IoT-Beispielarchitektur für die Vorlesung „IoT-Technik und Geschäftsmodelle”

Allgemeine Sytemarchitektur	Deviceseitige Systemarchitektur
Grafana-Dashboard	Balena Cloud	Balena CLI (Livepush)

Kurzbeschreibung

Dieses Repository enthält ein minimales Beispiel für eine moderne IoT-Architektur bestehend aus den Softwarekomponenten für die IoT-Devices sowie das Backend. Programmiersprache ist Python. Entwicklung, Test und Produktivsetzung sämtlicher Komponenten erfolgen mit Docker – sowohl auf den IoT-Devices als auch im Backend. Auf Seiten der Devices wird dies durch die Balena Cloud im Produktivbetrieb bzw. das Balena CLI während der Entwicklung vollständig automatisiert. Die Docker-Container des Backends können hingegen in „klassischen“ Cloudumgebungen deployt werden.

Das Beispiel ist minimal in dem Sinne, dass nur die wichtigsten Bausteine zur Umsetzung der Systemarchitektur enthalten sind. Der Quellcode kann daher leicht nachvollzogen und an eigene Bedürfnisse angepasst werden. Es ist jedoch vollständig genug, um mit wenigen Anpassungen reale Anwendungsfälle erfüllen zu können.

Die IoT-Devices umfassen folgende Komponenten:

• redis: Zentraler Redis-Server
• sensor: Python-Programm zum Auslesen der Sensordaten und Ablage in Redis
• startstopbutton: Python-Programm zum Starten und Stoppen der Sensormessungen
  Vorsicht: Dieser belegt den GPIO-Pin 2, der u.a. auch für I²C benutzt wird!
• mqtthandler: Python-Programm zum Versand der Sensordaten via MQTT
• grafana: Lokales Grafana-Dashboard zur Überwachung der Devices

Hauptbestandteil ist hier der Redis-Server, der als strukturierter in-memory Key-Value-Store sowohl für die lokale Zwischenspeicherung der Sensordaten als auch die Kommunikation der Teilprogramme untereinander sorgt. Der Server ist so konfiguriert, dass bei einem Stromausfall maximal die Daten der letzten Sekunde verloren gehen können.

Die Sensordaten werden dabei via MQTT an das Backend sowie weitere, interessierte Empfänger verschickt. Dabei ist sichergestellt, dass bei einem Teilausfall des Systems keine Sensordaten verloren gehen, sondern der Sendevorgang automatisch nachgeholt wird. Ebenso erlauben die Devices eine einfache Fernsteuerung durch JSON-kodierte Kommandos via MQTT.

Das Backend umfasst hingegen folgende Komponenten:

• mqttserver: Zentraler MQTT-Server zum Datenaustausch mit den IoT-Devices
• mariadb: MariaDB (ehemals MySQL) Datenbank zur dauerhaften Sicherung der Sensorwerte
• receiver: Python-Programm zum Emfpang der Sensordaten und Ablage in der Datenbank
• webadmin: Webbasierte Admin-Oberfläche zur Einsicht der Sensordaten und Steuerung der Devices

Der Serverteil ist derzeit in Arbeit und fehlt deshalb noch.

Entwicklung der IoT-Devices

Das Balena CLI kann sämtliche Client-Komponenten auf einen lokales Entwicklerboard (hier Rasbperry Pi) ausführen und bei Änderungen am Quellcode automatisch aktualisieren (sog. Livepush). Das erstmalige Starten der Komponenten dauert lange. Dafür werden die betroffenen Komponenten bei jeder Quellcodeänderungen innerhalb weniger Sekunden neugestartet, so dass man fast wie lokal entwickeln kann. Die notwendigen Schritte sind hierfür:

1. In der Balena Cloud eine neue Anwendung registrieren
2. Development-Version des Balena OS herunterladen und auf SD-Karte schreiben
3. Das Entwicklerboard mit dem eben heruntergelandenen Balena OS starten
4. In der Cloud den „Local Mode“ aktivieren
5. Auf der Kommandozeile folgende Befehle ausführen:
   • cd device
   • sudo balena scan
   • balena push xxxxxx.local

xxxxxx.local muss hierbei durch den mit sudo balena scan ermittelten Hostnamen ersetzt werden (z.B. 6076a30.local). Alternativ kann auch die IP-Adresse des Boards verwendet werden. Auf der Konsole werden alle Log-Ausgaben der Services und des Devices ausgegeben. Dies kann mit Strg+C beendet werden. Das Device läuft allerdings weiter.

Folgende Befehle können bei der Entwicklung nützlich sein:

• balena logs xxxxxx.local:
  Wiederaufnahme der Log-Ausgabe in der Konsole

• balena logs xxxxxx.local --service sensor --service mqtthandler:
  Konsolenausgabe auf einzelne Services einschränken

• balena ssh xxxxxx.local:
  SSH-Verbindung zum Hostsystem des Devices herstellen

• balena ssh xxxxxx.local mqtthandler:
  SSH-Verbindung zu einem Containersystem des Devices herstellen

Produktivsetzung der IoT-Devices

Zur Produktivsetzung der Devices muss in der Cloud der „Local Mode” deaktiviert werden (in den Geräteeinstellungen des Entwicklerboards). Anschließend kann das Device wieder über die Balena Cloud verwaltet und konfiguriert werden. Das eigentliche Deployment erfolgt mit folgendem Befehl:

balena push IoT-Projekt

Die Bezeichnung IoT-Projekt muss dabei durch den tatsächlichen Namen der Anwendung innerhalb der Balena Cloud ersetzt werden. Innerhalb der Cloud kann das Verhalten der Devices über verschiedene Umgebungsvariablen beeinflusst werden. Eine Auflistung findet sich in den README-Dateien und den Konfigurationsdateien der einzelnen Komponenten.

Entwicklung des Backends

Die Backendkomponenten können zum Test mit Docker Compose lokal gestartet werden. Zum Beispiel mit folgenden Befehlen:

• docker-compose up:
  Starten aller Backend-Services

• docker-compose down:
  Stoppen aller Backend-Services

Produktivsetzung des Backends

Die Docker-Container können in einer beliebigen Cloud-Container-Umgebung deployed werden. In der Regel muss dann die Adresse des MQTT-Servers in der Device-Konfiguration durch setzen der entsprechenden Umgebungsvariablen in der Balena Cloud angepasst werden. Denn standardmäßig wird der öffentliche, nicht gesicherte Sandboxserver broker.hivemq.com verwendet, was zum Testen schön aber für die Produktivsetzung ein No-Go ist.

Copyright

Sämtliche Quellcodes sind lizenziert unter Creative Commons Namensnennung 4.0 International

© 2021 Dennis Schulmeister-Zimolong

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