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Soluções de Software de Inteligência IoT Edge

Não importa que tipo de sistema de IoT você está construindo, existem três elementos que são obrigatórios: os sensores, os gateways e as redes em nuvem. O gateway é o sistema de transição entre os sensores e a nuvem e, também é o responsável por transmitir as informações e comandos de forma bidirecional. Porém, devido às limitações de distância, as funcionalidades do gateway foram aprimoradas e agora, os gateway compartilham cargas de trabalho de processamento de forma parcial com a nuvem, que hoje é considerada um recurso de computação de ponta.

Muitos tipos de dispositivos, podem ser considerados como gateways em diferentes sistemas IoT. Por exemplo, um aplicativo IoT para eletrodomésticos, ou um alto-falante inteligente podem desempenhar a função de um gateway. No caso do alto-falante, cada dispositivo é conectado a ele através do Wi-Fi ou Bluetooth, e o alto-falante transmite as informações e comandos recebidos desses dispositivos. Outro exemplo, pode ser um aplicativo IoT para o público.

As torres de celular também atuam como gateways, onde os dispositivos se conectam a elas via 4G LTE ou 5G e as informações e comandos são transmitidos através das torres de celular.

Foto abaixo: Computador EI-52 Edge

Os gateways também são utilizados em aplicações IoT (IIoT) industriais, que requerem computadores industriais (IPC). Na IIoT, existem muitos exemplos de gateways. Algumas aplicações, podem simplesmente usar computadores de placa única Raspberry Pi como gateways, outras, computadores de tamanho normal em salas de servidor. No entanto, muitos gateways usados no IIoT podem executar apenas funções básicas e não possuem software e hardware de suporte abrangente.

Recentemente, recebi um Sistema de Inteligência Edge Advantech EI-52 (EI-52-S6A1) para revisão. Desembalei, testei o sistema e descobri que era simples de usar. Neste artigo, usarei o EI-52 para ilustrar os principais pontos e características que devem ser considerados ao configurar um gateway para aplicações de IIoT.

Três aplicações para computadores de nível industrial Unboxing: Sistema inteligente Edge Advantech, EI-52

Os IPCs são muito diferentes dos computadores comuns de uso doméstico e de escritório. Eles podem ser instalados próximos a caldeiras de alta temperatura ou em áreas com alta chance de colisões em zonas de pontos críticos de visitantes. Portanto, o projeto mecânico dos IPCs precisa ser mais confiável. O design mecânico do EI-52 não foi apenas construído para ambientes extremos, mas também possui um projeto de robustez de nível industrial e pode operar em temperaturas de -10 a 50 ° C. Existem três aplicações principais para EI-52:

  1. Instalações internas, como lojas, shoppings e lojas de departamento;
  2. Automação da linha de produção nas fábricas;
  3. Quiosques de autoatendimento em lojas de varejo e de conveniência.

Windows, principal sistema operacional com serviço e suporte de longo prazo

Tendo investigado o mercado de servidores no passado, percebi que os servidores de torre eram os servidores mais usados ​​no setor de varejo. E mesmo com a crescente participação de mercado do Linux, o sistema operacional Windows ainda é o principal sistema operacional utilizado no setor de varejo, simplesmente porque os gerentes e funcionários da loja estão mais familiarizados com o sistema operacional e podem alterar as configurações ou solucionar problemas básicos no Windows com muito mais facilidade.

O EI-52 usa o Canal de Manutenção de Longo Prazo do Windows 10 Enterprise (LTSC), que não oferece apenas familiaridade com o sistema operacional, mas também garante serviço e suporte pós-venda a longo prazo.

Foto: EI-52 usa Windows 10 Enterprise Long-Term Servicing Channel (LTSC)

EdgeX Foundry é um forte ecossistema de tecnologia

O EdgeX Foundry é uma estrutura de software de código aberto altamente flexível e escalável que facilita a interoperabilidade entre dispositivos e aplicações na IoT edge.

Na prática, os gateways precisam usar a tecnologia de contêiner Docker para executar o EdgeX Foundry. Devido a uma grande atualização com Go Lang da EdgeX Foundry em 2018, sua infraestrutura de segurança foi aprimorada e os requisitos de recursos de computação foram reduzidos. Além disso, agora ele usa a tecnologia de contêiner Docker em vez de Hypervisor (VM, máquina virtual), que é mais leve e retém muitos recursos de hardware para outro uso e expansão futura.

Em relação ao peso e aos baixos requisitos de recursos, a versão antiga do EdgeX, incluindo o contêiner, exigia 519 MB de armazenamento, mas a nova versão só precisa de 68 MB. Ao simular a operação com 100 dispositivos, a versão antiga exigia 1302 MB de RAM, mas apenas 27 MB foram necessários para a nova versão. Além dessa economia significativa, a inicialização do programa de serviço de gateway foi mais rápida, de cerca de 35 segundos para cada serviço para menos de um segundo para cada serviço. Eu verifiquei o espaço de armazenamento usado por todos os softwares pré-instalados do EI-52. Tinha apenas cerca de 38 GB, incluindo o sistema operacional, EdgeX Foundry e todos os programas de software relacionados.

Foto: Painel de controle do EdgeX Foundry Console

A EdgeX Foundry tem um forte ecossistema de tecnologia devido ao suporte a uma variedade de fornecedores de hardware e software. Suas ofertas incluem vários protocolos de comunicação integrados, drivers para vários sensores (como câmeras e leitores de código de barras) e código de amostra. A documentação relacionada, históricos e registros de discussão também são muito abrangentes. O EdgeX Foundry realmente simplifica e acelera o desenvolvimento de aplicações de IIoT.

WISE-DeviceOn, software de gerenciamento de backend que economiza tempo

Em termos de operação, o EI-52 trabalha com o EdgeX Foundry, que utiliza micros serviços para gerenciar dispositivos. Além disso, o gateway também precisa ser gerenciado, portanto, a Advantech desenvolveu uma solução para gerenciamento de dispositivos chamada WISE-DeviceOn. O WISE-DeviceOn é dividido em duas partes, uma é o WISE-Agent, que é instalado no dispositivo a ser gerenciado (neste caso EI-52), e a outra é o serviço de nuvem WISE-DeviceOn, que é estabelecido e operado pela Advantech como backend.

O WISE-Agent é responsável por coletar as informações do dispositivo gerenciado e transmiti-las para o backend e, ao mesmo tempo, receber comandos da nuvem para controle do dispositivo.

Por meio do backend, o administrador pode verificar o status em tempo real de muitos gateways em campo, como o status da conexão de rede e eventos anormais. Se forem detectados eventos anormais, um diagnóstico adicional pode ser realizado remotamente. Além do mais, os dados do dispositivo podem ser analisados ​​posteriormente para manutenção preditiva. O administrador pode de forma remota atualizar o firmware em todos os gateways e controlar os interruptores de energia, bem como configurar as condições de notificação.

Mais importante ainda, o WISE-DeviceOn permite o agrupamento de vários gateways (grupo de dispositivos), para que as operações em lote possam ser realizadas. Isso economiza muito tempo e esforço.

Suporte a nuvem pública

Depois que o EI-52 coleta todas as informações no campo, ele precisa fazer o upload para a nuvem. Em teoria, qualquer serviço em nuvem pode ser usado, se o formato de dados e o protocolo forem mapeados corretamente para o padrão de serviço em nuvem desejado. No entanto, a maioria das pessoas escolhe serviços em nuvem bem conhecidos, como o Microsoft Azure, e usa serviços com foco em aplicações de IoT, como o Azure IoT Hub. Conforme mencionado acima, a nuvem é uma parte indispensável da operação geral de IoT. Por meio da agregação de dados na nuvem, o administrador pode estar ciente das alterações gerais nos dispositivos em campo, descobrir padrões sutis a partir da análise dos dados coletados e fazer o acompanhamento de previsões e respostas.

Foto: EI-52 conectado ao Hub IoT do Microsoft Azure

Duas funções opcionais: aceleração de inferência e backup

O EI-52 pode realizar inferência de IA localmente, pois compartilha cargas de trabalho de inferência com a nuvem, o que o torna mais apropriado, pois economiza energia e reduz o custo de transmissão de dados (os serviços de nuvem pública geralmente são cobrados pelo uso de dados).

A respeito disso, o processador Intel® Core ™ i5 / i3 / Celeron da 11ª geração no EI-52 usa o conjunto de instruções VNNI AVX-512 integrado, que pode acelerar a inferência INT8 (o benchmark de inferência AI nos últimos anos), utilizando circuitos de hardware. Pode-se também, optar pela adição do módulo VEGA-330 AI da Advantech no EI-52, que possui a conexão mini-PCIe e inclui dois chips Intel® Movidius ™ Myriad ™ X VPUs, o que acelera significativamente a inferência de fluxos de vídeo.

Além do módulo Edge AI, o EI-52 também pode ser equipado com outros módulos 5G e Wi-Fi da Advantech para atender a vários requisitos de comunicação para a nuvem e sensores. Todos os módulos foram testados quanto à compatibilidade, desempenho e confiabilidade térmica para garantir uma operação estável.

Os gateways exigem padrões mais elevados de segurança da informação do que os sensores e redes em nuvem, porque os servidores em nuvem estão localizados principalmente em data centers com sistemas estritamente monitorados e várias camadas de proteção, enquanto os gateways e sensores são colocados principalmente em ambientes abertos e espaços públicos, o que torna mais difícil a proteção total. Os gateways podem ser hackeados não apenas pela Internet, mas também através de métodos físicos.

Quando um único sensor é atacado, muitas vezes ele só cria pequenos danos locais, e as cargas de trabalho podem ser facilmente cobertas por dispositivos vizinhos. Mas, uma vez que um gateway é atacado, o impacto se estende a toda a área e não pode ser ignorado.

Portanto, os antivírus opcionais e os softwares utilitários de backup e recuperação de dados devem ser instalados no EI-52. A Advantech cooperou com fornecedores de software para testar e verificar se o software antivírus McAfee e o software de backup e recuperação de dados Acronis podem ser usados ​​para fornecer ao EI-52 todas as medidas de proteção e segurança necessárias.

Foto: EI-52 diagrama de solução

Além dos softwares utilitários, o EI-52 também possui um chip de hardware (Infineon SLB9670XQ2.0) para fornecer funções relacionadas à segurança do TPM 2.0 para evitar adulteração de dados. Ao mesmo tempo, os dados são salvos de forma dispersa, de forma que mesmo que um hacker acesse todo o dispositivo EI-52, os dados dentro dele não podem ser decodificados corretamente sem a chave de verificação.

Conclusão

A partir dessa experiência de Unboxing, posso concluir que, embora as soluções gerais simples e básicas de gateway forneçam funcionalidades suficientes para aplicação, para uma operação estável e confiável de longo prazo, uma solução abrangente de inteligência de Edge é obrigatória. Essa solução deve ter um design mecânico robusto, bons serviços de pós-venda, um forte ecossistema de desenvolvedor de software, diagnóstico remoto, atualização de firmware, operação em lote, aceleração de inferência e segurança para a proteção de dados. O EI-52 concentra-se nesses pontos-chave e é o gateway ideal para desempenhar um papel proativo em aplicações IIoT.

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