Modulare Plattformstrategie macht’s möglich
Skalierbarkeit für das Internet der Dinge
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Grenzenlose Vernetzung
Wer hätte zum Zeitpunkt, als das World Wide Web erstmals in der Öffentlichkeit Schlagzeilen machte, die Vielfalt und den explosionsartigen Anstieg an Webseiten vorausahnen können? Im September 2014 wurde gemeldet, dass die Zahl der registrierten Web-Domänen 1 Milliarde erreicht hat. Das IoT wird diese Zahl deutlich weiter nach oben katapultieren (Abb. 1). Auch die Vielfalt wird mit den IoT-Anwendungen steigen. Allgemein wird erwartet, dass industrielle Sensorik eines der größten Einsatzgebiete wird. Die Überwachung von Anlagen, Prozessen, Ressourcen und Produktivität mit Hilfe von Sensoren wird massiv intensiviert. Das begünstigt die Verbesserung industrieller Automatisierungslösungen und wird sich positiv auf die Betriebskosten und den Verkaufspreis der Endprodukte auswirken.
Will man alle ’Dinge‘ mit Sensoren ausrüsten, braucht man neben einem Internetzugang auch eine lokale Infrastruktur. Diese wird oft als drahtloses Sensornetzwerk (WSN – Wireless Sensor Network) ausgelegt. Analog Devices (ADI) hat hierfür die modulare WSN-Demo-Plattform entwickelt. Sensoren, lokale Verarbeitung und drahtlose Konnektivität können mit ihr schnell zusammengestellt und als komplettes System evaluiert werden.
Die WSN-Demo-Plattform ist als Bunch- oder als Cluster-Kit verfügbar: Das Bunch-Kit besteht aus zwei Multisensorknoten, die auf einem ARM-Cortex-M3-fähigen, analogen Mikrocontroller (ADuCRF101) basieren, einem Ultra-Low-Power 3-Achsen-Beschleunigungssensor (ADXL362) und einer Reihe zusätzlicher, von Partnern angebotenen Sensoren zur Messung von Feuchtigkeit, Temperatur und Umgebungslicht sowie Passiv-Infrarot-Sensoren und einem Power-Management. Abgerundet wird es durch einen Gateway-Knoten (ebenfalls auf ADuCRF101 basierend) und ein Emulator-Board. Das Cluster-Kit unterscheidet sich vom Bunch-Kit durch drei Multisensorknoten und eine 16-Bit-MCU (RL78-G13) anstelle des ADuCRF101 und einen zusätzlichen Sub-GHz ISM Band Transceiver (ADF7024 / ADF7023).
Beide WSN-Demo-Plattformen können zudem zusammen mit der Cloud-basierten IBM-Bluemix-IoT-Plattform integriert werden. IBM Bluemix beruht auf offenen Standards und dient dem Hosten von Plattform-as-a-Service-(PaaS-)Diensten, was die Lieferung von direkt nutzbaren Daten deutlich erleichtert. Die IBM-Bluemix-Plattform kommuniziert mit den WSN-Knoten über das offene Nachrichten-Protokoll MQTT, das speziell für kleine Sensoren und mobile Geräte entwickelt wurde. MQTT kann auf der Sensorseite einfach und kostengünstig über Gateways, wie den Linux-basierten Raspberry Pi, implementiert werden. Eine Komplettlösung, die die ADI-WSN-Plattform mittels Raspberry Pi mit IBM Bluemix verbindet, hat ADI in Zusammenarbeit mit IBM bereits entwickelt (https://wiki.analog.com/resources/eval/user-guides/wsn/IoT).
Um die Herausforderungen bei der Entwicklung grenzenlos vernetzter ’Dinge‘ zeitgemäß und wirtschaftlich zu meistern, werden solche modulare Lösungen zunehmend als beste Wahl eingestuft. Der modulare Ansatz wird zudem auch durch die Tatsache unterstützt, dass die meisten Anwendungen grundlegende Anforderungen miteinander teilen: Für die lokale Intelligenz werden zumeist energiesparende Mikrocontroller mit analogen Frontends benötigt, die diverse Sensoren auswerten und dann an eine wie auch immer geartete Konnektivität anbinden. All diese Anforderungen lassen sich heute durch Standardkomponenten adressieren; und aus der Kombination dieser Standardkomponenten entstehen die individuellen Lösungen. Der Mehrwert, den solche Lösungen bieten, liegt dabei weniger auf der punktgenau maßgeschneiderten Konfiguration, sondern in den gelieferten Daten. Sie sind ausschlaggebend für Entscheidungen in der Entwicklung.
Vereinfachtes Design
Wenn Modularität das Design bereits erleichtert, dann kann die Systementwicklung und -konfiguration noch um ein Vielfaches vereinfacht werden, wenn man einheitliche Schnittstellenstandards einsetzt. Und es gibt viele gemeinhin akzeptierte Schnittstellenstandards in der Embedded-Branche, und jeder wurde speziell für die Bedürfnisse seiner Zielgruppe entwickelt.
Im Bereich des Rapid Prototyping und bei geringen Stückzahlen bietet der bereits erwähnte Standard Pmod von Digilent viele Vorteile. Pmod-Module sind in der Regel klein und kostengünstig, und sie sind auf die Erfüllung einer einzigen, aber umfassenden Aufgabe konzipiert. Das ermöglicht eine schnelle und einfache Erweiterung einer Controllerbaugruppe, die oft auf einem konfigurierbaren FPGA basiert.
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Ein Beispiel ist das auf dem 2,4 GHz RF-Transceiver (ADF7242) basierende Pmod-Modul mit On-Board-Antenne (Abb. 2), mit dem sich ein System schnell und einfach um eine drahtlose Verbindung erweitern lässt, die Reichweiten von bis zu 100 Metern und Bandbreiten von bis zu 250 kbit/s bietet.
Ein solches Modul kann mit einem oder mehreren Sensoren sowie DAC- und/oder ADC-Modulen an einen Host-Controller gekoppelt werden und so den schnellen Aufbau einer robusten IoT-Applikation ermöglichen. Die Palette der Anwendungen, die mit solch modularen Lösungen realisiert werden können, ist nahezu unbegrenzt. Da die Abmessungen, der Stromverbrauch und die Kosten gering sind, eignet sich der Pmod-Standard für industrielle Steuerungen, medizinische Geräte, Heizung-, Klima- und Lüftungsbau, Logistik und Lagerkontrolle sowie unzählige weiteren Applikationen, bei denen reale Umweltbedingungen überwacht, aufgezeichnet, analysiert und kommuniziert werden müssen. Die einfache Integration der Sensoren, Datenkonvertierung und digitalen Steuerung ist folglich eine herausragende Domäne des Pmod-Formats.
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