Kurs EdgeLink cz. 3 - MQTT, broker AWS, redundancja połączenia, alarmowanie

Czym jest protokół MQTT wspominaliśmy już w artykule poświęconemu lokalnemu brokerowi oraz w artykule na temat IoT. Teraz przyszedł czas na brokera chmurowego.

---

Chmura obliczeniowa

Zanim wyjaśnimy czym jest broker chmurowy, zacznijmy od chmury obliczeniowej. Definiuje się ją jako usługi dostarczone przez dane oprogramowanie, a usługodawcą może być zarówno wewnętrzny dział, jak i zewnętrzny dostawca. W skrócie - możemy postawić własną chmurę na własnym sprzęcie, ale możemy też korzystać z samego oprogramowania dostarczanego nam przez usługodawcę. Pierwsza opcja podejrzanie przypomina serwer? Nic dziwnego, sposób wykorzystania jest podobny, jednak istnieje kilka różnic:

Rysunek nr 1. Różnice między chmurą a serwerem

Jak widać, chmura łączy się z większą elastycznością nawet, jeśli jest ona wdrożona na naszym własnym sprzęcie. W przypadku rozwiązania chmurowego od zewnętrznego dostawcy mamy do czynienia z jeszcze większą dowolnością, gdyż nie martwimy się o potrzebny sprzęt i dostępność mocy obliczeniowej, a jedynie wykorzystujemy zasoby - dokładnie tyle, ile potrzebujemy.

W przypadku chmury obliczeniowej dostarczanej nam przez usługodawcę możemy wybrać jedną z dwóch opcji:

Chmura publiczna - public cloud

Właścicielem zasobów jest zewnętrzny dostawca usług chmurowych. Używa się tych samych zasobów co inni użytkownicy. Charakteryzuje się niskimi kosztami wdrożenia, a opłaty są naliczane tylko za zużyte usługi.

Chmura prywatna - private cloud

Może być zrealizowana na własnych serwerach firmy lub u zewnętrznego dostawcy. Serwery są dedykowane danej organizacji, w pełni przez nią kontrolowane i fizycznie odseparowane od innych użytkowników. Usługi i infrastruktura są zawsze utrzymywane w sieci prywatnej, czyli VPN - są szyfrowane i przesyłane przez Internet. 

Jest jeszcze trzecia opcja...

Chmura hybrydowa

Łączy cechy chmury zarówno publicznej jak i prywatnej. Poufne operacje mogą być obsługiwane prywatnie, podczas gdy mniej wrażliwe obciążenia, jak obsługa poczty e-mail, mogą być przetwarzane w chmurze publicznej.

---

Broker chmurowy

Wytłumaczyliśmy już czym jest chmura obliczeniowa oraz jakie są modele jej wdrażania. Czas połączyć te informacje z głównym tematem tego artykułu, czyli brokerem chmurowym.

Czym jest?

Przypomnijmy, że broker MQTT pełni rolę serwera pośredniczącego przy wysyłaniu i odbieraniu wiadomości przez subskrybujących dany temat klientów. W przypadku brokera chmurowego korzystamy z usług chmury obliczeniowej. W tym artykule zajmiemy się przypadkiem brokera na serwerze dostawcy, czyli jako usługa zewnętrzna.

Wady i zalety

Oczywiście wady i zalety zależą w dużej części od tego, czy jest to broker prywatny, czy publiczny, jednak porównujmy ogólne cechy rozwiązania lokalnego i chmurowego. Część wad i zalet zostało wymienionych w tabeli przy okazji opisywania różnic między serwerem a chmurą. Ale nie oszukujmy się, z chmurą nie łączą się same zalety. Jest ona najczęściej połączona z Internetem a to się wiąże z ryzykiem. Co prawda, teoretycznie, jeżeli choć jeden komputer połączony z firmową siecią Ethernet podłączy się do Internetu, przedsiębiorstwo staje się podatne na ataki z zewnątrz. Inną wadą brokera chmurowego jest konieczność ponoszenia opłat, jeśli korzystamy z rozwiązań prywatnych. Choć tu dla odmiany nie musimy martwić się o fizyczny sprzęt i zabezpieczenia. Jak w każdym przypadku musimy rozważyć wszystkie za i przeciw, odnosząc cechy obu rozwiązań do naszego własnego przypadku.

Jakiego dostawcę wybrać?

Jeśli nie zależy nam na odseparowaniu naszych danych od świata, warto skorzystać z darmowych usług brokerów publicznych, takich jak np. HiveMQ, gdzie mamy możliwość podłączenia aż do stu urządzeń.

Gdy zależy nam jednak na poufności naszych danych, warto zwrócić uwagę na płatne rozwiązania. Konkretnie na AWS (Amazon Web Service), Microsoft Azure czy Google Cloud Platform. W tych przypadkach za bezpieczeństwo naszych danych odpowiadają światowi giganci rynku informatycznego.

Warto wspomnieć, że wymienione wyżej platformy dają również możliwość wygodnej prezentacji danych w postaci wykresów czy przebiegów (Power BI firmy Microsoft Azure).

---

Alarmowanie SMS i e-mail

Jednym z najważniejszych zastosowań IIoT jest zdalny monitoring procesów przemysłowych, który pozwala na szybkie wykrycie awarii i zmniejszenie czasu przestoju. Jednakże, samo wykrycie problemów nie jest wystarczające. Konieczne jest również powiadomienie odpowiednich pracowników o sytuacji, aby mogli podjąć natychmiastowe działania.

W tym celu wykorzystywane są różne metody powiadamiania, w tym alarmowanie SMS i e-mail. Ten rodzaj powiadomień jest szczególnie przydatny w przypadku sytuacji wymagających natychmiastowej reakcji, na przykład awarii linii produkcyjnej lub niskiego stanu zapasów. Wysłanie SMS-a na telefon komórkowy pracownika z informacją o problemie pozwala na szybką reakcję i rozwiązanie problemu jeszcze przed wystąpieniem poważniejszych konsekwencji.

---

Redundancja

Aby zminimalizować ryzyko przerw w działaniu systemów IIoT, warto zastosować redundancję połączenia z Internetem. Polega to na podłączeniu urządzeń do dwóch lub więcej źródeł Internetu, co umożliwia ciągłe działanie systemów, nawet w przypadku awarii jednego z połączeń.

Internet stacjonarny charakteryzuje się zazwyczaj stabilnym połączeniem i wysoką przepustowością, co umożliwia szybkie przesyłanie dużych ilości danych. Dlatego jest on idealny jako podstawowa forma połączenia. Jednak w przypadku awarii kabla lub zepsucia się routera cała sieć może przestać działać. Z tego powodu warto mieć na uwadze, że Internet stacjonarny nie jest idealny i również może być zawodny.

W przypadku utraty połączenia z Internetem stacjonarnym, EdgeLink umożliwia automatyczne przełączanie się na Internet mobilny. Dzięki temu sieć przemysłowa pozostaje aktywna i niezawodna, nawet w przypadku awarii jednego z połączeń internetowych.

---

Przykład z użyciem EdgeLink

Oprogramowanie EdgeLink umożliwia zarówno zastosowanie protokołu MQTT z chmurowym brokerem, jak i redundancję połączeń oraz alarmowanie poprzez wiadomości SMS dzięki dodaniu modułu SIM i prostą konfigurację kilku zakładek.

Stanowisko

Składa się z następujących elementów:

• brama ECU-1051D z modułem karty SIM,

• laptop jako subskrybent,

• przyciski cyfrowe,

• sonda do pomiaru temperatury,

• sterownik PLC z panelem HMI Unitronics US5-B5-B1,

• Moduł I/O ADAM-6060,

• Moduł I/O ADAM-4048+,

• Switch przemysłowy ADAM-6520.

Rysunek nr 2. Schemat stanowiska testowego

Broker MQTT

Tym razem rolę brokera pełni chmura AWS. Jest to płatne rozwiązanie, jednak zapewnia szeroką gamę narzędzi oraz, co najważniejsze, bezpieczeństwo naszych danych. Instrukcja kieruje nas krok po kroku przez konfigurację bramy ECU oraz brokera AWS.

Rysunek nr 3. Chmura AWS

Klient

Dane przesyłane do serwera AWS mogą być odbierane przez jakiekolwiek urządzenie na świecie podłączone do Internetu. Poprawność przesyłania danych można sprawdzić za pomocą narzędzia testowego AWS lub MQTTBox dostępnego za darmo w Microsoft Store.

Rysunek nr 4. Odczytywanie przesyłanych danych przy pomocy MQTTBox

Można też użyć narzędzia node-red do tworzenia bardziej czytelnych wizualizacji.

Rysunek nr 5. Wizualizacja danych przy pomocy narzędzia node-red

---

Redundancja i alarmowanie

Stanowisko zostało zaprogramowane tak, aby po naciśnięciu przycisku na panelu bramka wysyłała wiadomość na wskazany numer telefonu.

Rysunek nr 6. Alarmowanie SMS

Jeśli wolimy korzystać z alarmowania e-mail, poniższy film pokazuje, jak dzięki EdgeLink zrobić to w 3 min.

EdgeLink sam wykrywa występowanie różnych sieci, a od użytkownika wymagane jest jedynie ustawienie ich priorytetu.

Rysunek nr 7. Ustawienie priorytetu sieci

---

Podsumowanie

Wdrożenie protokołu MQTT z brokerem chmurowym, alarmowaniem SMS czy e-mail oraz redundancja połączenia z Internetem stanowi skuteczną strategię dla zapewnienia niezawodnego i bezpiecznego systemu IIoT. Dzięki temu, operatorzy mogą śledzić i kontrolować swoje urządzenia w czasie rzeczywistym z każdego miejsca na świecie. W przypadku utraty połączenia z Internetem, redundancja połączenia zapewnia kontynuację pracy systemu, a alarmowanie SMS informuje o problemie w sposób natychmiastowy.

 

Chcesz otrzymać instrukcję do tego stanowiska?

Napisz do nas!

e-mail: jaroslaw.molenda@elmark.com.pl