Für Geräte der Industrie 4.0 Vielseitiger Prozessor mit Funk-Transceiver

Der ultimative Killerprozessor für das Internet der Dinge allein nutzt wenig. Für die allermeisten Entwickler von IoT-Anwendungen zählen ein möglichst schneller Weg zum Erfolg bei der Entwicklung einschlägiger Anwendungen und eine einfache Skalierbarkeit.

Die industrielle Variante des Internets der Dinge, Industrie 4.0 [1], meint die Migration bestehender Produktionssysteme in vielseitig vernetzte, automatisierte und durch Algorithmen gesteuerte Anlagen. Der Markt für Komponenten und Dienstleistungen dafür soll laut Markets & Markets bis zum Jahr 2022 einen Umfang von 152 Mrd. US-Dollar erreichen [2].

Mikrocontroller auf allen Ebenen und in nahezu allen Geräten werden dabei eine wichtige Rolle spielen, doch werden sich Programmierparadigmen ganz erheblich ändern und weitaus komplexere Protokolle, Schnittstellen und Szenarien antizipieren als dies gegenwärtig der Fall ist. Profitieren davon werden zweifelsfrei Embedded-Software-Entwickler, die diese Techniken beherrschen und ein erheblicher Mangel dieser Spezialisten am Arbeitsmarkt ist nicht schwer zu prognostizieren.

Industrie 4.0 als Oberbegriff spielt eine wichtige Rolle bei der industriellen Optimierung, indem Systeme überwacht und Sensordaten statistisch oder durch Lernalgorithmen analysiert werden und sich damit Fehlerprognosen, Last-Analysen und Optimierungen durchführen lassen. Lohn für diese Investitionen sind Produktionskostensenkung und Produktivitätswachstum, zwei essenzielle Ziele eines jeden am globalen Markt operierenden Unternehmens.

Einige der großen Marktteilnehmer bieten bereits fertige Systeme für solche Anwendungen an. Die benötigten technischen Komponenten sind alle längst in der Open-Source-Community verfügbar und das Internet der Dinge ist keine Spielwiese mehr von Geeks und Nerds, sondern bereit für die Migration in industrielle Prozesse und Produk­tionseinrichtungen.

Mikrocontroller mit Netzwerkfunktionen

Auf dem Markt werden zahlreiche Schlüsselbauelemente angeboten, die sich zum Einsatz in IoT-Geräten eignen. Hier wird mit dem ESP32 von Espressif Systems – ein SoC mit Mikroprozessor und Netzwerkfunktionen (Bild 1) – ein Baustein genauer betrachtet, der sich nach Einschätzung der Verfasser für Anwendungen im Industrie-4.0-Umfeld besonders eignet.

Espressif hat als Mikrocontrollerhersteller bereits einen guten Namen in der Hobby- und Maker-Szene (Bild 2). Das Unternehmen ist aber im professionellen und industriellen Sektor noch nicht ganz angekommen.

Die Entscheidung von Espressif, ihre Software-Entwicklungsumgebung (SDK – Software Development Kit) öffentlich verfügbar zu machen, war sicher richtig in diesem Kontext und erlaubt es an­deren Marktteilnehmern, wie z.B. PlatformIO [4], Entwicklungswerkzeuge ebenfalls im Open-Source-Sektor zu platzieren.

Mit der Wahl von FreeRTOS als Echtzeit-Betriebssystem ist es Espressif möglich, das gesamte Framework zu veröffentlichen. Mit dieser Hilfe kann jeder Interessierte lernen, eingebettete Systeme mit den SoCs von Espressif zu entwickeln, da er alle notwendigen Informationen zur Verfügung hat, die nur über den Quellcode vermittelt werden können.

Dank der leichten Verfügbarkeit von Hard- und Software kann sich eine Community bilden. Damit genießen Hard- und Software, Treiber und Komponenten einen Support, der mit anderen Modellen nur schwer realisierbar ist – einfach dadurch, dass der Community alle notwendigen Dokumente und Spezifikationen zur Verfügung stehen. Diese Offenheit zahlt sich aus, weil Freiwillige Zeit und Arbeit investieren. Espressif als Hersteller des SoCs dagegen kann sich entspannt zurücklehnen und seine Zeit nutzen, um die nächsten ICs zu planen.

Wie wichtig eine Community für den Erfolg sein kann, zeigt das Beispiel Intel. Intel unternahm große Anstrengungen, um seine Entwicklungsmodule Curie, Galileo, Joule und Edison in der Maker-Szene zu etablieren, beispielsweise indem viele davon groß­zügig als Geschenke verteilt oder als Preise bei Wettbewerben und Hackathons ausgelobt wurden. Viele dieser Entwicklungsmodule waren allerdings zu teuer und litten an schlechter Leistung. Intels größtes Problem war aber der Mangel an verfügbarer Dokumentation und Unterstützung seitens einer Community. Unternehmen, die mit diesen Modulen ein Geschäftsmodell aufbauen wollten, hängen nun in der Luft und müssen ihre Produktentwicklung neu aufsetzen.

Professionelle Qualität, Industriequalität

Durch die Kombination von Hard- und Software erreicht Espressif, dass sich das SoC ESP32 für viele Anwendungen eignet, einschließlich solchen mit dem Anspruch des industriellen und professionellen Sektors (Bild 3).

Wie aber unterscheidet sich die Software-Entwicklung im Hobbybereich von der im professionellen Umfeld? Eine mögliche Kategorisierung bietet die Tabelle.

Es bedeutet nicht automatisch eine höhere Code-Qualität, wenn Anwendungen im Industrie- oder Unternehmensbereich entwickelt wurden und nicht zwingend eine geringere Qualität, wenn sie im Hobbybereich entstanden sind – beide Bereiche haben lediglich unterschiedliche Anforderungen.

So könnte ein Hobbyentwickler beispielsweise mehr Zeit für die Gestaltung der Benutzerschnittstelle aufwenden, wogegen ein kommerzieller Entwickler wahrscheinlich mehr Zeit auf Stabilität und Belastungstests verwendet, um sicherstellen, dass die Software auch in Extremsituationen nicht versagt.