Breites Aufgabenspektrum meistern - Komponenten für IoT

Im Internet der Dinge (IoT) sind viele alltäglich genutzte Produkte wie Autos, Haussteuerungen oder Kühlschränke miteinander vernetzt. Sie kommunizieren selbständig, ohne Zutun ihres Nutzers, und tauschen Daten aus. Durch diese Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) ergeben sich ungeahnte Möglichkeiten. Eine Folge davon: Computer, wie wir sie heute kennen, werden allmählich durch intelligente, eigenständige Objekte ersetzt. Diese Vision wird mehr und mehr Realität: Je nach Schätzung von Marktanalysten wie Gartner werden bis 2020 zwischen 25 und 50 Mrd. IoT-Geräte weltweit vernetzt sein - Maschinen, Geräte, Fahrzeuge. Nicht mit eingerechnet sind Computer und Mobilgeräte wie Smartphones und Tablets.

Eng mit dieser Entwicklung verzahnt ist das Thema Industrie 4.0 (I40). Auch hier wachsen die Disziplinen Sensorik, Datenaufbereitung und Datenverarbeitung, Datenausgabe, Aktorik, Konnektivität und IT-Sicherheit zusammen. Durch eine permanente, intelligente Abstimmung lassen sich beispielsweise Produktionsprozesse und Lieferketten optimieren, Verkehrsprobleme entschärfen und vieles mehr. Voraussetzung ist hier wie dort, dass Geräte und Systeme internetfähig sind und digitale Daten verarbeiten können. Basis dafür sind häufig autarke Klein- und Kleinstrechner – z.B. Single Board Computer (SBC) und Box-PCs.

Ein SBC ist ein kompletter PC, der nur aus einer Platine besteht und sich daher leicht in kundenspezifische Applikationen integrieren lässt. Der Rechner kann beispielsweise mithilfe von Sensoren ausgesuchte Umgebungswerte erfassen, diese aufbereiten und die gewonnenen Daten über das Internet für die weitere Nutzung und Verarbeitung bereitstellen. Eine mögliche Anwendung ist das visuelle Überwachen und Steuern einer Fertigungsanlage. Im System könnte ein UMTS-Modul die Anbindung an das Internet per Mobilfunk übernehmen – zum Beispiel eine 3G/4G-miniPCIe-Karte.

»Gut aufeinander abgestimmte Komponenten erleichtern die Integration der Gesamtlösung. Entwickler können dadurch Kosten sparen und ihre Produkte schneller auf den Markt bringen. Daher ist es sinnvoll, hier auf die Expertise erfahrener Distributoren wie Fortec zurückzugreifen«, erklärt Thomas Schrefel, Produktmanager Embedded von Fortec Elektronik. »Eine mögliche Grundlage für ein IoT-Produkt ist der Advantech PCM-9310. Dieser SBC eignet sich dank seiner geringen Abmessungen von 146 x 102 mm für IoT-Applikationen, die verhältnismäßig große Rechenleistungen in kompakter Form benötigen.«

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Der 64-Bit-fähige PC basiert auf einem Intel-SoC, das in drei Prozessorvarianten erhältlich ist. Zur Wahl stehen zwei Quad-Core-CPUs (Intels Celeron N3160 und Atom E8000) sowie der Dual-Core-Prozessor Celeron N3060. Anwender finden somit für ihre Applikation die Leistungsvariante zum jeweils gewünschten Kostenpunkt. Je nach Anwendung reicht eine passive Kühlung der Prozessoren aus. Zahlreiche Hardware-Schnittstellen wie 4 x Com, USB, SATA, mSATA, Mehrzweck-Ein-/Ausgabe-Port (GPIO), SMBus/I2C, miniPCIe bieten eine vielfältige Konnektivität.

Eine Besonderheit dieses Boards ist der integrierte Steckplatz für SIM-Karten. In Kombination mit einer 3G/4G-miniPCIe-Karte lässt sich der Rechner ohne weitere Hardware per Mobilfunk mit dem Internet verbinden – ideal für IoT-Applikationen. Über das optionale Trusted Platform Module (TPM), nach dem neusten Standard TPM 2.0, kann der Computer zudem um Sicherheitsfunktionen erweitert werden. Fortec hat darüber hinaus zusätzliche Erweiterungskarten im Programm. Extrem wichtig für IoT-Devices ist ein geringer Stromverbrauch. Der PCM-9310 kommt je nach Variante ohne angeschlossene Peripherie mit typischerweise 4,5 bis 7 W aus.

Neben einer leistungsfähigen Hardware und den verfügbaren Schnittstellen sind Betriebssystem und Programme die entscheidende Komponente jedes IoT-Systems. Darüber lässt sich die Lösung an die gewünschte Applikation anpassen. Der PCM-9310 stellt unter anderem GPIO, Watchdog, SMBus/I2C und CPU-Takt als Software-APIs zur Verfügung. Sie werden über den integrierten iManager 2.0 verwaltet. Darüber hinaus unterstützt das System SUSIAccess- und Embedded Software-APIs.

Als Betriebssystem für Embedded-Applikationen sind Windows Embedded und Linux-Distributionen wie Ubuntu und Fedora verbreitet. Letztere haben den Vorteil, dass Nutzer keine Lizenzgebühren dafür zahlen müssen. Auch Googles Android-Betriebssystem findet in immer mehr IoT-Projekten Verwendung. Alle laufen auch auf dem PCM-9310, ebenso das von Wind River Systems entwickelte Echtzeitbetriebssystem VxWorks.

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Einen Schritt weiter geht Fortec mit Box-PCs wie dem Advantech ARK-1123: Dabei handelt es sich um frei konfigurierbare lüfterlose embedded Box-PCs (Komplettrechner), die mit Arbeitsspeicher, Festplatte oder SSD, UMTS-Modem und Betriebssystem ausgestattet sind und sofort im eigenen IoT-Projekt eingesetzt werden können. Integrierte Funkmodule können WLAN- oder Mobilfunkverbindungen herstellen und die Lösung praktisch sofort ins Internet bringen.

Das robuste Aludruckguss-Gehäuse des Box-PC hat etwa die Größe einer 3,5-Zoll-Festplatte und übernimmt mit seinen Kühlrippen gleichzeitig die Wärmeabfuhr des Systems. Den digitalen Antrieb übernehmen Atom- oder Celeron- basierte SoC-Varianten von Intel, die auf bis zu 8 GByte RAM zugreifen können. Neben den Standardschnittstellen wie USB, LAN und VGA können Anwender auch hier GPIO und Watchdog nutzen.

»Falls das eigene IoT-Projekt mehrere per Mobilfunk angebundene Geräte wie Box-PC einsetzt, lassen sich die erforderlichen M2M-SIM-Karten bequem über die M2M-Konnektivitätslösung von Wireless Logic verwalten«, empfiehlt Thomas Schrefel. »Um der enormen Bandbreite von IoT-Applikationen Rechnung zu tragen, bieten wir Standard- und kundenspezifische Lösungen beispielsweise von Matrix, Advantech, iBase und Kontron an.«

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Industrielle Umgebungen stellen besondere Herausforderungen an die Zuverlässigkeit von Komponenten. Das gilt auch für Konnektivitätsprodukte, die beispielsweise in professionellen IoT-Applikationen zum Einsatz kommen. Anbieter wie Matrix haben sich darauf spezialisiert und liefern eine große Auswahl an robusten Modems, Routern und Gateways. Darunter befinden sich etwa Modems für die unterschiedlichen Mobilfunkstandards 4G/LTE, 3G/ UMTS/HSPA und 2G/GPRS/GSM.Mit derartigen Lösungen lassen sich vorhandene Systeme erweitern – zum Beispiel für den Einsatz in IoT-Umgebungen. Eine große Schnittstellenvielfalt ermöglicht die Nutzung für unterschiedlichste Hardware-Umgebungen und Applikationen. Zu den wichtigsten Interfaces zählen RS232, RS485, USB 2.0, Bluetooth, LAN, I2C, GPIO, Analog I/O und WiFi/WLAN. Matrix bietet für alle diese Schnittstellen passende Linux- beziehungsweise Java-basierende Modem-Lösungen an.Auch Modelle mit Satellitenempfängern für die GPS- und GLONASS-Satellitennavigationssysteme sind erhältlich. Darüber ist eine Positionsbestimmung der IoT-Geräte möglich – ideal für Anwendungen im Transportwesen oder für die Güterverwaltung. Einige Produkte sind für den Batteriebetrieb ausgelegt und funktionieren somit vollkommen autark.Laut US-Marktforscher Gartner wird im Jahr 2020 mehr als die Hälfte der großen Geschäftsprozesse in irgendeiner Weise mit IoT vernetzt sein. Viele Systemanbieter wollen dieses enorme Potenzial nutzen und entwickeln IoT-Lösungen für unterschiedlichste Anwendungsbereiche. Je nach Anforderung bilden Single Board Computer oder komplette Box PCs die richtige Basis für diese anspruchsvollen IoT- Projekte. Doch das Hard- und Software-Angebot ist groß. Hier die richtigen Komponenten zu finden, erfordert viel Zeit und Aufwand. »Die Auswahl von optimal für den eigenen Anwendungsfall geeigneten Produkten ist jedoch entscheidend für den Erfolg« betont Thomas Schrefel. »Nicht zuletzt können Entwickler ihr IoT-Projekt damit schnell auf den Markt bringen. Hier lohnt sich die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Distributor. Denn dieser verfügt über die Expertise, welche Produkte harmonieren und sich schnell zu einem leistungsstarken Endprodukt integrieren lassen.«


Quelle: http://www.elektroniknet.de/embedded/hardware/artikel/134704/