Настройка Raspberry Pi 4 как Edge Gateway с EdgeX Foundry

Что такое шлюз на границе сети и EdgeX Foundry

Edge gateway — это устройство, которое принимает и предварительно обрабатывает данные от локальных датчиков и устройств, а затем пересылает отфильтрованные или агрегированные данные в облако. EdgeX Foundry — это открытая платформа для построения решений IoT: набор сервисов для сбора, обработки, хранения и доставки телеметрии между устройствами и облачными системами.

Важно: здесь мы используем Ubuntu 19.10 и EdgeX через snap. Позже версии Ubuntu могут поддерживаться, но шаги настройки могут отличаться.

Основные преимущества использования Raspberry Pi как Edge Gateway

• Снижение задержек за счёт локальной предобработки данных.
• Меньше сетевого трафика и экономия на трансфере данных в облако.
• Гибкость интеграции локальных протоколов (MQTT, Modbus, BLE, Zigbee и др.).
• Быстрая отладка и визуализация через веб-консоль EdgeX.

Требования

Вам понадобятся:

• Raspberry Pi 4
• SD-карта (рекомендуется класс 10 или выше)
• Компьютер или ноутбук для скачивания образа Ubuntu
• Блок питания, совместимый с Raspberry Pi
• Ethernet-кабель
• Micro HDMI-кабель
• Внешний монитор
• Внешняя клавиатура (или способ подключить клавиатуру)
• Мышь по желанию или тачпад

Подготовка образа Ubuntu и запись на SD-карту

Мы будем использовать бесплатное приложение balenaEtcher для записи образа Ubuntu 19.10 на карту памяти.

1. Скачайте 64-битную версию Ubuntu 19.10 для Raspberry Pi 4 с сайта Ubuntu.
2. Вставьте SD-карту в ноутбук или компьютер.
3. Запустите приложение Etcher.
4. В Etcher нажмите “Select image” и выберите скачанный файл Ubuntu.
5. Нажмите “Select target” и укажите SD-карту как целевой носитель.

Etcher запишет системный образ на SD-карту. Дождитесь завершения операции и безопасно извлеките карту.

Первичная загрузка Raspberry Pi в Ubuntu

1. Вставьте SD-карту в Raspberry Pi.
2. Подключите монитор через micro HDMI.
3. Подключите клавиатуру и при необходимости мышь.
4. Подключите Ethernet-кабель для упрощённой настройки сети.
5. Подключите питание — Raspberry Pi должен автоматически загрузиться.
6. При первом запуске Ubuntu попросит имя пользователя и пароль. По умолчанию это “ubuntu” / “ubuntu”.
7. Система сразу предложит сменить пароль — задайте новый.

После входа откроется Терминал — дальше большинство действий выполняется из него.

Установка EdgeX Foundry

Откройте Терминал и выполните команду для установки платформы EdgeX через snap:

sudo snap install edgexfoundry

Snap загрузит все нужные сервисы EdgeX (ядро EdgeX, службы безопасности и поддержки, Consul, Kong, MongoDB и Vault).

Чтобы получить веб-интерфейс управления EdgeX, установите UI snap:

sudo snap install edgex-ui-go --channel=latest/beta

После установки откройте веб-браузер и перейдите по адресу:

http://((your-raspberry-pir-url):4000/

Например, если IP вашего Raspberry Pi 192.168.1.45, то URL будет:

http://192.168.1.45:4000/

Если вы не знаете IP-адрес устройства, получите его командой:

hostname-I

Откроется консоль EdgeX Foundry.

Регистрация Raspberry Pi как Edge Gateway

В веб-консоли войдите под логином и паролем по умолчанию: admin / admin.

Далее выполните шаги:

1. В меню слева выберите Gateway.
2. Нажмите Add, чтобы создать новый шлюз.
3. Задайте имя и описание шлюза.
4. Укажите IP-адрес Raspberry Pi.
5. Нажмите Submit.

После этого ваше устройство появится в списке, и вы сможете привязывать к нему устройства, правила и профили данных.

Мини-методология: шаги от датчика до облака

1. Подключение: датчики подключаются к шлюзу локально (USB, BLE, Zigbee, Ethernet).
2. Приём: EdgeX Device Services получают данные в «сырых» форматах.
3. Предобработка: фильтрация, агрегация, нормализация и базовая валидация на шлюзе.
4. Хранение: временное локальное хранение в MongoDB для устойчивости.
5. Передача: только релевантные или сжатые данные отправляются в облако или в аналитические сервисы.

Это уменьшает объём передаваемых данных и ускоряет реакции на локальные события.

Рекомендации по безопасности и надёжности

Important: Raspberry Pi обычно не предназначен для прямого подключения к Интернету без дополнительных мер безопасности.

• Измените стандартные пароли и создайте отдельную учётную запись администратора.
• Обновляйте систему и snap-пакеты регулярно.
• Отключайте неиспользуемые сетевые сервисы и порты.
• Используйте брандмауэр (ufw) для ограничения доступа по IP.
• Настройте резервное копирование конфигураций и базы данных.

Пример базовой команды для включения ufw и открытия SSH только для локальной подсети:

• Разрешить SSH только из подсети 192.168.1.0/24:

sudo ufw allow from 192.168.1.0/24 to any port 22

• Включить ufw:

sudo ufw enable

(Не забудьте предварительно разрешить ваш текущий SSH-сеанс.)

Отладка и распространённые проблемы

• Raspberry Pi не загружается: проверьте совместимость блока питания и корректность образа на SD.
• EdgeX snap не запускается: дождитесь окончания установки snap, проверьте статус с помощью snap services.
• Веб-консоль не доступна: проверьте IP и порт 4000, убедитесь, что firewall не блокирует порт.

Короткий чеклист для проверки работоспособности шлюза:

• Raspberry Pi загружается в Ubuntu
• EdgeX Foundry установлен (snap)
• edgex-ui-go установлен и доступен на порту 4000
• Raspberry Pi добавлен в консоль как Gateway
• Как минимум одно устройство или симулятор данных подключено и отправляет события

Критерии приёмки

• Веб-консоль EdgeX открывается по IP:4000.
• В списке Gateway видно созданный Raspberry Pi с корректным IP.
• EdgeX принимает и отображает хотя бы одно событие от подключённого устройства (реального или тестового).
• Все изменения конфигурации сохраняются после перезагрузки системы.

Альтернативные подходы

• Использовать Raspberry Pi Imager вместо Etcher для записи образа Ubuntu.
• Развернуть EdgeX через Docker Compose вместо snap, если необходим гибкий контроль версий контейнеров.
• Для простых сценариев можно использовать легковесные мосты (MQTT-брокеры) без полного EdgeX.

Когда EdgeX может оказаться избыточным:

• Если у вас один-два устройства и нет необходимости в управлении профилями и безопасностью — lightweight MQTT брокер и локальная БД могут быть проще.

Ролевые чеклисты

Для инженера по DevOps:

• Убедиться в автоматизации развёртывания (скрипты/ansible/docker-compose).
• Настроить мониторинг сервисов EdgeX и доступности порта 4000.

Для домашнего пользователя:

• Проверить физические подключения и питание.
• Сменить стандартные пароли и создать точку восстановления.

Для разработчика устройств:

• Настроить Device Service или написать адаптер, чтобы шлюз принимал данные в нужном формате.

Тесты и критерии приёмки (короткие)

• Тест 1: Доступность UI — браузер открывает http://IP:4000 в течение 10 секунд.
• Тест 2: Регистрация шлюза — созданный шлюз виден в списке через 1 минуту после добавления.
• Тест 3: Инжекция данных — при отправке тестового события через Device Service событие отображается в консоли.

Матрица рисков и смягчение

• Риск: некорректная работа из-за устаревшей Ubuntu. Смягчение: тестировать в изолированной сети и иметь образ для восстановления.
• Риск: утечка данных. Смягчение: шифрование на уровне транспорта и ограничение доступа.
• Риск: потеря целостности конфигурации. Смягчение: хранить конфигурации в системе контроля версий и делать регулярные бэкапы.

Часто задаваемые вопросы

Что если у меня другая версия Ubuntu?

EdgeX может работать и на более новых версиях Ubuntu, но шаги установки или совместимость некоторых snap-пакетов могут отличаться. Тестируйте в тестовой среде перед развертыванием в продакшн.

Нужна ли интернет-связь для EdgeX?

Для локальной работы EdgeX интернет не обязателен. Для отправки агрегированных данных в облако или получения обновлений он потребуется.

Как узнать IP Raspberry Pi?

Используйте команду hostname-I в терминале или проверьте DHCP-таблицу вашего роутера.

Заключение

Вы узнали, как подготовить SD-карту с Ubuntu, загрузить Raspberry Pi 4, установить EdgeX Foundry через snap и зарегистрировать устройство как Edge Gateway в веб-консоли. Этот подход помогает сократить задержки, уменьшить объём передаваемых данных и централизовать управление локальными устройствами.

Notes: поделитесь вашими проектами и сценариями использования шлюза — будь то домашняя автоматизация, образовательный проект или промышленный прототип.