間短縮、総所有コストの削減、プラットフォームを継続的に改良する活気あるコミュニティ。

Linux Foundationによって立ち上げられたEdgeX Foundryは、オープンで相互運用可能なエッジプラットフォームです。その階層的設計（コア、サービス、アプリケーション）は、多様なシステムへの容易なスケーリング、更新、配布を可能にします。

EdgeXはWindows、macOS、Linuxと完全に互換性があり、幅広い開発者層にアクセス可能です。

EdgeXpert、EdgeXRT、HP Engage Edge、EdgeBox、Dellゲートウェイなどの製品がすでにEdgeXを活用しており、その実証済みの信頼性を裏付けています。

EdgeXがエッジゲートウェイニーズをどう満たすか

EdgeXは、物理的な「モノ」とエンタープライズITの間のミドルウェアとして機能し、上記のすべてのゲートウェイ要件を満たします。

図1. EdgeX Foundry（出典: www.edgexfoundry.org）

データストレージ – Redis

EdgeXはデフォルトのデータストアとしてRedisを搭載しています。Redisはオプションの持続性（RDB、AOF）を備えたインメモリストレージを提供し、デバイスが断続的に切断されるエッジシナリオに最適です。

データ分析 – Kuiperルールエンジン

EdgeXは、リソース制約デバイスで動作する軽量ストリーム処理エンジンEMQ X Kuiperを統合しています。Kuiperのルール構文はSource-SQL-Sinkモデルに従います：

• Source: MQTTブローカーからのストリーミングデータ。
• SQL: データのフィルタリング、変換、拡張のための宣言的ステートメント。
• Sink: 結果の宛先（MQTT、HTTP REST）。

典型的なワークフロー：

1. ストリームを作成し、ソースを指定。
2. 処理用のSQLルールを作成。
3. シンクターゲットを定義。
4. ルールを導入して実行。

デバイス接続性 – デバイスサービス

デバイスサービス層は、数百のプロトコルからのデータをEdgeXのネイティブ形式に変換します。主要機能には、ステータスポーリング、データ変換、設定更新、デバイス検出が含まれます。

相互運用性 – MQTTとREST

EdgeXの軽量MQTTブローカーとREST APIは、デバイス通信とサードパーティ統合のためのシンプルで低帯域幅のチャネルを提供します。

セキュリティ – セキュリティストアとAPIゲートウェイ

EdgeXのセキュリティストアはシークレットを安全に保持し、APIゲートウェイはアクセス制御を施行し、RESTエンドポイントのリバースプロキシとして機能します。

デバイス管理 – API

ヘルスチェックとメタデータクエリは、専用のデバイス管理APIを通じて公開されます。

クラウド接続性

EdgeXはAWS、Azure、IBM Watsonへのネイティブコネクタをサポートします。2つの統合モデルが利用可能です：

1. アプリケーションサービス: クラウドエンドポイントにデータイベントを発行する事前コンパイル済みサービス。
2. 設定可能なアプリケーションサービス: 再コンパイルなしで設定によってカスタマイズ可能なSDKベースのサービス。

次回の記事では、産業用センサーをEdgeXに接続するケーススタディを紹介し、実世界のエッジコンピューティング機能を実証します。