Framework for centralized technical management systems

Abstract

Centralized Technical Management (CTM) Systems allow the control and monitoring of various devices installed on the factory floor or in other environments, such as offices, buildings, or hospitals. These devices can capture data about the medium (sensors) or interact with the same medium (actuators). Temperature sensors, presence detectors, or energy meters can be used to control HVAC systems, lighting, or even trigger an alarm in an emergency. With the increasing Internet of Things (IoT) and Industrial Internet of Things (IIoT) applications, it becomes necessary to use effective CTM systems. With these systems, a technician can manage multiple devices in a centralized unit without having to be in direct contact with the device and possibly without having to travel to the building where the instruments are. There are several setbacks when designing a GTC system. One of them is that the devices to be controlled use different protocols to communicate with each other. With this in mind, within the scope of this work, we developed a framework for developing CTM systems. This framework allows all devices connected to the central unit to be controlled through a graphical interface in the same way. That is, the system creates a layer that abstracts the communication protocol used by the various devices. In this work, tools such as EdgeX Foundry, InfluxDB, Telegraf, and Grafana were used to implement a framework. The functioning of the framework was validated using commercial devices (KNX and Modbus protocols) and a device developed from scratch (MQTT protocol). Additionally, a mechanism for prioritizing messages considered critical, which uses an IP protocol, was implemented. This mechanism allows a specific bandwidth to be reserved for the desired protocol. To this end, Software-Defined Network and OpenFlow principles were used to implement a mechanism that prioritizes MQTT packages. Two setups were compared to test the implemented system, with and without the message prioritization mechanism.

Sistemas de Gestão Técnica Centralizada (GTC) permitem o controlo e monitorização de diversos dispositivos instalados em chão de fábrica ou em outros ambientes, como por exemplo, escritórios, prédios ou hospitais. Estes dispositivos podem capturar dados sobre o meio onde estão instalados (sensores) ou até interagir com o mesmo meio (atuadores). Sensores de temperatura, detetores de presença ou medidores de energia podem ser utilizados para controlar sistemas de AVAC, iluminação, ou até disparar um alarme em caso de emergência. Com o aumento de aplicações baseadas em Internet of Things (IoT) e Industrial Internet of Things (IIoT), torna-se necessária a utilização de sistemas de GTC eficazes. Com estes sistemas, um técnico pode gerir múltiplos dispositivos numa unidade centralizada, sem ter de estar em contacto direto com o dispositivo e, possivelmente, sem ter de se deslocar ao edifício onde os instrumentos se encontram. Existem várias contrariedades quando se projeta um sistema de GTC, sendo uma o facto de os dispositivos que se pretende controlar utilizarem diferentes protocolos para comunicarem entre si. Com isto em mente, no âmbito deste trabalho foi desenvolvida uma framework para o desenvolvimento de sistemas de GTC. Esta framework permite que todos os dispositivos ligados à unidade central sejam controlados através de uma interface gráfica, de igual forma. Ou seja, o sistema cria uma camada que abstrai o protocolo de comunicação utilizado pelos diversos dispositivos. Neste trabalho foram utilizadas ferramentas como EdgeX Foundry, InfluxDB, Telegraf e Grafana para implementar a framework. O funcionamento da framework foi validado utilizando dispositivos comerciais (protocolo KNX e Modbus) e um dispositivo desenvolvido de raiz (protocolo MQTT). Adicionalmente, foi implementado um mecanismo de priorização de mensagens consideradas críticas, que utilizem um protocolo IP. Este mecanismo permite que uma determinada largura de banda seja reservada para o protocolo desejado. Para tal, foram utilizados princípios de Software-Defined Networking e OpenFlow para implementar um mecanismo que prioriza os pacotes MQTT. Para testar o sistema implementado foram comparados dois setups, com e sem o mecanismo de priorização de mensagens.