IoT-Plattform
Funkknoten, die sich selbst konfigurieren
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Das MicroPNP-Modell
MicroPNP wurde für Funk-IoT-Geräte entwickelt, die auf dem Mikrocontroller AVR/ATMega1284p [8] von Atmel basieren und auf denen das Betriebssystem Contiki [9] läuft. Diese Geräte bilden ein vermaschtes, Multi-Hop-fähiges 6LoWPAN, das vom SmartMesh-IP-Gateway gesteuert wird und mit einer Management-Einheit verbunden ist, die entweder auf dem Gateway oder in der Cloud läuft. Diese Management-Einheit stellt einen Online-Speicher (Repository) für Treiber-Software zur Verfügung und liefert einen genauen Blick auf alle Knoten und ihre Peripherien (Bild 2). Installation und Betrieb eines MicroPNP-Netzwerks erfolgt typischerweise in drei Schritten:
- Integration der Sensor- und Aktor-Peripherie: Wenn ein Sensor oder Aktor als Peripherie einmal eingesteckt ist, erkennt die MicroPNP-Hardware automatisch seine Art. Anschließend fordert sie von der Management-Einheit in der Cloud einen geeigneten Treiber an.
- Installation des Treibers und Netzwerk-Integration: Jedes Mal, wenn die Management-Einheit eine Anforderung für eine Treiberinstallation erhält, lädt sie automatisch den Gerätetreiber auf das anfordernde Gerät und installiert ihn. Nach der Installation ist die Peripherie für den Einsatz im Netzwerk verfügbar.
- Programmatischer Zugriff und Management: Der Satz an wiederverwendbaren Software-Bibliotheken hilft, die Entwicklungskosten drastisch zu senken. Diese Bibliotheken ermöglichen einen umfassenden bidirektionalen Zugang zwischen fernsteuernden Endgeräten (Clients) und einzelnen MicroPNP-Geräten. Das Nutzen dieser Bibliotheken eröffnet den IoT-Endanwendern einen einfachen, dabei aber leistungsstarken Weg zur schnellen Realisierung von IoT-Anwendungen.
Ausgezeichnet – und im kommerziellen Einsatz
MicroPNP wurde in der IPSO Challenge 2015 mit dem dritten Preis ausgezeichnet. Dieser Wettbewerb bewertet IoT-Anwendungen und -Prototypen hinsichtlich ihrer Innovation, Anwendungsvielfalt, Vermarktbarkeit und einfachen Anwendbarkeit. Im Halbfinale des Wettbewerbs präsentierten zehn Teilnehmer ihre Prototypen einer Jury von Fachleuten aus der Industrie auf der Konferenz „Designers of Things“ im Dezember 2015 im Silicon Valley.
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Der kommerzielle Einsatz von MicroPNP
Kommerziell wird MicroPNP derzeit im Bereich Energiemanagement eingesetzt, von der Energieberatung bei Privathäusern bis hin zur Energieoptimierung in Rechenzentren (Bilderstrecke). Plug-and-Play-Sensoren, wie Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, ermöglichen es, den Energiefluss in der Umgebung detailliert zu betrachten. Gleichzeitig kann die Leistungsaufnahme der Geräte überwacht werden und mittels Plug-and-Play-Aktoren lassen sich die Geräte automatisch steuern.
Darüber hinaus werden MicroPNP-Geräte eingesetzt, um Pipelines über große Entfernungen in der Öl- und Gasproduktion zu überwachen, was eine präzise Überwachung der Infrastruktur und Warnungen bei Lecks, Unfällen oder unerlaubtem Anzapfen ermöglicht. In dieser Anwendung bietet das vermaschte MicroPNP-Netzwerk ein extrem zuverlässiges und erweiterbares Kommunikationsmedium, das über riesige Distanzen ausgeweitet werden kann und dessen Knoten bis zu einer Dekade mit nur einer Batterie arbeiten.
In der Tierhaltung eingesetzt, liefern die in Minuten installierbaren Plug-and-Play-Sensoren des MicroPNP Daten über den Futter- und Wasserbedarf, Temperatur, Feuchtigkeit, Luftqualität und Verschmutzung live und in hoher Auflösung.
Plug and Play
Seit Jahren schon ist Plug and Play im Computerbereich zum Anschließen von Peripherie bewährt. Eine ganze Reihe von standardisierten Schnittstellen – wie der Universal Serial Bus (USB) oder IEEE 1394 (FireWire) – wurden definiert, um die automatische Erkennung und Konfiguration basierend auf der Gerätetyp-Identifizierung zu realisieren. Trotz der gesteigerten Flexibilität benötigen diese konventionellen Methoden üblicherweise große Software Stacks und eine Menge Energie, was sie ungeeignet für eingebettete IoT-Geräte macht, von denen erwartet wird, dass sie mit einer Batterie für viele Jahre arbeiten. Im Gegensatz dazu konzentrieren sich Schnittstellen, die üblicherweise in eingebetteten IoT-Systemen eingesetzt werden, wie UART, I²C, darauf, die Belastung von CPU und Speicher sowie den Energiebedarf zu minimieren, bieten aber keine Verfahren zur automatischen Erkennung und Konfiguration.
MicroPNP nutzt zum Identifizieren der angeschlossenen Peripherie preiswerte und verlustleistungsarme passive elektrische Komponenten. Die Software des MicroPNP unterstützt das automatische Installieren und Konfigurieren von Gerätetreibern. Jedes Mal, wenn eine Peripherie angeschlossen wird, fragt die MicroPNP Software das Gateway ab, um einen geeigneten Treiber zu finden, der dann ferngesteuert geladen wird. Nach der Installation ist die API der Peripherie über das Netzwerk verfügbar.
Untersuchungen unter realistischen Bedingungen zeigen, dass MicroPNP die Plug-and-Play-Integration der Peripherie mit einem um mehrere Größenordnungen geringeren Energiebedarf als eine USB-Schnittstelle durchführt und das bei einem Flash-Speicherbedarf von nur 15 kB [1].
- Funkknoten, die sich selbst konfigurieren
- Die MicroPNP-Plattform im Überblick
- Das MicroPNP-Modell
- Industrielle IoT-Funknetzwerke auf der Basis von TSCH
