Développement IIoT en edge avec Modbus : flux de données capteur sécurisé sur Raspberry Pi

Adapté de Industrial Internet Application Development, par Alena Traukina, Jayant Thomas, Prashant Tyagi, Kishore Reddipalli.

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Chapitre 3. Développement IIoT en périphérie (suite)

Protocoles M2M industriels – Modbus

Dans cette section, nous construisons une application IoT compacte qui envoie des données de capteur depuis un hub Raspberry Pi vers un périphérique récepteur (PC ou cloud) en utilisant Modbus TCP, la variante couche application de Modbus.

Modbus est idéal pour les appareils au matériel contraint : il est simple, open source et largement supporté. Voici un aperçu concis des spécifications pour vous aider à décider si Modbus répond à vos besoins.

Clé	Valeur
Open source	Oui*
Couche OSI	Transport ou Application
Types de données	Entier, flottant, chaîne, booléen
Limitations	• Pas d'objets binaires volumineux • Le maître interroge les périphériques pour les changements* • Max 254 périphériques par lien* • Transmissions contiguës uniquement
Opérations	Lecture/écriture registres & bobines, diagnostics
Latence	Élevée
Usage	SMS, GPRS, filaire, sans fil, mesh
Sécurité	Aucune
Compression	Aucune

Les valeurs marquées * varient selon les implémentations.

Blocs de construction

• Logiciels requis :
  • Node.js 6+ (téléchargement)
  • PostgreSQL (téléchargement)
  • Cloud Foundry CLI (téléchargement)
  • Package npm Request (page npm)
  • Package npm Modbus (page npm)
  • Docker (guide d'installation)
• Matériel requis :
  • Raspberry Pi 3 Modèle B
  • Adaptateur d'alimentation 2 A/5 V
  • Carte microSD 8 Go+ avec adaptateur
  • Câble Ethernet pour réseau filaire

Préparation de la carte SD

1. Téléchargez la dernière image Raspbian Lite depuis Téléchargements Raspberry Pi.
2. Insérez la carte SD dans un ordinateur et flashez l'image avec Etcher (https://www.balena.io/etcher/).
3. Activez SSH en créant un fichier vide nommé ssh dans la partition de démarrage :

   cd /Volumes/boot touch ssh

4. Pour activer le Wi-Fi, créez network.conf avec :

network={ ssid="VOTRE_SSID" psk="VOTRE_MOT_DE_PASSE_WIFI" }

Utilisez nano pour éditer le fichier dans la console Linux.

5. Créez le répertoire du projet : /home/pi/hub.
6. Dans /home/pi/hub/package.json ajoutez :

{ "name": "hub", "version": "1.0.0", "description": "", "main": "index.js", "scripts": { "start": "node index.js", "test": "echo \"Error: no test specified\" && exit 1" }, "author": "", "license": "ISC", "dependencies": { "modbus": "0.0.16", "request": "^2.81.0" } }

7. Dans /home/pi/hub/index.js implémentez le client Modbus pour envoyer les données à votre serveur. Remplacez les placeholders par de vraies adresses :

   const modbus = require('modbus'); const request = require('request'); // Exemple : lire registre capteur et POST vers serveur distant // (insérer la logique réelle ici) 

8. Créez /home/pi/hub/Dockerfile :

   FROM hypriot/rpi-node:boron-onbuild RUN apt-get update && apt-get install -y libmodbus5 

9. Créez le répertoire du projet capteur : /home/pi/sensor.

10. Dans /home/pi/sensor/package.json ajoutez :

    { "name": "sensor", "version": "1.0.0", "description": "", "main": "index.js", "scripts": { "start": "node index.js", "test": "echo \"Error: no test specified\" && exit 1" }, "author": "", "license": "ISC", "dependencies": { "modbus": "0.0.16" } }

11. Dans /home/pi/sensor/index.js implémentez le simulateur de capteur et le client Modbus TCP. Remplacez ADRESSE-HUB-DISTANT.com par l'IP ou le nom d'hôte du hub :

    const modbus = require('modbus'); // Exemple : simuler lecture capteur et écrire sur Modbus // (insérer la logique réelle ici) 

12. Créez /home/pi/sensor/Dockerfile :

    FROM hypriot/rpi-node:boron-onbuild RUN apt-get update && apt-get install -y libmodbus5 

Déploiement de la solution

Construisez les images Docker, poussez-les vers un registre, et exécutez les conteneurs sur le Raspberry Pi. Assurez-vous que les conteneurs hub et capteur peuvent communiquer sur le réseau local. Une fois déployé, le simulateur de capteur publiera les données via Modbus TCP vers le hub, qui les transférera vers votre point de terminaison cloud.

En suivant ce guide, vous aurez une pile IIoT edge robuste, à faible surcharge, qui démontre la puissance de Modbus dans des scénarios industriels réels.