Die Gebäudeautomatisierung ist seit langem fester Planungsbestandteil in jedem Neubau, in Wohngebäuden ebenso wie Fabriken und allen weiteren gewerblich genutzten Zweckbauten wie Bürogebäude oder Einkaufszentren. Dabei reichen die Aufgaben der Gebäudeautomatisierung von der effizienten Energienutzung bei Klima-, Heizungs-, Lüftungs- oder Beleuchtungstechnik bis hin zu Sicherheitslösungen durch automatisierte Schließtechnik oder Visualisierungen mittels Überwachungskameras.
Die Realisierung solcher automatisierter Gebäudesteuerungen nahm ihren Ausgang in Zweckbauten, wobei in der Automatisierungsebene vornehmlich so genannte Direct Digital Controls (DDCs) und SPS-Bausteine zum Einsatz kamen. Diese erfassen die Informationen der Sensoren aus der Feldebene, verarbeiten die Daten entsprechend ihrer Regelalgorithmen im hinterlegten Steuerungsprogramm und leiten die Ergebnisse als Steuerbefehle an die Aktoren der Feldebene zurück.

Der Raspberry-Pi-3-B+-basierte Hutschienen-PC Smart Manager 4.0 für den Schaltschrank erlaubt es, selbst komplexe Aufgaben in der Steuerungstechnik und Gebäudeautomatisierung mit Open-Source-basierter Hardware und Software umzusetzen.

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Dies hat auch innerhalb unterschiedlicher Gewerke zu einer Vielfalt proprietärer Automatisierungslösungen geführt, zumal daneben die verwendeten Übertragungssysteme auf Feldebene oft verschiedene Medien und Protokolle nutzen. Wer Interoperabilität zwischen den verschiedenen Gebäude-automatisierungstechnologien herstellen möchte, benötigt eine Plattform, die nicht nur umfassende Hardware-Schnittstellen in Richtung Feldebene bereitstellt, sondern zudem die Option zur softwareseitigen Integration der verschiedenen Systeme bietet, um damit beispielsweise ebenfalls bedarfsgerechte, softwarebasierte SPS-Anwendungen umsetzen zu können. Aktuelle Trends – wie Digitalisierung, IIoT und Smart Metering – machen es erforderlich, selbst einzelne Gewerke über einen eigenen Edge-Computer anzubinden. Er ermöglicht es, IP-Technologie mit zentralen Dashboards sowie Management- und Maintenance-Clouds nahtlos anzubinden. Die Integration passender Edge-Logik vor Ort wird dadurch ebenfalls möglich. Diese muss zunehmend frei programmierbar sein, um dem wachsenden Bedarf nach beispielsweise Smartphone-basierter Steuerung einer jeden Gebäudefunktion gerecht werden zu können oder auch Inferenzlogik auszuführen, die für Predictive Maintenance-Zwecke erforderlich ist, da man nicht jeden Messwert in die Cloud schieben will oder auch kann.

Mehr Freiheit in der Gebäudeautomation

OEMs und Systemintegratoren suchen daher nach einer Lösung für Gebäudeautomatisierungen, die flexibel und kostenoptimiert in den Schaltschrank integrierbar ist. Eine solche Lösung können Plattformen auf Basis des neuen, leistungsoptimierten Raspberry Pi 3 B+ sein. Sie sind mit einer quelloffenen Linux-Distribution ausgestattet und lassen sich an spezielle Bedürfnisse anpassen. Somit ergeben sich auch bei der Installation weiterer Software wie Entwicklungsumgebungen oder Automatisierungsanwendungen, die auf solchen Edge-Zentralen für die Gebäudeautomation und Steuertechnik zum Einsatz kommen sollen, nahezu keine Einschränkungen. 
Worin liegen aber die spezifischen Vorteile eines Ansatzes mit Raspberry Pi?

Vom Lehrobjekt zur Industrieplattform

Die Schnittstellenausstattung und der separate Erweiterungsbus erlauben den Einsatz des Smart Manager 4.0 im Schaltschrank als IoT-/Edge-Server – sowohl für Gebäudeautomations- als auch Steuerungslösungen in der Industrie. Selbst Zähler im klassischen M-Bus-Feldbus lassen sich so über einen am Mini-PC angedockten Pegelwandler über MQTT verwalten.

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Im Jahre 2012 wurde der Raspberry Pi in seiner ursprünglichen, ersten Version für Lehrzwecke als besonders kosten-günstige und dennoch vollständige Open-Source-Entwicklungsplattform in den Markt eingeführt. Jeder, der sich für IT-Hardware  – im Besonderen aber für Hardware-Programmierung und -Entwicklung interessierte – konnte mit dem kostengünstigen Einplatinen-computer praktisch sofort loslegen.
Und so dauerte es auch nicht lange, bis die Geräte zunehmend als praktikable 
Entwicklungsplattform in der Embedded-Industrie Verwendung fanden, da der Raspberry als vollwertiger Linux-Minirechner gleichzeitig als Entwicklungs- und Testplattform nutzbar war.

Bis heute wurden rund 30 Millionen Raspberry-Pi-Geräte verkauft, was sich zudem in einer beeindruckend großen Online Support Community widerspiegelt. Inzwischen ist der Raspberry Pi auf dem besten Weg, selbst zu einer neuen Standard-Industrie-Plattform zu werden. So nutzt beispielsweise Oracle einen Cluster von 1060 Raspberry Pis für den weltweit größten Pi-Supercomputer. Und das Jet Propulsion Laboratory der NASA hat einen Bauplan veröffentlicht, der einen Raspberry Pi als Basis für den Nachbau des Mars-Rovers nutzt. Nun macht sich der Minicomputer auf, auch industrielle Einsatzbereiche zu erobern. STV Electronic ist dabei einer der ersten Hersteller, der mit dem Smart Manager 4.0 eine industrietaugliche Version des Minicomputers im Portfolio hat. 

Industrietauglicher Raspberry

Die Version 3 des Raspberry Pi kommt mit einem BCM2837-SoC von Broadcom, der sich aus einem 1,2-GHz-Quadcore-ARM-Prozessor samt großzügig ausgelegter Visual Processing Unit (400 MHz) zusammensetzt. Die vier Arm Cortex-A53 Cores sind dabei für die hohe Rechenleistung verantwortlich, damit die Plattform selbst sehr komplexe Aufgaben im IoT-/Edge-Bereich der Gebäudeautomation übernehmen kann. Die Armv8-A-Architektur beeindruckt dabei durch bis zu 60 % mehr Leistung als ihr Cortex-A7-Vorgänger. Zudem bietet sie ein verbessertes Power-Management für eine minimale Wärme-Entwicklung, sodass der Smart Manager 4.0 selbst bei extremen Temperaturen von –40 bis +55 °C im Schaltschrank innen wie außen ohne aktive Lüftung auskommt. 

Zum Arbeitsspeicher von 1 GB LPDDR2 SDRAM kann der STV Smart Manager 4.0 wahlweise mit 8, 16 oder 32 GB On-Board-eMMC-Flash geordert werden und bietet so für jede Anwendung ausreichend Speicherplatz. Alternativ steht der Smart Manager 4.0 als Variante mit SD-Slot zur Verfügung.
Dabei sind die Open-Source-basierten Raspberry-PCs voll industrietauglich. Denn im Smart Manager 4.0 kommen speziell für den Einsatz im industriellen Sektor entworfene SODIMM-Prozessor-Module zum Einsatz, für die alleine schon über die Raspberry Foundation eine Langzeitverfügbarkeit bis mindestens 2026 garantiert ist. 
Der modulare Aufbau bietet neben der entsprechenden Planungssicherheit zusätzlich Flexibilität und Skalierbarkeit, da sich der Industrie-PC damit auch hardwareseitig durch performantere CPU-Module erweitern lässt. Deshalb setzt STV die Langzeitverfügbarkeit für seinen Industrie-PC auf zehn Jahre an, was eine weitere wichtige Voraussetzung für elektronische Komponenten im industriellen Einsatz ist.