Industria 4.0

APIs Cloud para pasarelas IoT

bild 01 conga iotEl camino para conectar y poner en marcha soluciones en la nube pasa a través de la estandarización de APIs. La orquestación de red de sensores de forma fácil.
La nube y las múltiples formas que se ofrecen para almacenar, analizar y proporcionar datos a demanda, se han vuelto indispensables para que muchos desarrolladores OEM monitorizen y controlen dispositivos, máquinas y sistemas descentralizados. Sin embargo, en la práctica, a menudo es difícil procesar y transferir datos de sensores descentralizados. Esto se debe principalmente a la infinita variedad de lógica distribuida en el campo. Los datos, protocolos y medios de transmisión incoherentes, así como los sistemas operativos heterogéneos y las interfaces propietarias para diferentes proveedores de la nube, a menudo dan lugar a una implementación fragmentada y complicada a pesar del gran potencial de la nube. Entonces, ¿cómo se simplifica el proceso de obtener datos de sensores a través de la nube?

Los fabricantes de hardware han realizado grandes esfuerzos para desarrollar soluciones atractivas para la conexión de redes de sensores. Dependiendo de los requisitos de campo, han surgido opciones muy diferentes. Hay pasarelas para campos de aplicación específicos, como la pasarela FlexGate de EXPEMB, que está optimizada para LoRa. También hay sistemas multi-talento, como la pasarela conga-IoT de congatec que proporciona hasta 8 antenas de radio que permiten una selección extremadamente diversa de tecnologías inalámbricas, además de la conexión de periféricos adicionales y buses de campo. Sin embargo, las plataformas de hardware que se adaptan a la aplicación son solo el primer paso hacia una plataforma de solución que facilite a los desarrolladores OEM obtener los datos de dispositivos integrados y redes de sensores heterogéneos, en la nube.

En el mundo ideal de los desarrolladores de aplicaciones en la nube, el hardware distribuido necesita poca atención. Los desarrolladores quieren que el proceso de conectar dispositivos, máquinas y sistemas a la nube sea tan simple como conectar dispositivos USB o tarjetas de expansión PCIe a un PC: abrir la nube, reconocer dispositivos y configurar según sea necesario; y que la conexión a la nube esté lista. Si los dispositivos informáticos embebidos tuvieran una interfaz tan fácil de usar, también para periféricos, sería muy simple crear automáticamente todas las aplicaciones y paneles requeridos en la nube con los marcos y herramientas adecuados. El problema es que los datos del sensor desde el nivel de campo -que varían en tamaño desde algunos bits para mediciones de temperatura a gigabits de datos de grandes flujos de video- son generados por una amplia variedad de sensores y se entregan en una amplia gama de estructuras de datos distintas, a través de protocolos heterogéneos, interfaces y rutas de transmisión. Sin una lógica local que pueda procesar estos datos heterogéneos y convertirlos en información que valga la pena transmitir, es prácticamente imposible realizar una conexión útil en la nube.  La nube le permite registrar cualquier estado en la densidad más alta o recopilar solo los datos necesarios a corto o largo plazo, por ejemplo, para llevar a cabo análisis de Big Data y para proporcionar acceso bajo demanda a estos datos desde cualquier lugar. Para que esto funcione, necesita un gateway, ya sea una plataforma de sistema virtual o un dispositivo dedicado, donde los datos se reciben, traducen, procesan y transmiten como información transparente a las respectivas interfaces de la nube.

bild 02 cloud api 2 wLa importancia principal de los gateways
Los gateways juegan un papel principal en la orquestación de las redes de sensores porque son el nodo desde el cual se envía la información hacia el campo, la nube u otros Gateway vecinos. Además de la configuración de hardware correcta, también necesitan excelentes capacidades lingüísticas y de toma de decisiones. Requieren una lógica para recopilar, analizar y transcodificar los datos del sensor y decidir qué hacer con esta información. Finalmente, necesitan la capacidad de estructurar los datos de forma consistente más una lógica para la comunicación bidireccional dentro de la solución en la nube, todo con un cifrado seguro de extremo a extremo.

La nueva Cloud API (Application Programming Interface) para gateways IoT de congatec es un ejemplo de middleware y lógica para la fácil orquestación de redes inalámbricas de sensores. Su objetivo es simplificar la conexión de la tecnología informática embebida y los periféricos asociados a la nube, al proporcionar módulos de software listos para la aplicación, que los clientes pueden usar como modelo para desarrollar sus propias aplicaciones. Con el Cloud API de congatec para gateways IoT, las redes de sensores locales de todo tipo pueden ser integradas en cualquier solución en la nube.
El gateway IoT se comunica localmente con sensores inteligentes, procesando y convirtiendo los datos del sensor recibidos. Los módulos driver embebidos (EDM) sirven como interfaz para el hardware y las tarjetas de expansión de terceros, proporcionan la lógica que traduce los datos recibidos en la semántica de la lógica del Gateway IoT específica de la aplicación. Los datos se transmiten paso a paso a la nube a través de interfaces predefinidas y procesos de decisión, utilizando módulos y bloques de función definidos de forma transparente que pueden emplear interfaces lógicas idénticas en cada aplicación.

bild 03 cloud api kosystem eng wEl papel clave del middleware
El software, especialmente el middleware de los gateway IoT, es decisivo para recibir datos del campo industrial, traducirlos, empaquetarlos y transferirlos bajo demanda a la nube. Sin embargo, aquí es donde la compatibilidad generalmente cesa porque, hasta la fecha, no hay APIs estandarizadas para la comunicación entre sensores, gateways y nube. Esta brecha debe cerrarse ahora al estandarizar las APIs de la nube para los gateway IoT. El objetivo es encontrar una forma unificada de recibir y procesar datos localmente, y luego reenviarlos a la nube. Después de todo, solo un diseño API de nube listo para aplicaciones y, sobre todo, estandarizado, permite la integración plug and play de diferentes conexiones de sensores inalámbricos como Bluetooth LE, ZigBee, LoRa y otras LPWAN, así como protocolos cableados para la construcción y la automatización industrial. De esta forma, incluso las configuraciones de protocolo altamente heterogéneas pueden integrarse fácilmente y con un mínimo esfuerzo de desarrollo. Lo mismo se aplica a las comunicaciones en la nube, por supuesto, porque los requisitos individuales para servidores propietarios u ofertas de terceros como Microsoft Azure, Telekom o Amazon AWS Cloud también deben cumplirse de manera plug and play.

Los primeros componentes de software que se estandarizarán son los diversos módulos de función API de la nube. Desde el punto de vista del campo, el motor de sensores con EDM implementados en la API Cloud de congatec para gateways IoT juega un papel clave ya que permite la traducción y transmisión de datos de los sensores y actuadores locales a un middleware genérico independiente del protocolo. También normaliza las mediciones en unidades físicas libremente definibles y verifica los datos recibidos en cuanto a su significado. Con la conexión de la interfaz EAPI estandarizada, los módulos pueden proporcionar parámetros de hardware relevantes, como temperaturas y voltajes del sistema, utilización de la CPU o detección de robo.

A través del motor de reglas específico de la aplicación, el gateway envía alertas locales, y activa acciones automatizadas cuando ciertos umbrales están o amenazan con excederse. Gracias al motor de sensores, es independiente del hardware, el permitir a los desarrolladores OEM implementar los mismos tipos de sensores, como los sensores de temperatura, siempre de la misma manera. Esto simplifica la configuración y aumenta la eficiencia.

bild 04 pst editor mit widget businesslogik 20170928 wLo que se echa de menos más allá de esta lógica para la conexión de hardware y la abstracción, es una interfaz de nube estandarizada que también se pueda cambiar libremente dependiendo del proveedor de la nube. Para este propósito, congatec ha desarrollado un módulo de interfaz en cooperación con M2MGO: el motor de comunicación. Proporciona comunicación encriptada con servidores o diferentes nubes a través de conexiones inalámbricas o cableadas inteligentes. Si todos los módulos de función se ofrecieran sobre la base de un estándar abierto e independiente del fabricante, los sensores, pasarelas y nubes se podrían ensamblar libremente según lo deseado. Siempre funcionaría.

Además de la conectividad en la nube plug and play para el hardware, lo que los desarrolladores también necesitan para implementar los escenarios descritos es una solución conveniente para la configuración de las pasarelas IoT. Una solución que se integra perfectamente con la API Cloud de congatec para pasarelas IoT es el marco de nube M2MGO People-System-Things (PST). Además de un dispositivo y sistema de gestión de datos, PST proporciona un sólido conjunto de características para crear aplicaciones sin ninguna programación. Los usuarios pueden generar aplicaciones web completas con la ayuda de un editor de arrastrar y soltar. Dependiendo de los dispositivos disponibles, las aplicaciones para usuarios finales móviles ahora pueden incluso crearse automáticamente, sin intervención manual.

Estructura del ecosistema
Por supuesto, un enfoque API de nube tan abierto solo puede ser tan fuerte como el ecosistema que lo soporta. Para soluciones verdaderamente plug and play, los principales proveedores de tecnología informática embebida, periféricos y nubes necesitarán soportar una API en la nube, ya que cada dispositivo de hardware exige un motor de sensor dedicado, y cada nube un motor en la nube apropiado. Dependiendo de la lógica de decisión del gateway requerida, las ejecuciones específicas del motor de reglas son todo lo que se necesita. Esto minimiza el esfuerzo de desarrollo para conectarse a la nube. En instalaciones estándar, es posible implementar módulos certificados listos para la aplicación sin tener que escribir una sola línea de código de programa adicional. Plug and play, así como la parametrización en lugar de la programación, son los lemas que lo guían. Si todos los módulos estándar están instalados correctamente, el motor del sensor suministrado lee, traduce y procesa los datos en la pasarela IoT inmediatamente después de su captura en el idioma de la nube. Como resultado, el usuario puede ver la información procesada en una aplicación web creada automáticamente en lugar de tener que programar y desarrollar individualmente todo el proceso para cada sensor. En el futuro, todos los datos deseados se transferirán automáticamente a la nube y al usuario.

Ventajas de la estandarización
Pero la estandarización ofrece aún más ventajas: con bloques de función estandarizados, los clientes ya no están vinculados a un proveedor en particular. Además, la estandarización de tales APIs proporciona una base ideal para las estrategias de migración de OEM. Los desarrolladores solo necesitan diseñar su aplicación IoT una vez y luego pueden transferirla a cualquier sensor, pasarela y combinación de nubes para nuevas aplicaciones. Dicha portabilidad es muy conveniente porque una solución en la nube que conecta buses de campo localmente y luego se comunica por WLAN a una nube de Microsoft Azure es diferente a la que recolecta datos localmente a través de WLAN o LoRa y luego la transfiere a 3G / 4G a una nube de telecomunicaciones. Si los gateway individuales admiten una API de nube estandarizada, los desarrolladores solo necesitan cambiar el motor de la nube; todo lo demás puede permanecer como está. Esta es una forma eficiente de implementar incluso los requisitos más individuales con bloques estándar listos para la aplicación. Para dar un ejemplo, aquí hay un cálculo rápido: una solución de IoT con cuatro redes de sensores alternativos y tres nubes posibles para diferentes aplicaciones requirió anteriormente 12 implementaciones completamente diferentes en el gateway IoT (3x4). Una API de nube estandarizada reduce drásticamente la complejidad de la tarea hasta la integración o implementación de solo 7 motores (3 motores en la nube más 4 motores de sensor). Si algunos de estos motores ya están disponibles, el esfuerzo se reduce aún más. Todas estas opciones también respaldan la disponibilidad de soluciones a largo plazo.

El status quo de los esfuerzos de estandarización
Dado que dicha estandarización abierta tiene una larga lista de ventajas para OEMs y proveedores de aplicaciones de IoT, el grupo de estandarización SGET (Standardization Group for Embedded Technologies e.V.) estableció un grupo de trabajo hace dos años. Como resultado preliminar, SGET presentó el primer sistema de demostración de este tipo en el Embedded World 2017. Actualmente, el grupo está trabajando para finalizar la versión 1.0 del nuevo estándar API de nube para sistemas embebidos y módulos de expansión. El objetivo es la adopción oficial del estándar a principios de 2018. Hasta entonces, se alienta a más fabricantes a participar, ya que cuanto más amplia es la base de soporte, mayores son las posibilidades de establecer este estándar a largo plazo. El esfuerzo de estandarización API en la nube recibiría un gran impulso si, además de los fabricantes de tecnología informática embebida, los proveedores de dispositivos periféricos y los principales proveedores de servicios en la nube respaldaran este estándar abierto. Ganar el apoyo de estos interesados es, por lo tanto, una tarea importante del SGET dentro del proceso de estandarización.


Autores:

carsten rebmann wkevin louis pawelkejens uhlig

 

 

 

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