Der Markt für Embedded-Systeme kann sich Dank des Internet der Dinge (IoT) auf eine anhaltende Wachstumsperiode freuen. Die prognostizierten Milliarden Geräte – auch als ‚Edge Nodes‘ bezeichnet – machen einen beachtlichen Teil des IoT aus. In manchen Fällen sind einfache Geräte entscheidend für die Erschließung neuer Geschäftsmodelle und der Steigerung der operativen Effizienz. Die ­Nutzung enormer Datenmengen ist ausschlaggebend, um relevante Informationen aus den verborgenen Daten zu erhalten und Entscheidungsfindungen in Echtzeit zu ermöglichen. Jeder Aspekt des IoT setzt auf zuverlässige Connectivity, die Bereitstellung von Cloud-Services und den konstanten Datenstrom aus den Embedded Edge Nodes.

Diese Embedded-Geräte fallen oft sehr unterschiedlich aus. Einige sind einfache Sensoren zur Messung von Temperatur oder Luftfeuchte, während sich andere Sensorelemente komplexer darstellen und mehr Intelligenz und Systemsteuerung erfordern, um Entscheidungen zu treffen. Für diese intelligenteren Geräte ist mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Betriebssystem (OS) erforderlich. – Leistungsfähigere Geräte benötigen sogar ein Echtzeit-Betriebssystem (RTOS).

Ganz gleich, welchen Zweck eine bestimmte IoT-Anwendung erfüllen muss oder auf welcher Architektur sie basiert: Die Hersteller solcher Embedded-Systeme müssen mit einigen Business- und Entwicklungs-Überlegungen jonglieren, um ihre Lösungen schnell auf den Markt zu bringen. Angesichts der Offenheit des IoT ist es für vernetzbare Geräte besonders wichtig, dass sie schnellstmöglich auf den Markt kommen, um eine beschleunigte Markt­akzeptanz zu bewirken. Die Produkte müssen Leistungsmerkmale und Fähigkeiten aufweisen, die sie von Produkten des Wettbewerbs unterscheiden. Aus technischer Sicht ist die Datensicherheit der Geräte (Device Security) unabdingbar. Die genannten Herausforderungen in Verbindung mit dem Ziel, die Entwicklungskosten und Risiken gering zu halten, stellen Ingenieurteams auf eine harte Probe.

Betriebssystem fürs IoT

Durch den Einsatz bereits zertifizierter Rechen- und Wireless-Module lassen sich die Herausforderungen bezüglich der Hardware beachtlich vereinfachen. Auch der Einsatz eines OS/RTOS kann Ingenieuren bei der Entwicklung einer datensicheren, modularen und skalierbaren Umgebung als Basis ihres Designs helfen. Die Verfügbarkeit eines Betriebssystems ist gar eine entscheidende Komponente zur Vereinfachung der IoT-System-Entwicklung, das Connectivity und Kommunikation zwischen Gerät und Cloud unterstützen kann.

Das IoT ist auch für Herausforderungen im Rahmen des herkömmlichen Entwicklungsprozesses verantwortlich. Die Notwendigkeit, Embedded-Applikationen schnell zu entwickeln, einzusetzen und zu warten hat viele Unternehmen veranlasst, die von ihnen bisher verwendeten Tools und Methoden neu zu überdenken.
Die Verbindung des Entwicklungsprozesses mit den laufenden Implementierungs- und Update-Prozessen sowie die Fähigkeit, IoT Edge Devices von entfernten Orten aus (remote) zu adminis­trieren, kann beachtliche Vorteile im gesamten Lebenszyklus bewirken. Um ein solches Szenario zu ermöglichen, bietet Windriver das Helix-Cloud-Portfolio.

Über die Elemente der ‚Helix Cloud‘ erhalten Ingenieure Zugang zu Tools, Simulation Labs und Management-Plattformen, die die Art und Weise, wie Organisationen IoT-Systeme realisieren und betreiben, vereinfachen, durchgängiger machen und automatisieren. Mit Helix Cloud liefert Wind River eine ­Familie mit Software-as-a-Service-Produkten (SaaS), die zu jeder Zeit und von jedem Ort aus den Zugang zu Entwicklungstools, Laboren und implementierten Geräte ermöglichen. So können Entwickler ihre IoT-Technologien während des gesamten Lebenszyklus – von der Entwicklung und dem Test bis hin zur Implementierung und Stilllegung – entwickeln und administrieren.

So wird zum Beispiel ‚Wind River Helix Device Cloud‘ verwendet, um die Geräte selbst zu administrieren. Mit ‚Helix App Cloud‘ wird eine Umgebung zum Testen und Entwickeln von Applikationen für eine spezifische Zielplattform geboten, während ‚Helix Lab Cloud‘ Applikationen sowohl Hard- als auch Software und Simulation zur Verfügung stellt.

RTOS für Industrie-­Applikationen

Die Elemente des Wind-River-Helix-Cloud-Portfolios.

© Wind River

Die ‚Helix App Cloud‘ bietet neben der Bereitstellung einer Cloud-basierten IDE eine enge Anbindung an OS/RTOS-Komponenten, die für ein bestimmtes Design eventuell gebraucht werden. Eine Beispiel-RTOS ist ‚Rocket‘ – ein kostenfreies skalierbares RTOS, entwickelt für 32-bit-MCUs. Das Betriebssystem eignet sich zur Realisierung von Sensor-, Industrie- und Wireless-Gateway-Applikationen. Abgestimmt auf Geräte mit begrenztem Speicherplatz und niedriger Leistungsaufnahme bietet ‚Rocket‘ unter anderem Funktionen wie prioritätsbasiertes Multithreading, Interthread Data Passing und dynamische Speicherzuordnung. Entwickler können mit Hilfe des Betriebssystems schnell – und ohne zunächst Hardware anschaffen zu müssen – mit ihrer Arbeit beginnen. Sie haben ferner die Möglichkeit, Code und Projektaufgaben mit Partnern zu teilen. Zudem existiert ein Entwicklerforum, das innerhalb der App Cloud zugänglich ist und eine Reihe von Template-IoT-Sensordesigns für noch schnellere Applikationsentwicklung bietet.

Mit dem Konzept des Helix-Cloud-Portfolios und bereits zertifizierten Rechenplattformen lassen sich IoT-Applikationen in kurzer Zeit entwickeln. Sensoren und Aktuatoren können je nach Bedarf des Designs über GPIO/ADC-Ports angeschlossen werden. Diese Technik ermöglicht auch die Etablierung eines plattform-basierten Konzeptes für die gesamte IoT-Edge-Device-Entwicklungsstrategie. Statt mehrere unterschiedliche Board-Konfigurationen zu verwenden, stellt die Möglichkeit, ein Design auf einem bereits geprüften Design zu basieren, sicher, dass die Kosten sowie unnötiger Aufwand über die Lebensdauer des Edge Node minimal bleiben.

Ein Konzept für alle IoT-Geräte

Für viele Entwickler und Ingenieurteams macht die Möglichkeit, ein Plattformkonzept für alle IoT-Geräte – ob Edge-Node-Sensoren, Gateways oder Data Server – zu etablieren, aus geschäftlicher Sicht Sinn. In der Lage zu sein, ein großes Produktportfolio anzubieten, das sich von Geräten mit kleinem Formfaktor und für nur eine ­Applikation bis hin zu großen und ­komplexeren ­Systemen eignet, bedeutet, dass man ein entsprechend ska­lierbares RTOS wählen muss. Ein RTOS, das sich so skalieren lässt, dass es die Anforderungen mehrerer Produktklassen hinsichtlich Footprint, Funktionalität und Rechenleistung erfüllt, kann Herstellern von ­Embedded-Systemen helfen, den Return ihres Betriebssystem-Investments zu erhöhen, die Entwicklungskosten zu senken und die Time-to-Market zu verkürzen.

Das oben erwähnte Plattformkonzept hat auch einen weiteren pragmatischen Grund, beachtet zu werden – Skalierbarkeit. Selbstverständlich kann IoT-Topologie sehr unterschiedlich sein. Bei den Edge Devices kann es sich um Hunderte oder Tausende einfacher Sensoren oder Aktuatoren handeln – angefangen bei Umweltsensoren für Temperatur oder Feuchte bis hin zu elektromechanischen oder hydraulischen Aktuatoren. Solche Geräte kommunzieren sehr wahrscheinlich über ein Gateway oder direkt mit der Cloud. Das Gateway selbst führt even­tuell lokales Data Storage und/oder ­Processing durch, bevor es Daten an eine cloud-basierte Analyse-Applikation schickt.

Viele Sensoren werden sehr wahrscheinlich mit Batterien versorgt und sind drahtlos angebunden. Daher benötigen sie eine entsprechende Power-­Management-Fähigkeit zusammen mit Basis-Netzwerk-Stacks. Betrachtet man die Herausforderungen in Verbindung mit Skalierbarkeit – vom einfachen MCU-basierten Sensor bis hin zu einem Multicore-Gateway – offenbaren sich die Vorteile beim Einsatz des gleichen RTOS als kluge Wahl.

Das Zeitalter des IoT verlangt ein ­modulares, konfigurierbares und er­weiterbares RTOS. Es ergänzt die Merkmale, die bereits heute gebraucht werden – wie solide Echtzeit-Performance, ge­ringe Latenz und Multi-Core Prozessor-Support –, um Skalierbarkeit, Connectivity, Daten- und Funktionssicherheit (Security und Safety) und einen vergrößerten Funktionsumfang. Ein solches RTOS für ihre künftigen Appli­kationen gibt Entwicklern einen Wett­bewerbsvorteil in der Welt des IoT, der es ermöglicht, Geräte schneller als bisher auf den Markt zu bringen und zugleich Risiken und Entwicklungs- so-wie Wartungskosten zu senken.

Autor: Prashant Dubal ist Director of Product Management bei Wind River.