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Standardisiertes Cloud-API

Cloud-API für IoT-Gateways

6. November 2017, 12:38 Uhr | Von Kevin-Louis Pawelke, Carsten Rebmann und Jens Uhlig

Gateway mit modulare und standardisierte Softwareschnittstellen in den Griff bekommen.

In Sensornetzwerken treffen viele Datenformate zusammen: die der Sensoren und die der Cloud-Schnittstellen. Wenn das Gateway über standardisierte Softwareschnittstellen verfügt, bekommt man die Vielfalt in den Griff.

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Für viele OEMs sind sie bei der Überwachung und Steuerung dezentraler Geräte, Maschinen und Anlagen mittlerweile unerlässlich: die Clouds mit ihren vielfältigen Möglichkeiten, Daten zu speichern, zu analysieren und bedarfsgerecht bereitzustellen. Doch die Aufbereitung und Übertragung der dezentral erzeugten Sensordaten gestaltet sich in der Praxis regelmäßig als schwierig. Hauptgrund dafür ist die Vielfalt der verteilten Logik im Feld. Uneinheitliche Messdaten, Protokolle und Übertragungsmedien sowie heterogene Betriebssysteme und proprietäre Interfaces zu verschiedenen Cloud-Anbietern sorgen trotz des großen Cloud-Potenzials für eine zumeist fragmentierte und damit viel zu komplizierte Umsetzung. Wie kann man also den Weg vereinfachen, Sensordaten in die Cloud zu bekommen?

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Hardwarehersteller haben sich viel Mühe gegeben, attraktive Lösungen für die Anbindung von Sensornetzwerken zu entwickeln. Je nach Anforderungen sind dabei ganz unterschiedliche Op¬tionen entstanden. So gibt es Gateways für bestimmte Anwendungsfelder wie das Gateway „FlexGate“ von Expemb, das auf LoRa spezialisiert ist, oder generische Multitalente wie das Gateway „conga-IoT“ (Bild 1) von Congatec, das mit bis zu acht Funkantennen vielfältige Funktechnologien und auch weitere Peripherie wie Feldbusse anbinden kann. Zur Applikation passende Hardwareplattformen sind aber nur der erste Schritt hin zu einer Lösungsplattform, die es Entwicklern leicht macht, die Daten von Embedded-Geräten und heterogenen Sensornetzen in die Cloud zu bekommen.

Vielfalt der Sensordaten

Die Wunschvorstellung von App-Entwicklern in Sachen Cloud-Anbindung von Geräten, Maschinen und Anlagen ist es, gar nicht viel Hand an die verteilte Hardware legen zu müssen. Sie soll sich idealerweise so einfach an Clouds anbinden lassen wie USB-Geräte oder PCI-Express-Erweiterungskarten an einen PC: Cloud öffnen, angebundene Geräte erkennen und abschließend bedarfsgerecht konfigurieren – fertig ist die Cloud-Anbindung. Hätten Embedded-Computer eine solch einfach zu handhabende Schnittstelle – auch für die Peripherie – könnte man in der Cloud sehr leicht mit den passenden Frameworks und Tools all die Apps und Dashboards automatisch erzeugen, die Anwender brauchen.

Das Problem: Die Sensordaten aus der Feldebene – von wenigen Bit großen Messwerten wie Temperaturdaten bis hin zu Gbit/s großen Videostreams – werden von unterschiedlichsten Sensoren generiert und in entsprechend unterschiedlichen Datenstrukturen, über heterogene Protokolle, Schnittstellen und Übertragungswege bereitgestellt. Ohne eine Logik vor Ort, die diese heterogenen Daten zu Informa¬tionen verarbeiten kann, die sich zu übermitteln lohnen, lässt sich eine Cloud-Anbindung also kaum sinnvoll realisieren. Über die Cloud kann man jeden Zustand in höchster Dichte loggen oder aber nur die Daten sammeln, die man kurz- oder langfristig braucht, z.B. zur Big-Data-Analyse, um sie dann für den bedarfsgerechten Zugriff von überall her bereitzustellen. Damit das aber überhaupt möglich ist, müssen diese Daten zuerst vor Ort in einem Gateway – sei es eine virtuelle Plattform in einem System oder ein dediziertes Gerät – empfangen, übersetzt, interpretiert und als transparente Informationen an die entsprechenden Cloud-Schnittstellen übermittelt werden.

Zentrale Bedeutung der Gateways

Den Gateways kommt folglich eine zentrale Rolle zur Orchestrierung der Sensornetzwerke zu, denn sie sind Informationsvermittler in Richtung Feld, Cloud und weitere benachbarte Gateways. Sie müssen also nicht nur über den passenden Hardwarezuschnitt verfügen, sondern auch echte Sprach- und Entscheidungsgenies sein. Dazu benötigen sie eine Logik zum Sammeln, Analysieren und Transcodieren von Sensordaten und zur Entscheidung, was mit diesen Informationen gemacht werden soll. Benötigt wird zudem die entsprechende Aufbereitung der Daten für eine konsistente Datenstruktur sowie eine Logik zur bidirektionalen Kommunikation innerhalb der Cloud-Lösung – und das alles mit einer sicheren End-to-End-Verschlüsselung.

Das neue Cloud-API (Application Programming Interface) für IoT-Gateways von Congatec ist eine solche Middleware und „Glue Logic“ für die einfache Orchestrierung drahtloser Sensornetzwerke. Es zielt darauf ab, die Cloud-Anbindung von Embedded-Computer-Technologie und ihrer Peripherie zu erleichtern, indem applikationsfertige Softwarebausteine verfügbar gemacht werden, die Kunden zur individuellen Entwicklung ihrer Applikation als Blaupause nutzen können. Mit dem Congatec Cloud-API für IoT-Gateways lassen sich lokale Sensornetzwerke aller Art in jegliche Cloud-Lösung integrieren.

Das IoT-Gateway kommuniziert vor Ort mit intelligenten Sensoren, verarbeitet und konvertiert die empfangenen Sensordaten (Bild 2).

Als Schnittstelle zur Hardware und zu Erweiterungskarten Dritter dienen dabei sogenannte Embedded Driver Modules (EDMs) als Glue Logic, die die empfangenen Daten in die Semantik der applikationsspezifischen IoT-Gateway-Logik übertragen. Nun gehen die Daten über vordefinierte Schnittstellen und Entscheidungsprozesse schrittweise in die Cloud – und dies über transparent definierte Module und Funktionsblöcke, die in jeder Applikation identische logische Schnittstellen nutzen können.