Gesamtkonzept für IoT-Geräte

Hardware, Software und Expertise zusammenbringen

21. April 2022, 9:30 Uhr | Von Bernhard Günthner
IoT Solutions Kontron
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Auf Basis leistungsstarker, skalierbarer Hardware und Standards wie 5G und TSN erobert sich das IoT immer neue Anwendungsfelder. Am Ende entscheidet das Gesamtpaket darüber, ob eine Anwendung auf Dauer hält, was sie verspricht.

Als sich die Grenzen der Automationsnetzwerke auflösten und Industrie auf Internet traf, entstand ein disruptiver Moment, der den technischen Fortschritt seither enorm vorangetrieben hat. Automation und Steuerung, Sensorik und Kamerasysteme, Fernzugriff und Datenanalyse werden immer stärker integriert und bilden zusammen ein Internet of Things (IoT). Es breitet sich auf immer mehr Lebensbereiche aus und bringt ständig neue Anwendungsfälle hervor.

Der Trend wird sich in den kommenden Jahren weiter fortsetzen. So erwarten die Marktforscher von IDC eine Zunahme der IoT-Geräte von 20,4 Mrd. Stück im Jahr 2020 auf rund 75 Mrd. bis Ende 2025. Hiermit verbunden ist ein Anstieg des Marktvolumens im gleichen Zeitraum von 1,8 auf 3,0 Billionen US-Dollar, das entspricht einer jährlichen Wachstumsrate von 11 Prozent.

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Software immer bedeutender

Auf künstliche Intelligenz (KI) gestützte Inspektionssysteme gewährleisten die Produktionsqualität oder die Funktion von Fahrzeugen und Anlagen. Rechnergestützte Kommunikationszentren begegnen uns in industriellen Human Machine Interfaces (HMIs) ebenso wie in Informationsterminals von Banken, Flughäfen, Bahnhöfen oder Multimedia-Applikationen in Bahnen, Schiffen und Flugzeugen. Roboter sind nicht mehr nur in Fabrik- und Lagerhallen zu finden, sondern ebenso in Krankenhäusern und Reha-Zentren. Vernetzte Maschinen, Fahrzeuge und andere Geräte liefern immer größere Datenmengen, die zu speichern und analysieren sind.

Aus diesem Grund muss die eingesetzte Technik immer leistungsfähiger, intelligenter und universeller werden. Hierzu leisten Software-Funktionen und Services einen wesentlichen Beitrag. Kontron hat daher ein abgestimmtes Portfolio aus Hardware, Software und Expertise aufgebaut, damit Kunden ihre Applikationen sowie neue Service-Angebote schnell und einfach integrieren können.

Kontron susietec
Die IoT-Wertschöpfungskette des Kontron susietec Toolset in der Übersicht.
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Verwalten von IoT-Geräteflotten

Die Plattform »K-Port« des Toolset »susietec« vereint herstellerübergreifend Verwalten, Implementieren, Betrieb und Warten von physischen und/oder virtuellen IoT-Geräten. Inkludiert ist zudem das Verwalten des Betriebssystems und laufender Applikationen, beispielsweise in Form von Docker-Containern. Über integrierte Programmierschnittstellen lässt sich das K-Port in kundeneigene Applikationen integrieren – einschließlich administrativer Tools und Prozesse zur Extraktion der richtigen Daten über Schnittstellen zu Mikroprozessoren und lokaler Gerätesoftware. Unter dem Namen Remoting steht zudem ein einfaches Tool für Geräte-Administration, Ferndiagnose und Echtzeitwarnung bereit.

Im IIoT-Serviceportal »EquipmentCloud« erhält der Maschinen- und Anlagenbauer über verschiedene Apps alle relevanten Informationen zu seinen Geräten zentral auf einer Plattform. Diese kann er für das Gerätemanagement nutzen. Resultat sind eine schnellere Inbetriebnahme sowie kürzere Ausfallzeiten, da die wesentlichen Informationen schneller auffindbar sind. Eine integrierte Remote-Assistance-Applikation – ebenfalls per Mobile App – gehört zu den Mehrwerten, die sich dem Anlagenbetreiber bieten. So können Anwender beispielsweise Geräteparks auf einer einheitlichen Software-Version halten und gemeinsam updaten. Offene Schnittstellen ermöglichen den Austausch mit anderen Applikationen, über die sich beispielsweise neue After-Sales- und Geschäftsmodelle wie vorbeugende Wartung realisieren lassen.

Mit Workforce von susietec lässt sich zudem der Einsatz von Service Teams verwalten und planen. Hierbei stehen sämtliche relevante Informationen standortunabhängig sowohl auf mobilen wie auf stationären Endgeräten bereit. Ist ein Cloud-Einsatz nicht gewünscht oder sind lediglich Teilaufgaben abzudecken, bietet sich die On-Premise-Applikation FabEagle an, die unterschiedliche Module beinhaltet, beispielsweise für Monitoring, Manufacturing Execution System (MES) oder Leitrechner.

Ein wesentliches Element bei IoT-Applikationen ist das enge Zusammenspiel des Erzeugens, Verarbeitens und Bereitstellens von Daten. Hierbei kommen sehr viele unterschiedliche Datenformate und Kommunikationsprotokolle zum Einsatz, zum Beispiel bei

  • der Abfrage von Sensor- und Telemetrie-Daten
  • dem Speichern von Informationen in Datenbanken
  • der Konnektivität zwischen Steuerung und Enterprise-Resource-Planning(ERP)-, MES- sowie Supervisory-Control-and-Data-Acquisition(SCADA)-Systemen
  • Datenanalysen in der Cloud

Mit seiner flexiblen Konnektivität gewährleistet das Tool FabEagleConnect eine durchgängige Datenkommunikation sowie Interoperabilität. Hiermit entlastet es den Entwickler vom Programmieren der Schnittstellen oder einem aufwendigen Konvertieren von Daten.

EquipmentCloud
Das cloudbasierte Kunden- und Serviceportal »EquipmentCloud« ermöglicht über frei wählbare Apps, relevante Daten einer automatisierten Linie zu dokumentieren, zu verwalten und auszuwerten.
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Software und Hardware verbinden

Die Kontron-IoT-Geräte des susietec-Portfolios bringen SecureOS mit, ein Linux-Betriebssystem, das Kontrons Entwickler für das jeweilige Gerät maßschneidern. Ausgangspunkt ist die Yocto-Architektur, die eine vollständige Kontrolle aller verwendeten Komponenten und Bibliotheken zulässt und hiermit einen granularen Update-Prozess sowie ein detailliertes Patch Management ermöglicht. SecureOS bietet Sicherheit nicht nur aufseiten der Hardware, sondern ebenfalls auf den Kommunikationskanälen, was für sichere Over-the-Air Updates essenziell ist. Kontron leistet hiermit einen wichtigen Beitrag, um eine große Herausforderung im IoT-Markt zu bewältigen. Außerdem ist die Hardware auf die offene Automatisierungssoftware K-SYS »Codesys inside« optimiert.

Kontron entwickelt die susietec-Komponenten kontinuierlich weiter. Hierbei fließen eigene Erfahrungen ein, etwa aus der Produktion am Standort Augsburg. Hier kommen KI-basierte Vision-Systeme mit sechs IP-Kameras für die Qualitätskontrolle zum Einsatz. KI steckt zudem in der Applikation Intel »Edge Insights« (EI), die Teil von Intels »OpenVino«-Toolsets ist und in einem von susietec verwalteten Docker-Container läuft. Eigene Data Scientists von Kontron haben das neuronale Netzwerk darauf trainiert, Fehler am Endprodukt zu erkennen. Zudem hat das Augsburger Unternehmen die gesamte Anwendung in-house entwickelt und getestet.

K3842-Q µATX
Das µATX-Motherboard »K3842-Q µATX« ist mit den aktuellen Intel-Core-Prozessoren der 12. Generation und dem Q670-Chipsatz sowie UHD Graphics 7xx mit Iris-Xe-Architektur ausgestattet.
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Leistungsgrenzen ausgeweitet

Das vielseitige Anwendungsfeld von IoT bzw. IIoT stützt sich auf eine breite Palette von Embedded-Geräten. Mit der jüngsten Generation seiner Mini-ITX-, µATX- und ATX-Motherboards, ausgestattet mit Intels Core-Prozessoren der 12. Generation (vormals Alder Lake-S), verschiebt Kontron die Leistungsgrenzen bei diesen Formfaktoren weiter nach oben. Ein COM-HPC-Client-Size-C-Modul mit dem Prozessor folgt in Kürze. Die Hybrid-Architektur mit bis zu 16 Performance- und Efficient Cores und 24 Threads bei 35 bis 65 W auf einem einzigen Chip, kombiniert mit Intels »Thread Director«, ermöglicht eine erhöhte Single- und Multi-Thread-Leistung im Vergleich zur vorherigen Generation. Es ist die erste Core-Desktop-Prozessorserie mit Echtzeit-Fähigkeit, Gigabit-Ethernet (GbE) und zweifach 2,5GbE sowie Time-Sensitive-Network(TSN)-Funktionen. IoT-Applikationen profitieren davon unter anderem bei High-Performance-Computing-Aufgaben und beim Einsatz von KI, beispielsweise in den Bereichen Industrie, Medizin, Kiosk/Einzelhandel, Ticketing/Verkauf, Gambling und Entertainment.

Für anspruchsvolle Computing- und Kommunikationsanwendungen am Edge sind die aktuellen Produkte mit Server Performance auf Basis der neuen Intel-Xeon-D-1700- und D-2700-Prozessorfamilie (vormals Ice Lake-D) bestens geeignet.

COMh-sdID
Das COM-HPC-Server-Modul »COMh-sdID« ist mit Intels Xeon-D-2700-Prozessoren ausgestattet und auf einem COM-HPC Server Evaluation Carrier untergebracht.
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Das COM-HPC-Server-Modul in Size D (160 mm × 160 mm) »COMh-sdID« ist von 4 bis 20 Cores skalierbar. Einige Derivate sind für den erweiterten industriellen Temperaturbereich sowie 24/7-Betrieb über zehn Jahre ausgelegt und ermöglichen Implementierungen für raue Umgebungen und extreme Bedingungen in einem kleinen mechanischen Footprint. Mit 48 PCIe Lanes (32 PCIe Gen4 plus 16 PCIe Gen3 Lanes) sowie zwei Quad-LAN-Schnittstellen, die bis zu 100-Gbit/s-Ethernet unterstützen, ist das Modul eine ideale Plattform für hohe Datendurchsatzraten in anspruchsvollen I/O- und Netzwerkstrukturen.

Das COM-Express-Basic-Type-7-Modul »COMe-bID7« basiert auf der Prozessorfamilie Intel Xeon D-1700 mit 4 bis 10 Cores. Es verfügt über bis zu vier SO-DIMM-Sockel für maximal 128 GB Speicher, optional mit einer aufgelöteten NVMe-SSD mit bis zu 1 TB Speicherkapazität. Netzwerk- und I/O-Anbindung basieren auf 16 PCIe Gen4 plus 16 PCIe Gen3 Lanes sowie vier 10GBASE-KR-Schnittstellen.

Bei beiden Modulen gibt es Derivate mit Echtzeitfähigkeiten wie niedrige Latenz und Determinismus mittels Time Coordinated Computing und TSN sowie Intels »QuickAssist«-Technologie. Zudem ist über Intels »AVX-512«-Technik KI-Beschleunigung verfügbar. So eignen sich die Module insbesondere für Aufgaben in der Industrie. Zum Beispiel bei Test & Measurement, Robotik oder KI-Aufgaben mit großen Workloads oder für Multi-Access Edge Computing und 5G RAN.

Hailo-8-KI-Koprozessor
Mit dem Hailo-8-KI-Koprozessor können Edge-Geräte eine Performance erreichen, die bisher lediglich in der Cloud möglich war.
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Für kompakte Arm-Applikationen bieten sich ein direkt auflötbares Modul mit dem i.MX8M-Mini-Prozessor von NXP Semiconductors auf Basis des neuen Open-Standard-Module-Formfaktors Size-S von lediglich 30 mm × 30 mm sowie ein darauf basierender Single Board Computer (SBC) an. Für den Rasperry-Pi-basierten SBC »Pi-Tron CM4« der vierten Generation mit der Broadcom-CPU BCM2711 ist eine breite Software-Basis mit bereits fertig übersetzten Programmpaketen verfügbar. Auf dem GPIO-Header basierende Erweiterungsmodule sind ein wertvoller Bestandteil des Raspberry-Pi-Ökosystems.

Weiterhin sieht Kontron eine wachsende Nachfrage nach einer größeren Auswahl an Linux-Distributionen und regelmäßigen Sicherheits-Updates für Arm-basierte Edge-Geräte. Entwickler benötigen schnelle und einfache Portabilität und Prototyping ihrer jeweiligen IoT-Applikationen auf Basis eines homogenen Ökosystems, ohne spezielles Embedded Software Know-how mitbringen zu müssen. Hierbei unterstützt Arms Cassini-Projekt; im Zuge dessen hat Kontron bereits drei Edge-Computing-Plattformen zertifiziert.

Speziell für echtzeitnahe KI-Anwendungen bietet Kontron den 2,5"-SBC »pITX-iMX8M-AI-H8« (Arm-basiert) und die »KBox A-150-WKL-AI-H8« (mit Intel-CPU) an. Mit dem Hailo-8-KI-Prozessor des israelischen Technologiepartners bieten sie eine Leistung von 26 Tera Operations per Second (TOPS) bei 3 TOPS/W. Hiermit ist eine Performance auf dem Niveau von Cloud Services möglich, aber ohne hohe Latenzzeiten oder dem Risiko eines Verbindungsausfalls. So eignen sich die Produkte ebenfalls für Industrie-4.0-, Smart-City- oder Smart-Retail-Applikationen. Für den KI-Prozessor sind zahlreiche vortrainierte neuronale Netze, ein bitgenauer Simulator, ein Performance Tool sowie der »Hailo Dataflow Compiler« verfügbar. Hiermit lassen sich Time to Market und Entwicklungskosten reduzieren.

Neben KI-Anwendungen können OEM und Systemintegratoren mittlerweile ebenfalls IoT-Systeme mit funktionaler Sicherheit (FuSa) implementieren. Eine modulare, kompakte Sicherheitssteuerung von Kontron ermöglicht integrierte und maßgeschneiderte Applikationen mit FuSa bis SIL 3 beziehungsweise PLe Kat4 in Form einer vorzertifizierten M.2-2242-FuSa-Erweiterungskarte im Industrie-PC KBox A-150-WKL.

Bernhard Guenthner
Bernhard Günthner ist Executive Vice President IoT Software bei Kontron.
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Breites Wissen nötig

Der Einsatz von IoT-Geräten nimmt weiter zu – der Leistungsfähigkeit der Geräte sind hierbei kaum Grenzen gesetzt. Neue CPUs und Graphics Processing Units, KI-Beschleuniger-Chips und leistungsfähigere Kommunikationsstandards – WiFi 6, 5G und künftig 6G – tragen ihren Teil dazu bei. Doch das allein genügt nicht. Anwendungen und neue Geschäftsmodelle für das IoT unter einen Hut zu bringen ist sehr herausfordernd. Ein wesentlicher Punkt für Entwickler von IoT-Geräten ist daher die enge Integration von Hardware, Software und Expertise aufseiten des Anbieters. Lediglich so lassen sich Innovationen, die mit neuer Technik möglich sind, in der Praxis effizient umsetzen.


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