A Semantic Interoperability Model Based on the IEEE 1451 Family of Standards Applied to the Industry 4.0

The Internet of Things (IoT) has been growing recently. It is a concept for connecting billions of smart devices through the Internet in different scenarios. One area being developed inside the IoT in industrial automation, which covers Machine-to-Machine (M2M) and industrial communications with an automatic process, emerging the Industrial Internet of Things (IIoT) concept. Inside the IIoT is developing the concept of Industry 4.0 (I4.0). That represents the fourth industrial revolution and addresses the use of Internet technologies to improve the production efficiency of intelligent services in smart factories. I4.0 is composed of a combination of objects from the physical world and the digital world that offers dedicated functionality and flexibility inside and outside of an I4.0 network. The I4.0 is composed mainly of Cyber-Physical Systems (CPS). The CPS is the integration of the physical world and its digital world, i.e., the Digital Twin (DT). It is responsible for realising the intelligent cross-link application, which operates in a self-organised and decentralised manner, used by smart factories for value creation. An area where the CPS can be implemented in manufacturing production is developing the Cyber-Physical Production System (CPPS) concept. CPPS is the implementation of Industry 4.0 and CPS in manufacturing and production, crossing all levels of production between the autonomous and cooperative elements and sub-systems. It is responsible for connecting the virtual space with the physical world, allowing the smart factories to be more intelligent, resulting in better and smart production conditions, increasing productivity, production efficiency, and product quality. The big issue is connecting smart devices with different standards and protocols. About 40% of the benefits of the IoT cannot be achieved without interoperability. This thesis is focused on promoting the interoperability of smart devices (sensors and actuators) inside the IIoT under the I4.0 context. The IEEE 1451 is a family of standards developed to manage transducers. This standard reaches the syntactic level of interoperability inside Industry 4.0. However, Industry 4.0 requires a semantic level of communication not to exchange data ambiguously. A new semantic layer is proposed in this thesis allowing the IEEE 1451 standard to be a complete framework for communication inside the Industry 4.0 to provide an interoperable network interface with users and applications to collect and share the data from the industry field.A Internet das Coisas tem vindo a crescer recentemente. É um conceito que permite conectar bilhões de dispositivos inteligentes através da Internet em diferentes cenários. Uma área que está sendo desenvolvida dentro da Internet das Coisas é a automação industrial, que abrange a comunicação máquina com máquina no processo industrial de forma automática. Essa interligação, representa o conceito da Internet das Coisas Industrial. Dentro da Internet das Coisas Industrial está a desenvolver o conceito de Indústria 4.0 (I4.0). Isso representa a quarta revolução industrial que aborda o uso de tecnologias utilizadas na Internet para melhorar a eficiência da produção de serviços em fábricas inteligentes. A Indústria 4.0 é composta por uma combinação de objetos do mundo físico e do mundo da digital que oferece funcionalidade dedicada e flexibilidade dentro e fora de uma rede da Indústria 4.0. O I4.0 é composto principalmente por Sistemas Ciberfísicos. Os Sistemas Ciberfísicos permitem a integração do mundo físico com seu representante no mundo digital, por meio do Gémeo Digital. Sistemas Ciberfísicos são responsáveis por realizar a aplicação inteligente da ligação cruzada, que opera de forma auto-organizada e descentralizada, utilizada por fábricas inteligentes para criação de valor. Uma área em que o Sistema Ciberfísicos pode ser implementado na produção manufatureira, isso representa o desenvolvimento do conceito Sistemas de Produção Ciberfísicos. Esse sistema é a implementação da Indústria 4.0 e Sistema Ciberfísicos na fabricação e produção. A cruzar todos os níveis desde a produção entre os elementos e subsistemas autónomos e cooperativos. Ele é responsável por conectar o espaço virtual com o mundo físico, permitindo que as fábricas inteligentes sejam mais inteligentes, resultando em condições de produção melhores e inteligentes, aumentando a produtividade, a eficiência da produção e a qualidade do produto. A grande questão é como conectar dispositivos inteligentes com diferentes normas e protocolos. Cerca de 40% dos benefícios da Internet das Coisas não podem ser alcançados sem interoperabilidade. Esta tese está focada em promover a interoperabilidade de dispositivos inteligentes (sensores e atuadores) dentro da Internet das Coisas Industrial no contexto da Indústria 4.0. O IEEE 1451 é uma família de normas desenvolvidos para gerenciar transdutores. Esta norma alcança o nível sintático de interoperabilidade dentro de uma indústria 4.0. No entanto, a Indústria 4.0 requer um nível semântico de comunicação para não haver a trocar dados de forma ambígua. Uma nova camada semântica é proposta nesta tese permitindo que a família de normas IEEE 1451 seja um framework completo para comunicação dentro da Indústria 4.0. Permitindo fornecer uma interface de rede interoperável com utilizadores e aplicações para recolher e compartilhar os dados dentro de um ambiente industrial.This thesis was developed at the Measurement and Instrumentation Laboratory (IML) in the University of Beira Interior and supported by the portuguese project INDTECH 4.0 – Novas tecnologias para fabricação, que tem como objetivo geral a conceção e desenvolvimento de tecnologias inovadoras no contexto da Indústria 4.0/Factories of the Future (FoF), under the number POCI-01-0247-FEDER-026653

Um protocolo baseado em MQTT-SN para adaptação da QoS em redes de sensores sem fio

The Internet of Things (IoT) remains a concept that is being increased in the last few years. The principal idea is to connect smart devices through a network solution. In the next few years, IoT will be present in everyday objects, in people’s life, almost everything will communicate through the Internet. The economic impact of IoT solution is expected to be, annually, billions of dollars. To provide data exchange from smart devices, some protocols are being used. The Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) is one of the most common application protocols for IoT and Machine-to-Machine (M2M) communications. The MQTT implements the paradigm publish/subscribe that provides three Quality of Service (QoS) to ensure message exchange between the devices. However, MQTT protocol is developed over TCP stack and implements the TCP protocol to communicate. There is a version of MQTT for Sensor Network (SN), named of MQTT-SN, developed specially for exchanging messages in Wireless Sensors Networks (WSNs). As many smart devices will be connected on the same WSN, the network can be overloaded and the links may become unstable. This study presents a method to optimize the exchange messages and to increase message delivery during a communication process, between a publisher and a broker or between a publisher and the middleware, implementing the MQTT-SN protocol. The QoS Dynamic Adaptation Method (DAM) for sensor networks was developed on the publisher side. It was focused to select the best Quality of Service between the three QoS levels implemented in the MQTT-SN protocol, based on network latency. The QoS DAM showed good performance in wireless networks, kept message delivery during the communication process, and it showed an impressive performance when compared with the normal QoS implemented in the MQTT-SN protocol.A Internet das Coisas (Internet of Things - IoT) é um conceito que vem crescendo nos últimos anos. A ideia principal é conectar dispositivos inteligentes por meio de uma solução utilizando à Internet. Nos próximos anos, a IoT estará presente nos objetos do dia-a-dia, na vida das pessoas, quase tudo irá se comunicar por meio da Internet. O impacto econômico da solução utilizando IoT, será de bilhões de dólares anualmente. Para promover a troca de mensagens entre os dispositivos inteligentes, alguns protocolos estão sendo utilizados. O Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) é um dos protocolos mais comuns para a IoT e comunicação entre máquinas (Machine-to-Machine - M2M). O MQTT utiliza o paradigma publish/subscribe que provê três Qualidades de Serviço (Quality of Service - QoS) para garantir a troca de mensagens entre os dispositivos. Entretanto, o protocolo MQTT foi desenvolvido sobre a pilha de protocolos TCP e utiliza o protocolo TCP para realizar a comunicação. Há uma versão do protocolo MQTT para Redes de Sensores (Sensor Network - SN), chamado de MQTT-SN, desenvolvido especialmente para a troca de mensagens em Redes de Sensores Sem Fio (Wireless Sensor Networks - WSNs). Como muitos dispositivos inteligentes poderão ser conectados na mesma WSN isso pode ocasionar que a rede fique sobrecarregada e com links instáveis. Este estudo apresentou um método para otimizar a troca de mensagens e aumentar o número de mensagens entregues durante um processo de comunicação entre um publisher e um broker ou entre o publisher e um agente intermediário. O Método de Adaptação Dinâmica da Qualidade de Serviço (QoS Dynamic Adaptation Method - QoS DAM) para redes de sensores foi desenvolvido no lado do publisher com o foco de selecionar a melhor Qualidade de Serviço, baseando-se na latência da rede. O método QoS DAM apresentou boa performance em redes sem fio, mantendo a entrega das mensagens durante o processo de comunicação, também apresentou uma boa performance quando comparado com a implementação normal da Qualidade de Serviço presente no protocolo MQTT-SN

Integrating the IEEE 1451 and IEC 61499 Standards with the Industrial Internet Reference Architecture

Industrial Internet of Things focuses on the manufacturing process and connects with other associated concepts such as Industry 4.0, Cyber-Physical Systems, and Cyber-Physical Production Systems. Because of the complexity of those components, it is necessary to define reference architectures models to manage Industry 4.0 and the Industrial Internet of Things. The reference architecture models aim to solve the interoperability problem enabling the syntactical and semantic levels of interoperability. A reference architecture model provides a bottom/top view of an industrial process, from the physical transducers at the physical layer to the business layer. The physical layer provides access to a twin representation of a physical thing in the digital world, extending the functionalities in the manufacturing process. This paper studies the syntactic interoperability between the IEEE 1451 and IEC 61499 in an industrial environment. The IEEE 1451 family of standards has the essential characteristics to support the information exchange between smart transducers (sensors and actuators), building the digital elements and meeting the Industry 4.0 requirements. The IEC 61499 standard enables industrial control and automation. These two standards combined at the syntactic level solve an interoperability problem. The IEC 61499 also provides data to the framework layer, supplying all the parameters defined for the communication layer specified by a reference architecture model. This paper combines the IEEE 1451 with the IEC 61499, enabling data exchange in a reference architecture model proposed for Industry 4.0. Network performance at the communication level of a reference architecture model in a local network and an external network is evaluated for the proposed application. The IEEE 1451 standard implementation and adoption to acquire data and communicate it inside an industrial process allowed the IEC 61499 standard to control an industrial process. The IEEE 1451 standard is implemented in a MSP430 low power microcontroller. A Raspberry Pi running FORTE and 4diac in the USA and Portugal were used to test a local network in Portugal and an external network in USA. Data related to network performance was obtained with Wireshark and processed with MATLAB. Tests using the Message Queuing Transport Telemetry Transport and Hypertext Transport Protocols verified the performance of these protocols, supported by the IEEE 1451 and IEC 61499 standards, showing that communication inside an Industry 4.0 environment is possible. MQTT protocol is faster, has a small packet size, and consumes less bandwidth. The HTTP protocol uses more bandwidth but is more reliable for real-time communication, essential for Industry 4.0