在树莓派上使用EdgeX Foundry实现Modbus传感器无缝集成

在树莓派上使用EdgeX Foundry实现Modbus传感器无缝集成

工业物联网（IIoT）部署越来越依赖边缘网关，将支持Modbus的外设与云分析连接。构建专有网关成本高、耗时长。本案例研究演示如何在树莓派上部署开源框架EdgeX Foundry，连接Modbus温湿度传感器，将数据流式传输到云端，并以最小工作量触发实时执行。

为何选择Modbus和EdgeX？

Modbus是运行在廉价RS-485链路上的开放轻量级协议。它使用简单寄存器（16位无符号整数）表示模拟值，线圈表示二进制状态，非常适合工业设备。EdgeX Foundry作为开源边缘中间件，充当物理传感器与IT系统的桥梁，开箱即用地提供设备管理、数据转换和云连接。

硬件栈

• 树莓派4（边缘网关）
• Modbus RTU传感器：SHT20（温度与湿度）
• RS-485转USB转换器
• 用于可视状态的LED（GPIO-12与GPIO-14）
• USB电源

图1： 图1. EdgeX Foundry – 开源边缘中间件

图2： 图2. EdgeX部署高层框图

分步集成

1. 设置树莓派
   • 安装Ubuntu 20.04 LTS，配备Docker和docker-compose。
   • 克隆EdgeX Foundry仓库并通过docker-compose启动栈。
2. 模拟Modbus设备
   • 使用ModbusPal（GPL）模拟多达247个Modbus从站。
   • 配置一个从站，包含温度（地址2）和湿度（地址3）的保持寄存器。每个寄存器映射为16位整数，将缩放为°C和%RH。
   • 通过TCP或串口（USB-RS485）启动ModbusPal验证通信。
3. 上传设备配置文件

   向https://localhost:48081/api/v1/deviceprofile/uploadfile发送POST请求，附带包含配置文件的YAML文件（见下文）。响应返回唯一配置文件ID。

4. 注册设备

   将以下JSON发送到https://localhost:48081/api/v1/device创建传感器条目。protocols.modbus-rtu部分指向/dev/ttyUSB0，波特率9600。

   { "name": "TemperatureHumiditySensor", "description": "Industrial Grade Temperature & Humidity Transmitter SHT20", "adminState": "UNLOCKED", "operatingState": "ENABLED", "protocols": { "modbus-rtu": { "Address": "/dev/ttyUSB0", "BaudRate": "9600", "DataBits": "8", "StopBits": "1", "Parity": "N", "UnitID": "1" } }, "labels": ["TemperatureHumiditySensor","modbusRTU"], "service": {"name": "edgex-device-modbus"}, "profile": {"name": "TemperatureHumiditySensor"}, "autoEvents": [ {"frequency": "5s", "onChange": false, "resource": "TemperatureDegC"}, {"frequency": "5s", "onChange": false, "resource": "HumidityPercentRH"} ] }

5. 验证数据流
   • EdgeX设备服务每5秒拉取数据并写入核心服务，存储于Redis。
   • 应用服务将数据转发至IBM Cloud（或任意云）。
   • 日志示例显示Modbus请求/响应数据包。
6. 用Kuiper规则引擎驱动LED
   • 定义规则：温度>30°C开启红灯；<30°C关闭；同样蓝灯在28°C触发。
   • Kuiper推送命令到EdgeX core-command，再更新GPIO设备服务。
   • 通过/sys/class/gpio/gpio12/value和/sys/class/gpio/gpio14/value验证GPIO输出。

关键配置片段

设备配置文件（YAML）

name: TemperatureHumiditySensor
manufacturer: ROBOKITS
model: RKI-4879
labels:
- SHT20
description: Industrial Grade Temperature & Humidity Transmitter SHT20 Sensor High Precision Monitoring Modbus RS485
deviceResources:
- name: TemperatureDegC
  description: Room Temperature in Degrees Celsius.
  attributes: { primaryTable: INPUT_REGISTERS, startingAddress: 2, rawType: INT16 }
  properties:
    value: { type: Float32, readWrite: R, scale: 0.1, floatEncoding: eNotation }
    units: { type: String, readWrite: R, defaultValue: degrees celsius }
- name: HumidityPercentRH
  description: Room Humidity in %RH.
  attributes: { primaryTable: INPUT_REGISTERS, startingAddress: 3, rawType: INT16 }
  properties:
    value: { type: Float32, readWrite: R, scale: 0.1, floatEncoding: eNotation }
    units: { type: String, readWrite: R, defaultValue: %RH }
deviceCommands:
- name: TemperatureDegC
  get: [{ index: 1, operation: get, deviceResource: TemperatureDegC }]
- name: HumidityPercentRH
  get: [{ index: 2, operation: get, deviceResource: HumidityPercentRH }]
coreCommands:
- name: TemperatureDegC
  get:
    path: /api/v1/device/{deviceId}/TemperatureDegC
    responses:
    - code: 200
      description: Get the temperature in degrees C
      expectedValues: [TemperatureDegC]
- name: HumidityPercentRH
  get:
    path: /api/v1/device/{deviceId}/HumidityPercentRH
    responses:
    - code: 200
      description: Get the humidity in %RH
      expectedValues: [HumidityPercentRH]

device-modbus TOML配置（节选）

[DeviceList]
Name = "TemperatureHumiditySensor"
Profile = "TemperatureHumiditySensor"
Description = "Industrial Grade Temperature & Humidity Transmitter SHT20"
labels = ["TemperatureHumiditySensor","modbusRTU"]
[DeviceList.Protocols.modbus-rtu]
Address = "/dev/ttyUSB0"
BaudRate = 9600
DataBits = 8
StopBits = 1
Parity = "N"
UnitID = 1
[[DeviceList.AutoEvents]]
Frequency = "5s"
OnChange = false
Resource = "TemperatureDegC"
[[DeviceList.AutoEvents]]
Frequency = "5s"
OnChange = false
Resource = "HumidityPercentRH"

结果

端到端流程展示实时温湿度数据抵达IBM Cloud，触发基于规则的LED状态变化，演示了EdgeX在低成本树莓派上的完整能力。

结论

EdgeX Foundry以最小开发开销实现基于Modbus的IIoT解决方案快速部署。通过抽象设备管理、数据存储和云连接，让工程师专注于领域逻辑和分析。

缩略语