Interoperability middleware for IIoT gateways based on international standard ontologies and standardized digital representation

Abstract

Recent advances in the areas of microelectronics, information technology, and communication protocols have made the development of smaller devices with greater processing capacity and lower energy consumption. This context contributed to the growing number of physical devices in industrial environments which are interconnected and communicate via the internet, enabling concepts such as Industry 4.0 and the Industrial Internet of Things (IIoT). These nodes have different sensors and actuators that monitor and control environment data. Several companies develop these devices, including diverse communication protocols, data structures, and IoT platforms, which leads to interoperability issues. In IoT scenarios, interoperability is the ability of two systems to communicate and share services. Therefore, communication problems can make it unfeasible to use heterogeneous devices, increasing the project’s financial cost and development time. In an industry, interoperability is related to different aspects, such as physical communication, divergent device communication protocols, and syntactical problems, referring to the distinct data structure. Developing a new standard for solving these matters may bring interoperability-related drawbacks rather than effectively solving these issues. Therefore, to mitigate interoperability problems in industrial applications, this work proposes the development of an interoperability middleware for Edge-enabled IIoT gateways based on international standards. The middleware is responsible for translating communication protocols, updating data from simulations or physical nodes to the assets’ digital representations, and storing data locally or remotely. The middleware adopts the IEEE industrial standard ontologies combined with assets’ standardized digital models. As a case study, a simulation replicates the production of a nutrient solution for agriculture, controlled by IIoT nodes. The use case consists of three devices, each equipped with at least five sensors or actuators, communicating in different communication protocols and exchanging data using diverse structures. The performance of the proposed middleware and its proposed translations algorithms were evaluated, obtaining satisfactory results for mitigating interoperable in industrial applications.

Devido a recentes avanços nas áreas de microeletrônica, tecnologia da informação, e protocolos de comunicação tornaram possível o desenvolvimento de dispositivos cada vez menores com maior capacidade de processamento e menor consumo energético. Esse contexto contribuiu para o crescente nú- mero desses dispositivos na industria que estão interligados via internet, viabilizando conceitos como Indústria 4.0 e Internet das Coisas Industrial (IIoT). Esses nós possuem diferentes sensores e atuadores que monitoram e controlam os dados do ambiente. Esses equipamentos são desenvolvidos por diferentes empresas, incluindo protocolos de comunicação, estruturas de dados e plataformas de IoT distintos, acarretando em problemas de interoperabilidade. Em cenários de IoT, interoperabilidade, é a capacidade de sistemas se comunicarem e compartilharem serviços. Portanto, esses problemas podem inviabilizar o uso de dispositivos heterogêneos, aumentando o custo financeiro do projeto e seu tempo de desenvolvimento. Na indústria, interoperabilidade se divide em diferentes aspectos, como comunicação e problemas sintáticos, referentes à estrutura de dados distinta. O desenvolvimento de um padrão industrial pode trazer mais desvantagens relacionadas à interoperabilidade, em vez de resolver esses problemas. Portanto, para mitigar problemas relacionados a intoperabilidade industrial, este trabalho propõe o desenvolvimento de um middleware de interoperável para gateways IIoT baseado em padrões internacionais e ontologias. O middleware é responsável por traduzir diferentes protocolos de comunicação, atualizar os dados dos ativos industriais por meio de suas representações digitais, esses armazenados localmente ou remotamente. O middleware adota os padrões ontológicos industriais da IEEE combinadas com modelos digitais padronizados de ativos industriais. Como estudo de caso, são realizadas simulações para a produção de uma solução nutritiva para agricultura, controlada por nós IIoT. O processo utiliza três dispositivos, cada um equipado com pelo menos cinco sensores ou atuadores, por meio de diferentes protocolos de comunicação e estruturas de dados. O desempenho do middleware proposto e seus algoritmos de tradução foram avaliados e apresentados no final do trabalho, os quais resultados foram satisfatórios para mitigar a interoperabilidade em aplicações industriais.