Low-Power-Embedded-Computing Visible-Things-Plattform

IoT bietet der Embedded Community große Chancen. Es gibt allerdings auch Herausforderungen, z. B. sichere, skalierbarer Edge-zu-Enterprise-Lösungen für Industrie-Applikationen. Avnet-Memec Silica hat mit Visible Things eine Referenzplattform entwickelt, die hilft, diese Herausforderungen zu stemmen.

Das IoT ist eine technische Revolution, die für bestehende Infrastrukturen höhere Effizienz und Produktivität verspricht. Über die Nutzung von Cloud-basierenden IT-Infrastrukturen ist eine Datenanalyse in Echtzeit möglich, was nicht nur zu autonomen Entscheidungsprozessen führen kann, sondern Firmen neue Services und Umsätze erschließt. Diese in der Theorie wunderbaren Aussichten werden jedoch in der Praxis oft durch eine komplizierte, fragmentierte und z. T. problembehaftete Transformation gemindert, speziell in der Industrie, wo über Dekaden mit Legacy-Gerätschaften eine Infrastruktur aufgebaut wurde, die weder schnell noch kostengünstig in Richtung IoT ersetzt werden kann.

Märkte und Anwendungen

Die Einführung neuer Embedded-Hardware und -Software für die Anbindung von Smart-Sensor-Technologien an die Cloud und deren Enterprise-Software, z. B. über ein Internet-Gateway, bringt neue Probleme in Bezug auf Konnektivität, Interoperabilität, Sicherheit und Skalierbarkeit mit sich. Die Vernetzung von bislang autarken Systemen und Geräten kann in der Tat eine große Herausforderung werden, vor allen Dingen dann, wenn diese von unterschiedlichen Herstellern kommen.

Der in den USA ansässige Analyst IHS geht bis 2025 von 50 Milliarden vernetzten Geräten und einer jährlichen Neuinstallation von 12 Milliarden vernetzten Geräten aus. Alleine im Industrieumfeld werden 20 Milliarden vernetzte Geräte erwartet und zwar in der Industrie-Automatisierung, in der Gebäude- und Heimautomatisierung, bei Smart-Metern sowie bei Sicherheitssystemen und Alarmanlagen.

Dieses Wachstum wird von zahlreichen neuen Anwendungen getrieben. Eine klassische IoT-Anwendung ist die prediktive Wartung, wo Fertigungs- und Prozessdaten mittels Sensoren gesammelt werden, die in oder in der Nähe von Maschinen montiert sind, und deren Daten für eine Echtzeitanalyse in die Cloud verschickt werden. Damit können proaktive Diagnosen gestellt und Ausfälle verhindert werden. Hierdurch wird die High-Tech-Fertigung in smarten Fabriken wesentlich verändert, insbesondere im Kontext von Industrie 4.0.

Eine weitere Schlüsselanwendung ist das Tracken von Gütern im Transport- und Logistikgewerbe. Die Installation von schmalbandigen Low-Power-Transmittern in Fahrzeugen oder Gütern kann in Verbindung mit der Cloud-Analyse nicht nur das Tracking in Echtzeit gewährleisten, sondern auch zu einer Optimierung im Versandablauf und bei den Fracht-Versicherungen führen. Selbstverständlich können auch Fracht-Routen und vorzuhaltende Lagerkapazitäten optimiert werden.

Herausforderungen und Konnektivitätsoptionen

Firmen, die IoT-Systeme und -Anwendungen einführen wollen, haben mit diversen Herausforderungen zu kämpfen. Diese umfassen u. a. Low-Power-Anwendungen für Edge-Geräte, speziell Remote-Geräte, die typischerweise von Batterien gespeist werden; die Skalierbarkeit und Fähigkeit, potentiell tausende oder sogar Millionen Geräte zu managen; das beunruhigende Thema Sicherheit und last, but not least die Interoperabilität von diskreten Lösungen auf unterschiedlichen Ebenen der IoT-Wertschöpfungskette.

Was das Ganze nicht vereinfacht, sind zahlreiche Optionen in Bezug auf Konnektivität. Herkömmliche Optionen umfassen für kurze Entfernungen drahtlose Kommunikation über WLAN, Bluetooth LE oder ZigBee von einem Edge-Device zu einem Gateway, und drahtgebundene Weiterleitung z. B. per Ethernet in die Cloud. Eine weitere Möglichkeit ist die Versendung der Daten per LTE vom Gateway oder sogar direkt vom Endgerät in die Cloud, was allerdings den Nachteil aufweist, dass die oft kleinen Datenpakete unter vergleichsweise hoher Leistungsaufnahme verschickt werden.

Es gibt jedoch auch Alternativen, z. B. mit Low-Power-Schmalband-Kommunikation, die von LPWA-(Low-Power-Wide-Area-)Netzwerktechnologien wie LoRaWAN und Sigfox bereitgestellt werden. Diese Technologien verknüpfen Wireless-Konnektivität für kurze Distanzen mit Mobilfunk. Das fundamentale Konzept von LoRaWAN und Sigfox basiert darauf, dass viele IoT-M2M-Edge-Geräte nur kleine Datenpakete übertragen und dazu von kleinen Batterien gespeist werden.

Die Netzarchitektur bei LoRaWAN ist sternförmig. Endgeräte kommunizieren mit Gateways, welche die Datenpakete an einen Netzwerkserver senden. Der Netzwerkserver verfügt über Schnittstellen, um an IoT-Plattformen und -Applikationen angebunden zu werden.

LoRaWAN nutzt in Europa den Frequenzbereich um 868 MHz und in den USA 915 MHz. Die Reichweiten erstrecken sich von 2 km (City) über 15 km (Vororte) bis zu 40 km (ländliche Gebiete). Ein weiterer großer Vorteil ist die Durchdringung von Gebäuden, sodass auch zu einem gewissen Grad unterirdische Räumlichkeiten versorgt werden können. Die Stromaufnahme von Endgeräten beträgt rund 10 mA (100 nA im Ruhemodus). Dies ermöglicht je nach Anwendungsfall eine Batterielebensdauer von 2 bis 15 Jahren. Die Kommunikation zwischen den Endgeräten und den Gateways erfolgt auf verschiedenen Frequenzkanälen mit unterschiedlichen Datenraten. Diese liegen zwischen 0,3 kbit/s und 50 kbit/s.

Um hohe Effizienz bei Datentransfer und Energieaufnahme zu erreichen, nutzt LoRaWAN Frequenzspreizung. Interferenzen können so weitestgehend vermieden werden. Die Datentransferraten zu den Endgeräten passt der Netzwerkserver der jeweiligen Situation an (Stichwort ADR: Adaptive Data Rate). Die Kommunikation in LoRaWAN ist verschlüsselt mit 2-fach 128 bit AES.

Sigfox ersetzt Mobilfunknetz

Beim Sigfox-Netzwerk handelt es sich um einen neuen Typ zellenbasierter Funknetze. Die Sensorknoten kommunizieren mit Basisstationen und diese mit Sigfox-Servern. Der Zugriff auf die Daten durch die Kunden erfolgt über die Sigfox-Server.

Die Unterschiede liegen im Format der Daten sowie darin, wie die Datenübertragung erfolgt. Die primäre Betriebsart von Sigfox ist der unidirektionale Uplink: Dabei senden die Knoten Daten an die Server. Einige Knoten arbeiten ausschließlich in diesem Modus, so dass sie nur Sender benötigen. Ohne einen Empfänger ergeben sich deutliche Energieeinsparungen.

Über einen Halbduplex-Mechanismus steht ein Downlink-Mechanismus zur bidirektionalen Kommunikation zur Verfügung. Dabei kann ausschließlich ein Knoten und nie der Server die Kommunikation initiieren. Dadurch behält der Knoten die Kontrolle über seinen Energiebedarf, wobei der Server trotzdem Parameteränderungen, Befehle oder Updates zum Knoten übertragen kann.

Die Sigfox-Datenpakete sind klein und arbeiten mit bis zu 12 byte Nutzlast pro 24-byte-Paket. In der EU lassen sich bis zu 140 Nachrichten pro Tag mit einer Rate von 100 bit/s übertragen, während es in Ländern, in denen die FCC-Zulassung maßgeblich ist, 600 bit/s sind. Sigfox arbeitet in den USA im ISM-Band (Industrial, Scientific and Medical), dessen Frequenzbereich dort bei 902  
MHz liegt, in Europa im SRD-Band (Short Range Devices) auf 868 MHz. Diese Bänder sind lizenzfrei, so dass keine Auktionen wie bei den Mobilfunkbändern stattfinden. Auch hier gibt es jedoch Einschränkungen, um zu gewährleisten, dass alle Teilnehmer eine angemessene Chance haben, diese Bänder zu nutzen. So darf kein einzelner Sender die gesamte Bandbreite belegen. In Europa z. B. muss das Nutzverhältnis kleiner als 1 % sein und die Strahlungsleistung muss unter 25 mW bleiben. Durch diese Einschränkungen ergibt sich der tägliche Grenzwert von 140 Nachrichten.

Die Übertragungsreichweite ist von der Umgebung sowie der Anzahl der Gebäude und Objekte abhängig, die das Signal abschwächen können. In flachen ländlichen Gegenden lassen sich bis zu 50 km erreichen, wobei in einem typischen städtischen Umfeld nur 3 bis 10 km möglich sind. Normalerweise verfügt das Netzwerk über eine gewisse Redundanz, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Weil mehr als eine Basisstation das Signal eines Knotens empfangen können, kommt es beim Ausfall einer Basisstation nicht zu einer Unterbrechung der Kommunikation. Auch das Backend ist für eine hohe Verfügbarkeit ausgelegt und enthält redundante Server sowie einen Load-Balancer.

Visible Things

Die Sicherheit spielt auf allen Kommunikationsebenen eine wichtige Rolle. Frequenzsprungverfahren und Anti-Replay-Maßnahmen verhindern das Abfangen oder Verändern von Nachrichten. Die Kommunikation zwischen den Basisstationen und den Servern erfolgt über VPN und der gesamte Zugriff der Anwender auf die Backend-Daten über HTTPS-Verbindungen. Ein weiterer Sicherheitsaspekt ist die Tatsache, dass es kein definiertes Nutzdaten-Format gibt; nur die beiden Kommunikationsendpunkte kennen die Bedeutung der Nutzdaten. Selbst wenn diese Daten abgehört werden, sind sie nutzlos, solange der Angreifer nicht weiß, wie eine Nachricht entschlüsselt werden kann und was sie bedeutet. Die Anwendungen sind dem Sigfox-Protokoll übergeordnet. Ein Gerät registriert seine Anwendung über die Server, und jedes Paket identifiziert seine Anwendung. Das Backend stellt eine Restful-API zur Verfügung, was die Erstellung von Anwendungen durch Webprogrammierer vereinfacht.

Wie bei der Mobilfunktechnik erfolgt der Betrieb der jeweiligen Sigfox-Netzwerke durch Systembetreiber. Sigfox stellt die Technologie und Lizenzen sowie die Zertifizierung zur Verfügung, während der Lizenznehmer das Netzwerk betreibt. Sigfox arbeitet mit Netzwerkbetreibern beim Aufbau nationaler Netzwerke zusammen, aber auch mit einzelnen Unternehmen, um Netzwerke für spezifische Einrichtungen aufzubauen.

Ein weiterer Standard ist momentan in der Entwicklung: NB-IoT (Narrow Band-IoT) wird von zahlreichen Telekommunikationsanbietern und Geräteherstellern unterstützt. Diese Technologie ist Teil der IoT-Initiative des GSMA, die darauf abzielt, eine Low-Cost- und Low-Power-Kommunikation für IoT-Netzwerke unter Nutzung von Mobilfunkstandards zu ermöglichen. NB-IoT ist noch in der Entwicklung, verspricht aber viel Potenzial.

Um Unternehmen konkret dabei zu helfen, Nutzen aus den vielfältigen Möglichkeiten des IoT zu ziehen, hat Avnet-Memec Silica alle Building-Blocks zusammengebaut, die für eine flexible und weitreichende Edge-zu-Enterprise-IoT-Eveluierungs- und Entwicklungsplattform notwendig sind. Diese Visible-Things-Plattform ist eine der ersten IoT-System- und Anwendungsplattformen, die von einem Komponenten- und System-Distributor angeboten wird. Sie enthält getestete, sichere und integrierte Hardware und Embedded-Software, um smarte Sensoren sowie Embedded-Geräte über Gateways oder LPWA-Netzwerke an die Cloud und an Enterprise-Software-Lösungen anzubinden wie die von SAP, IBM oder Microsoft. Der Kunde hat entlang der Wertschöpfungskette vom Sensor bis hin in die Cloud unterschiedliche Optionen (Bild 1). Den detaillierten Aufbau der Sensor-Nodes für Sigfox zeigt exemplarisch Bild 2.

Unterstützt werden Konnektivität für kurze Entfernungen zum Gateway, Wi-Fi und 3G-Mobilfunk in die Cloud sowie Sigfox und LoRaWAN-IoT-Netzwerke. Um den Sicherheitsanforderungen industrieller IoT-Lösungen Rechnung zu tragen, schließt die Plattform UbiquiOS ein, eine Embedded-Software für sichere Gateways, die Verschlüsselungstechnologien wie AES, SHA-1, SHA-256, SHA-512 und MD5 ebenso unterstützt wie Transport-Schicht-Sicherheit (TLS) v1.2 und Server-Authentifizierung (OCSP) sowie Client-Authentifizierung. In der Version 2 wird die Plattform zusätzliche Sicherheits-Elemente mittels integrierter Chips von NXP, STMicroelectronics und Infineon bieten.

Starter-Kits

Damit Nutzer ihr IoT-Projekt schnell zum Laufen bringen, stehen drei Referenzdesign-Starter-Kits zur Verfügung, die ARM-Cortex-basierte Mikrocontroller enthalten: Das erste Kit umfasst ein Smart-Sensor-Board mit Bluetooth-Smart-Anbindung und Sensoren für Bewegung, Temperatur/Luftfeuchte, Licht/Annäherung; ein Gateway-Board, das die Anbindung an die Cloud über Wi-Fi ermöglicht; sowie ein Mini-USB-Kabel. Ein GSM-Peripheriemodul mit Embedded-SIM- und einem zusätzlichen SIM-Kartenhalter für eigene SIM-Karten steht als Erweiterung zum Gateway-Board zur Verfügung, um Mobilfunkanbindung zu Cloud Enterprise-Software-Services zu ermöglichen (Bild 3). Das Starter-Kit wird exklusiv von Avnet-Memec Silica angeboten und kostet knapp 200 €.

Die zwei weiteren Kits sind für Sigfox- und LoRaWAN-Netzwerke ausgelegt und enthalten Sigfox- bzw. LoRaWAN-kommunizierende Sensormodule, welche mit Bewegungs- und Lichtsensoren ausgestattet sind. Nachrichten lassen sich so mit dem Cloud-Dienst austauschen, ohne auf ein eigenes Gateway zurückgreifen zu müssen.

Die Visible-Things-Plattform bietet auch eine App (iOS und Android), die den Zugriff auf die lokale Hardware-Konfiguration erlaubt und die Verbindung zu Cloud-Diensten unterstützt. Zur App gehört eine Kurzanleitung, um eine einfache Anbindung und Konfiguration des Systems zu ermöglichen.

Cloud-Dienst

Der Cloud-Dienst Devicepoint ist ein wesentlicher Bestandteil der Visible-Things-Plattform. Auf der Basis von IBM-Software-Komponenten und betrieben durch das Partnerunternehmen Spica Technologies, nutzt der Cloud-Dienst Daten von Sensoren und Edge-Einrichtungen mit Kontextinformationen sowie Daten von anderen Quellen, um eine Echtzeitanalyse und langfristige Business-Intelligence bereitzustellen. Die Plattform verbindet sich über das Gateway (Bild 4) oder direkt mit einem Sigfox- oder LoRaWAN-Netzwerk. Sie bietet eine sofortige Visualisierung der Sensordaten in einer einfachen Standard-Cloud-Lösung. Anwender können dann die erforderlichen Maßnahmen ergreifen, z. B. Aktoren in industriellen Steuerungssystemen einschalten. Eine weitere Anpassung zur Verwaltung der Sensordaten ist ebenfalls möglich. Dazu zählen Analytik, Reporting und Workflow-Management.

Vom Sensor bis zur Cloud

Während das Industrie-4.0-Konsortium munter weiter Papier druckt und standardisiert, schafft Avnet-Memec Silica nutzbare Fakten für seine Kunden. Bietet die Plattform schon in ihrer ersten Version durch die Zusammenstellung von getesteter Hard- und Software einen Mehrwert für Kunden, die nicht von der grünen Wiese aus beginnen wollen oder können, wird sie zukünftig weiter ausgebaut. Neben den schon erwähnten Secure-Elementen wird es z. B. Support für Thread, EtherCAT und weitere Cloud-Lösungen wie Microsoft Azure oder den Avnet-Cloud-Marktplatz geben.