Maschine-zu-Maschine-Kommunikation auf Basis von Embedded-Anwendungen Embedded-Internet: Eine Frage der Architektur

Die Geschichte vom Kühlschrank, der automatisch Lebensmittel bestellt, wenn er leer ist, geistert seit Jahren durch die Welt; irgendwie ist er noch in keiner Küche angekommen. Das »Internet der Dinge« ist jedoch unabhängig davon bereits vorhanden und wird, wenn endlich IPv6 Einzug hält, sicher noch bedeutender. Ein Teilaspekt davon ist die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation auf Basis von Embedded-Anwendungen. Die Architektur deren Herzstücks, des Modems, hat heute großen Einfluss auf die Anwendung.

Ein typisches Embedded-Modem integriert Controller, »Datenpumpe« (Sender) und Datenzugriff (Empfänger) in einem einzigen Gerät, damit eine standardkonforme Datenkommunikation über PSTN, Mobilfunk, WLAN oder andere Netzwerke möglich ist. In vielen Fernüberwachungs- und Management-Anwendungen ermöglicht ein solches Gerät dem überwachten System, Statusinformationen an einen zentralen Server hochzuladen, sodass Remote-Administratoren Konfigurations- und andere Befehle an das System senden können.

Ein typisches Beispiel für eine solche Anwendung sind Klimaanlagen auf den Dächern von Hotels und Bürogebäuden. Im Allgemeinen erfordert eine regelmäßige Überwachung des Gerätezustands einen Vor-Ort-Besuch durch einen Techniker. Solche Außeneinsätze sind teuer, daher erfolgen sie in der Regel nur alle sechs oder zwölf Monate. Ein Mobilfunkmodem an den Klimaanlagen kann Betriebsprotokolle an einen zentralen Server in Echtzeit hochladen und dabei helfen, bestimmte Wartungs- und Reparaturarbeiten aus der Ferne durchzuführen, ohne das hausinterne Datennetz auf das Dach auszudehnen.

Was also sollte der Entwickler der Klimaanlage bei der Auswahl eines Modems für eine derartige Anwendung berücksichtigen? Die Antwort ist durch das Ziel des Projekts gegeben. Wenn es Ziel ist, die Geräte mit einer Datenverbindung zur Außenwelt auszustatten, kann dies ein einfaches GSM-Modem erfüllen. Dabei handelt es sich um standardisierte Geräte, die sich hauptsächlich durch den Preis voneinander unterscheiden.

Von Kanonen und Spatzen

Im Fall der Klimaanlage würde man auf diese Weise das Ziel jedoch verfehlen. In der Tat ist die Datenverbindung nur ein Mittel zum Zweck: Ziel ist es, die Kosten für Wartungs- und Reparaturarbeiten sowie Ausfallzeiten zu minimieren. Das Hauptelement der Wartungs- und Reparaturkosten sind die Kosten für den Vor-Ort-Techniker. Der Großteil der Ausfallzeiten ergibt sich durch die Verzögerung zwischen dem Anfordern eines Technikers und dessen Ankunft vor Ort.

Daraus folgt, dass das Konnektivitätskonzept die Notwendigkeit für Vor-Ort-Besuche so weit wie möglich ausschließen muss. Im Beispiel der Klimaanlage besteht das Problem mit dem einfachen Modem darin, dass es seine Internetverbindung nicht unabhängig vom Host-System aufrechterhalten kann. Dies hängt direkt mit Speicherort und Art des IP-Stacks des jeweiligen Systems zusammen: Bei einem einfachen Modem wird der IP-Stack von der Steuerung der Klimaanlage gehostet. Fällt also die Klimaanlage aus, geht auch die Internetverbindung verloren. Ein »intelligentes« Modem vermeidet dieses Problem.

So betreibt zum Beispiel das »SocketModem iCell« von Multi-Tech, das GSM, HSPA und CDMA unterstützt, einen »Universal IP«-Stack auf einem in das Modem integrierten Mikrocontroller (Bild 1).

Damit lassen sich geschäftskritische Anwendungen automatisch und verlässlich anbinden. Selbst wenn das Host-System abstürzt, hält ein solches Modem die Internetverbindung aufrecht, weil der Betrieb des IP-Stacks nicht vom Host abhängt. Diese dauerhafte Verbindung ermöglicht es dem Remote-Administrator, Betriebsprotokolle und Gerätestatus jederzeit zu überprüfen.

Auf diese Weise lässt sich beispielsweise aufzeigen, dass die Störung durch Personal im Gebäude behoben werden kann, ohne dass ein teurer Call-out notwendig wäre. Bei einem einfachen Modem ist nichts über die Ursache der Ausfälle bekannt, sodass ein Call-out unumgänglich wird. Ein Modem mit Universal-IP unterstützt auch andere Remote-Management-Funktionen unabhängig vom Host-System, beispielsweise Geräte-Monitoring, Event-Monitoring und Event-Alarme - allesamt über vertraute AT-Kommandos programmierbar.

Systeme zur Entsorgung von Abwasser aus Industrieanlagen können diese erweiterten IP-Stack-Funktionen ebenfalls nutzen. Die Integration eines »intelligenten« GSM-Modems könnte die Überwachung und Einhaltung von Chemikalienwerten ermöglichen.

Ein derartiges Modem lässt sich so programmieren, dass es reagiert, wenn der Ausgang des Sensors Schadstoffe über einem bestimmten Schwellenwert erfasst. Das Modem kann somit per E-Mail oder SMS und völlig unabhängig von der Anlagensteuerung einen Alarm auslösen (Bild 2).

In diesen Beispielen sorgt das Modem für eine zuverlässige Verbindung für Remote-Monitoring-Einsätze. Diese Funktion lässt sich auch auf Anwendungen erweitern, die keinen Host-Controller besitzen.

So hat zum Beispiel die Stadt Atlanta (USA) eine Remote-Überwachung des Messsystems für Abwässer und Regenwasser durch die Stadtkanalisation umgesetzt, das von der örtlichen Wasserschutzbehörde betrieben wird.

In Zusammenarbeit mit Multi-Tech entwickelte die Stadt eine Reihe von AT-Befehlen, damit die Steuerungssoftware des Kanalisationssystems mit verschiedenen außenliegenden Messeinrichtungen über solarbetriebene GPRS-Modems kommunizieren kann. Diese Modems sorgen für eine unterbrechungsfreie Anbindung an die Leitstelle für die Kanalisation.

Über den Autor:

Campbell Elder ist Technical Manager bei Multi-Tech Systems.