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边缘智能系统：基于Greengrass的Modbus数据采集与处理
1. 场景搭建
我们的示例解决方案架构简单，与常见的应用场景相符。核心活动集中在架构的第二层，聚焦于边缘计算和应用。以下是数据流动和组件触发的详细步骤：
1.
请求数据
：Modbus Request组件是一个自定义Python函数，以连续循环方式运行。每隔几分钟触发一次消息，告知Modbus组件查询PLC并获取数据。
2.
查询PLC
：Modbus TCP组件根据Modbus Request组件的请求，通过Modbus TCP协议查询PLC，并等待结果。
3.
PLC响应
：PLC通过Modbus TCP组件返回响应，并将结果作为新消息发布到MQTT代理。
4.
响应处理
：收到代理的响应后，有两个处理选项：
-
发送到IoT Core
：使用现成组件将消息从Greengrass消息总线发送到IoT Core，可配置发送所有消息或特定消息。数据到达云端后，可采用标准IoT方法进行处理和分析。
-
本地处理响应
：可选地构建自定义组件Modbus Response，部署在边缘设备上，监听并处理响应。
这些步骤逻辑上分为数据检索、转换和推送阶段，由自定义或配置的组件处理，并部署到Greengrass本地运行。每个步骤由单独的组件处理，协同工作以实现数据流动。
数据流动步骤总结
| 步骤 | 操作 | 组件 |
|---|---|---|
| 1 | 请求数据 | Modbus Request |
| 2 | 查询PLC | Modbus TCP |
| 3 | PLC响应 | Modbus TCP |
| 4A | 发送到IoT Core | 现成组件 |
| 4B | 本地处理响应 | Modbus Response |
数据流动mermaid流程图
graph LR
A[Modbus Request] -->|请求数据| B[Modbus TCP]
B -->|查询PLC| C[PLC]
C -->|响应| B
B -->|发布消息| D[MQTT代理]
D -->|选项A| E[IoT Core]
D -->|选项B| F[Modbus Response]
2. Modbus数据
Modbus协议是工业控制中历史悠久的数据通信标准。为提供实际示例，我们使用Modbus模拟器（如pyModSlave）代替PLC进行测试和开发。不同的Modbus模拟器或PLC可能在寄存器寻址上有所不同，需要通过试验和错误确定正确的请求地址。Modbus定义了多种寄存器类型，如线圈（Coil）、离散输入寄存器（Discrete Input Registers）、输入寄存器（Input Registers）和保持寄存器（Holding Registers），其地址由协议定义，但可能因设备而异。
Modbus寄存器类型
| 寄存器类型 | 读写属性 | 描述 |
|---|---|---|
| 线圈（Coil） | 读写 | 二进制字段，存储开关值，1位地址 |
| 离散输入寄存器 | 只读 | 类似线圈，但为只读地址 |
| 输入寄存器 | 只读 | 用于存储较大数据值 |
| 保持寄存器 | 读写 | 用于存储较大数据值，可读写 |
3. Greengrass权限
当Greengrass需要在AWS账户中执行操作（如将日志写入CloudWatch或在Secrets Manager中查找值）时，需要相应的权限。AWS采用先拒绝的安全策略，可通过Greengrass服务角色添加策略，允许核心设备访问AWS账户服务。例如，从边缘设备向IoT Core发布消息时，可通过AWS IoT的设置确定服务账户。
4. 组件通信与部署
4.1 组件部署步骤
为从Modbus模拟器拉取数据并发送到云端的IoT Core，我们将构建和部署以下组件：
1.
Modbus Request组件
：构建并部署该组件，向Modbus从设备请求数据。
2.
Modbus TCP组件
：部署该功能，查询模拟器并检索数据。
3.
Modbus Response组件
：考虑两种选项来检索模拟器数据并开始处理。
4.2 Modbus Request组件
代码实现
Modbus Request组件由Python代码（
modbusrequest.py
）和部署描述文件（
Modbusrequest.json
）组成。以下是
modbusrequest.py
的代码示例：
import sys
import datetime
import time
import logging
import awsiot.greengrasscoreipc
from awsiot.greengrasscoreipc.model import (
PublishToTopicRequest,
PublishMessage,
BinaryMessage
)
# Setup logging to stdout
logger = logging.getLogger(__name__)
logging.basicConfig(stream=sys.stdout, level=logging.DEBUG)
FUTURE_WAIT_TIME = 10
SLEEP_TIME = 60
ipc_client = awsiot.greengrasscoreipc.connect()
topic = "modbus/request/conveyer"
message = '{ "id": "TestRequest", "function": "ReadCoils", "address": 00001, "quantity": 10 }'
logger.debug("topic: " + topic)
logger.debug("message: " + message)
request = PublishToTopicRequest()
request.topic = topic
publish_message = PublishMessage()
publish_message.binary_message = BinaryMessage()
publish_message.binary_message.message = bytes(message, "utf-8")
request.publish_message = publish_message
while True:
operation = ipc_client.new_publish_to_topic()
operation.activate(request)
future = operation.get_response()
future.result(FUTURE_WAIT_TIME)
logger.info(message)
print("going to sleep")
time.sleep(SLEEP_TIME)
代码解释
-
导入必要模块
：导入
awsiot.greengrasscoreipc和相关模型，用于通过IPC发送消息。 - 设置日志和等待时间 ：设置日志记录和消息发送的等待时间。
-
定义消息内容
：定义要发送的消息，这里是一个
ReadCoils请求。 -
创建请求对象
：创建
PublishToTopicRequest对象，并设置主题和消息内容。 - 循环发送消息 ：使用无限循环，每隔60秒发送一次消息，并等待响应。
部署描述文件（Modbusrequest.json）
{
"RecipeFormatVersion": "2020-01-25",
"ComponentName": "com.environmentsense.modbus.modbusrequest",
"ComponentVersion": "1.0.0",
"ComponentDescription": "modbus TCP Request component.",
"ComponentPublisher": "EnvironmentSense",
"ComponentConfiguration": {
"DefaultConfiguration": {
"Message": "request",
"accessControl": {
"aws.greengrass.ipc.pubsub": {
"com.environmentsense.modbus.ModbusRequest:pubsub:1": {
"policyDescription": "Allows access to publish to topic.",
"operations": [
"aws.greengrass#PublishToTopic"
],
"resources": [
"modbus/request/conveyer"
]
}
}
}
}
},
"Manifests": [
{
"Platform": {
"os": "linux"
},
"Lifecycle": {
"Install": {
"script": "python3 -m pip install --user awsiotsdk"
},
"Run": {
"script": "python3 -u {artifacts:path}/modbusrequest.py '{configuration:/message}'"
}
}
}
]
}
描述文件解释
- 基本信息 ：定义组件的格式版本、名称、版本、描述和发布者。
-
组件配置
：设置默认配置和访问控制策略，允许组件向
modbus/request/conveyer主题发布消息。 - 清单 ：指定平台为Linux，定义安装和运行脚本。
4.3 组件部署
组件部署可通过AWS控制台或命令行进行。对于初始开发和测试，建议使用命令行在Greengrass机器上本地工作。可参考AWS IoT Greengrass开发者指南（https://docs.aws.amazon.com/greengrass/v2/developerguide）获取详细信息。使用Visual Studio Code（VS Code）可方便地进行代码编辑、终端命令执行和端口转发，以访问本地Greengrass调试控制台。
部署命令示例
$ sudo /greengrass/v2/bin/greengrass-cli deployment create --recipeDir /home/greengrass/components/recipes --artifactDir /home/greengrass/components/artifacts --merge "com.environmentsense.modbus.modbusrequest=1.0.0"
查看日志命令
$ cd /greengrass/v2/logs/
$ tail -f com.environmentsense.modbus.ModbusRequest.log
4.4 Modbus TCP组件
Modbus TCP组件是开源社区组件，可从https://github.com/awslabs/aws-greengrass-labs-modbus-tcp-protocol-adapter获取。该组件允许使用Modbus TCP协议读取或写入设备数据，但需要Modbus Request组件通过IPC请求告知查询的数据。
组件配置
需要将预编译的
.jar
文件复制到S3文件夹，用于部署到边缘设备。同时，需要根据实际情况定制YAML格式的配方文件，配置Modbus端点的IP地址、端口和设备名称。
配方文件示例
{
"Modbus": {
"Endpoints": [
{
"Host": "192.168.178.34",
"Port": "502",
"Devices": [
{
"Name": "conveyer",
"UnitId": 0
}
]
}
]
},
"accessControl": {
"aws.greengrass.ipc.pubsub": {
"aws.greengrass.labs.ModbusTCP:pubsub:1": {
"policyDescription": "Allows publish to all topics.",
"operations": [
"aws.greengrass#PublishToTopic"
],
"resources": [
"*"
]
},
"aws.greengrass.labs.ModbusTCP:pubsub:2": {
"policyDescription": "Allows subscribe to all topics.",
"operations": [
"aws.greengrass#SubscribeToTopic"
],
"resources": [
"*"
]
}
}
}
}
配置解释
- Modbus端点 ：指定Modbus设备的IP地址、端口和设备名称。
- 访问控制 ：设置组件的访问权限，允许发布和订阅所有主题。在生产环境中，应根据实际需求锁定权限。
4.5 本地调试控制台
Greengrass部署组件时，会将状态更新到云端，方便查看部署情况。同时，可部署本地调试控制台，通过VS Code的SSH端口转发功能，在本地浏览器中访问（https://localhost:1441/），以查看和编辑部署的组件。
组件部署与调试步骤总结
| 步骤 | 操作 | 命令/方法 |
|---|---|---|
| 1 | 编写组件代码和配方文件 |
编写
modbusrequest.py
和
Modbusrequest.json
|
| 2 | 配置VS Code | 配置SSH连接和端口转发 |
| 3 | 部署组件 |
sudo /greengrass/v2/bin/greengrass-cli deployment create ...
|
| 4 | 查看日志 |
cd /greengrass/v2/logs/; tail -f ...
|
| 5 | 访问调试控制台 | 浏览器打开https://localhost:1441/ |
5. 组件协同工作原理
5.1 数据交互流程
Modbus Request、Modbus TCP和Modbus Response组件协同工作，实现从Modbus模拟器获取数据并发送到IoT Core的功能。其具体的数据交互流程如下：
1. Modbus Request组件定时向
modbus/request/conveyer
主题发布请求消息，请求Modbus TCP组件查询Modbus模拟器的数据。
2. Modbus TCP组件监听
modbus/request/conveyer
主题，接收到请求消息后，根据消息中的指令，通过Modbus TCP协议查询Modbus模拟器。
3. Modbus模拟器响应查询请求，将数据返回给Modbus TCP组件。
4. Modbus TCP组件将接收到的数据发布到MQTT代理。
5. 对于MQTT代理接收到的数据，有两种处理方式：
- 可以使用现成组件将数据发送到IoT Core，以便在云端进行处理和分析。
- 也可以部署自定义的Modbus Response组件，在边缘设备本地处理数据。
数据交互mermaid流程图
graph LR
A[Modbus Request] -->|发布请求消息| B[Modbus TCP]
B -->|查询数据| C[Modbus模拟器]
C -->|返回数据| B
B -->|发布数据| D[MQTT代理]
D -->|选项1| E[IoT Core]
D -->|选项2| F[Modbus Response]
5.2 组件权限与通信
各组件之间的通信主要通过Inter - Process Communication (IPC)实现，使用MQTT协议进行消息的发布和订阅。同时，每个组件都需要相应的权限才能正常工作，例如：
- Modbus Request组件需要有向
modbus/request/conveyer
主题发布消息的权限，在其配方文件的
accessControl
部分进行了配置。
- Modbus TCP组件需要有发布和订阅消息的权限，在其配方文件中也进行了相应的权限设置。
6. 实际应用中的注意事项
6.1 日志管理
在实际应用中，日志管理非常重要。虽然设置日志可以帮助我们跟踪组件的运行状态，但过多的日志数据可能会导致成本增加，尤其是在有多个核心设备的情况下。Greengrass的日志管理规则与开发者常见的规则有所不同，因此需要谨慎处理。建议在AWS账户中添加日志使用的警报，避免因日志数据过多而产生高额费用。
6.2 权限设置
在开发和测试阶段，可以设置较为宽松的权限，以便快速验证功能。但在生产环境中，必须严格锁定组件的权限，只授予组件完成其功能所需的最小权限。例如，Modbus TCP组件在开发阶段可以允许发布和订阅所有主题，但在生产环境中，应根据实际需求限制其可访问的主题。
6.3 设备兼容性
不同的Modbus设备（如PLC、模拟器）可能在寄存器寻址上存在差异。在实际应用中，需要IT和OT人员共同协作，通过试验和错误的方式，确定正确的寄存器地址，并明确该地址对应的数据在现实世界中的含义（元数据）。
7. 总结与展望
7.1 总结
通过本文的介绍，我们了解了如何使用Greengrass组件实现从Modbus模拟器获取数据并发送到IoT Core的功能。具体步骤包括：
1. 搭建场景，明确数据流动的步骤和组件的功能。
2. 了解Modbus协议和相关寄存器类型，使用Modbus模拟器进行测试和开发。
3. 配置Greengrass权限，确保组件能够访问AWS账户的相关服务。
4. 构建和部署Modbus Request、Modbus TCP和Modbus Response组件，实现组件之间的通信和数据交互。
5. 进行组件的部署和调试，使用VS Code和本地调试控制台提高开发效率。
步骤总结表格
| 阶段 | 操作内容 |
|---|---|
| 场景搭建 | 定义数据流动步骤和组件功能 |
| 协议了解 | 掌握Modbus协议和寄存器类型 |
| 权限配置 | 设置Greengrass组件访问AWS服务的权限 |
| 组件开发 | 编写组件代码和配方文件 |
| 部署调试 | 使用命令行和VS Code进行组件部署和调试 |
7.2 展望
随着边缘计算和物联网技术的不断发展，Greengrass在工业控制、智能家居等领域的应用将越来越广泛。未来，可以进一步优化组件的性能，提高数据处理的效率和准确性。同时，可以探索更多的Modbus功能和应用场景，如远程设备控制、实时数据分析等，为用户提供更强大的解决方案。
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