IoT-based Sensor Big Data Collection and Monitoring System for Smart Manufacturing

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The cutting-edge revolution industry, which is called Industry 4.0, has led the world with emerging technology such as IoT, Edge Computing, Big Data, AI, and more to mention. Technically, the industrial Internet of Things is thereby one to mention among those breakthrough technologies. There is to say it associates the IoT with industry to become the smart manufacturing. Beyond everything applied in this broad phenomenon, sensor undoubtedly plays an essential role in IoT. The IoT sensor in smart manufacturing is placed at the edge where the data are desired to detect and collect. The kinds of data include temperature, humidity, pressure, and vibration. Lately, most manufacturing industry, especially in South Korea, has seen to be adopting this aspect and implement in its production floor as well to booth efficiency and yield the best result of their facility production. Proportionately in this proposed paper, it presents the design and implementation system of IoT-based big data collection and real-time monitoring in smart manufacturing industry. The architecture scheme is also integrated with edge computing and utilized for facility monitoring systems conducted from sensor data. To be precise, the sensor using in this proposed system is about condition monitoring sensor data—which includes vibration, temperature—inside an actual facility manufacturing factory. Modbus TCP/IP is used as the communication protocol to interact between the sensor and programmable logic controller. The implementation also includes big data platform where it delivers how data is stored and displayed to the end-user. Accordingly, the entire system is designed in three modules: edge device module, ETL module, and big data platform module. These loose-coupling-designed modules yield a satisfying outcome for the smart manufacturing in use.

국문 초록 (Abstract)

Industry 4.0이라고 불리는 최첨단 혁명 산업은 IoT, Edge Computing, Big Data, AI 등과 같은 신기술로 세계를 선도해 왔다. 그러므로 기술적으로 산업 사물 인터넷은 획기적인 기술 중 하나이다. IoT를 산업과 연계하여 스마트 제조가 된다고 할 수 있다. 이러한 광범위한 현상에 적용된 모든 것 외에도, 센서는 IoT에서 필수적인 역할을 한다. 스마트 제조 분야의 IoT 센서는 데이터를 감지하고 수집하고자 하는 Edge에 배치된다. 데이터의 종류에는 온도, 습도, 압력 및 진동이 포함된다. 최근, 특히 한국의 대부분의 제조업은 이러한 측면을 채택하여 효율성을 향상하고 설비 생산의 최상의 결과를 얻기 위해 생산 현장에서 구현하고 있다. 본 논문에서는 IoT 기반 빅데이터 수집의 설계 및 구현 시스템과 스마트 제조 산업의 실시간 모니터링에 대해 설명한다. 본 논문의 아키텍처 스키마는 에지 컴퓨팅과 통합되어 센서 데이터에서 실행되는 설비 모니터링 시스템에 활용된다. 제안된 시스템에서 사용하는 센서는 실제 설비 제조 공장 내부의 진동, 온도를 포함한 상태 모니터링 센서 데이터에 관한 것이다. Modbus TCP/IP는 센서와 프로그램 가능한 로직 컨트롤러 간의 상호 작용을 위한 통신 프로토콜로 사용된다. 또한 최종 사용자에게 데이터 저장 및 표시 방법을 제공하는 빅데이터 플랫폼도 포함되어 있다. 따라서 전체 시스템은 Edge Device Module, ETL Module, Big Data Platform Module의 3가지 모듈로 설계된다. 이러한 느슨한 커플링 설계 모듈은 스마트 제조에 만족스러운 결과를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1.1. Contribution 3
• 1.2. Thesis Organization 5
• II. Background and Related Work 6
• 2.1. Industrial Internet of Things Overview 6
• 2.2. Industrial Internet of Things in Korea Overview 7
• 2.3. Real-time Facility Monitoring in Smart Manufacturing 8
• 2.4. Condition Monitoring Sensor Overview 8
• 2.5. IO-Link Overview 9
• 2.6. Programmable Logic Controller Overview 11
• 2.7. Related Work 13
• III. System Design 16
• 3.1. System Architecture 16
• 3.1.1. Edge Device Module 16
• 3.1.2. ETL Module 17
• 3.1.3. Big Data Platform Module 19
• IV. System Implementation 21
• 4.1. System Configuration 21
• 4.1.1. IoT Edge Device 24
• 4.1.2. PLC Communication Protocol 26
• 4.1.3. Data Collections 28
• 4.1.4. Time Series Databases 30
• 4.1.5. Docker and Compose 34
• 4.1.6. Data Visualization 36
• 4.2. System Performance 40
• V. Conclusion and Future Work 44
• 5.1. Conclusion 44
• 5.2. Future Work 45
• References 46
• Acknowledgements 53