Maschinen- und Anlagenbauer brauchen einen flexibel skalierbaren Migrationspfad zum Aufbau ihrer IoT-Angebote. Es ist dabei von Vorteil, wenn applikationsfertige und bedarfsgerecht skalierbare Plattformen vorhanden sind, die sowohl bestehende Sensorik integrieren können als auch neue Lösungswege unterstützen. Modulare Embedded-Computer-Technologie auf Basis von Computer-on-Modulen eignet sich hervorragend für solche Lösungswege, denn sie ist sehr flexibel in der Auslegung in puncto Applikationsanforderungen sowie Performance und außerdem sind kundenindividuelle Carrierboards bei Bedarf äußerst kosteneffizient umsetzbar.

Module und passende Carrierboards alleine machen aber noch lange keine IoT-Gateway-Lösung. Zudem ist eine applikationsfertige, Hardware-abstrahierende und standardisierte Middleware erforderlich. Daher macht es Sinn, dass Embedded-Hersteller ihren OEM-Kunden auch gleich die passende Verbindungslogik (Glue Logic) anbieten, mit der OEMs ihre IoT-Lösungen von der ersten ‚Sandbox‘ bis hin zur komplett umgerüsteten cyberphysikalischen Fabrik bedarfsgerecht umsetzen können. Eine derart standardisierende Middleware stellt sicher, dass Applikationen auf bedarfsgerecht ausgelegter Hardware eingesetzt werden kann, ohne die Logik des Hardware-Zugriffs ändern zu müssen.

Verbindungslogik standardisieren

Hierbei ist es sinnvoll, dass Embedded-Computing-Anbieter keine Alleingänge machen. Dies wäre proprietär und könnte den Maschinenbauer und Automatisierungsanbieter zu sehr an den einen Embedded-Computing-Lieferanten binden. Denn eine solche Glue-Logic kann durchaus Investitionen im oberen fünfstelligen Bereich erfordern. Viel inte-ressanter sind deshalb Lösungen, die entweder über Open-Source-Projekte oder direkt über die Standardisierungsgremien wie die SGET, die PICMG oder neu zu gründende Gremien umgesetzt werden.

Wie immer muss aber einer den Anfang machen. Congatec hat deshalb für Geräte, Maschinen und Anlagen, die ein flexibel auszulegendes IoT-Gateway erhalten sollen, ein spezielles Application Programming Interface (API) zur Anbindung an Clouds entwickelt. Es kann sowohl smarte Sensornetzwerke integrieren als auch bereits vorhandene smarte Peripherie. Anwender nutzen es als Framework, um die Gateway-Funktionalität für ihre Maschinen und Anlagen auf Basis applikationsfertiger Logik implementieren zu können. Die Hardware-Abstraktion schafft hierbei Standardisierung für die Applikationssoftware, die auch ihre Portierbarkeit sicherstellt.

APIs vereinheitlichen den Zugriff

Das Congatec-Cloud-API für IoT-Gateways ermöglicht die universelle Integration heterogener Sensornetzwerke und verschiedener Datenbank-Implementierungen in IoT-Clouds wie Azure oder Amazon Web Services.

© Congatec

Das neue Cloud-API weist eine applikationsfertige und offene Auslegung auf. Dadurch ist es möglich, unterschiedlichste drahtlose Sensorverbindungen wie Bluetooth LE, ZigBee, LoRa und weitere LPWANs sowie drahtgebundene Protokolle für die Gebäude- und Industrieautomatisierung zu integrieren. Sogar heterogene Protokoll-Konfigurationen sowie die Kommunikation mit weiteren Gateways sind möglich. Typische Anwendungen finden sich hierfür in Industrie-4.0-vernetzten Maschinen und Anlagen sowie in Systemen für die Intralogistik. OEMs werden auf Anfrage alle benötigten Software-Module im C++-Quellcode zur Verfügung gestellt, was die Entwicklung eigener IoT-Applikationen für Linux und Windows auf Basis dieses applikationsfertigen Referenzdesigns deutlich vereinfacht.

Bei Bedarf werden weitere Software-Dienstleistungen für das Cloud-API und die Cloud-Anbindung angeboten. Die Bereitstellung des Codes ist der erste Schritt, den Con­gatec in Richtung herstellerunabhängiger Standardisierung geht.

Der zweite Schritt umfasst die Akquise von Kooperationspartnern wie Iesy oder Technagon sowie die Einbringung solcher oder mit weiteren Partnern abgestimmter Konzepte in herstellerübergreifende Initiativen wie die der SGET. Auch sie hat sich das Ziel gesetzt, noch weitere Standards oberhalb des Board- und Module-Levels zu definieren, um für OEMs den Einsatz von Embedded-Computer-Technologie weiter zu vereinfachen.

Das aktuell vorgestellte Cloud-API lässt sich sowohl in dedizierte Gateways von Congatec als auch in kundenspezifische Designs sowie in bestehende Hardware-Plattformen integrieren, die auf Congatec-Hardware basieren. Hierzu wird eine echtzeitfähige Hardware-Virtualisierung unterstützt. Zu den bereits existierenden Lösungen zählen die IoT-Gateways von Technagon, Iesy, Expemb und Congatec.

Breite Palette an IoT-Gateways

Das IoT-Gateway von Technagon mit den neuen Intel-Atom-Celeron- oder Pentium-Prozessoren basiert auf Modulen nach dem neuesten SMARC-2.0-Standard und nutzt den neuen eNUC-Standard der SGET für ein standardisiertes Box-PC-Design. Trotz seiner geringen Grundfläche von nur 104 × 104 mm² unterstützt er bis zu drei Funkstandards mit bis zu sechs Antennen. Um den unterschiedlichen Anforderungen im industriellen Umfeld gerecht zu werden, ist der Box-PC in zahlreichen Gehäusevarianten für die Wand-, Hutschienen- oder Vesa-Montage sowie auch als IP54-geschützte Outdoor-Variante verfügbar.

Vier IoT-Gateways, die sich zum Einsatz des neuen Cloud-APIs für IoT-Gateway eignen, kommen von Congatec, Technagon, Iesy und Expemb (von rechts nach links).

© Congatec

Ebenfalls auf den eNUC-Standard für Carrierboard und Gehäuse setzt das IoT-Gateway von Iesy mit Qseven-Computer-on-Modulen. Eingesetzt werden können Module mit ARM- und x68er-Technologie. Zur Verfügung steht hier die gesamte Bandbreite aktueller Technologien: Von Modulen mit den besonders energieeffizienten i.MX6-ARM-Prozessoren über die grafikstarken AMD-Embedded-G-Series-APUs bis zu den neuesten Intel-Atom-Prozessoren. Damit können OEMs ihr Gateway über einen extrem breiten Bereich auf unterschiedlichste Software-, Performance- und Kostenziele hin skalieren. Das Schnittstellenangebot ist unter anderem mit vier seriellen UART-Schnittstellen, RS232, zweimal TTL und dreimal USB sowie zweimal GbE klassisch industriell und damit für die Anbindung bestehender, zumeist kabelgebundener Installationen geeignet.

Ebenso auf Qseven-Modulen basierend – bei der IoT-Vernetzung allerdings speziell entwickelt für das LPWA- Protokoll LoRa (LPWA steht für Low Power Wide Area) – ist das Flexgate-Gateway von Expemb. Es ist ein Konzentrator für bis zu 62.500 über Funk angebundene smarte LoRa-Sensoren und -Devices. In Richtung zentrale Cloud kann das Gateway mit 1-Gbit-Ethernet, WLAN, 3G/4G oder Bluetooth kommunizieren. All diese Verbindungsmöglichkeiten stehen gleichzeitig auf dem Gateway zur Verfügung und ein Fallback kann bei Ausfall einer Verbindung nach verschiedenen Skripten individuell eingestellt werden. Eine breite Palette von I/Os in Richtung Feld – wie zwei USB-Ports, eine serielle Schnittstelle, GPIOs und Modbus-Feldbus-Unterstützung – ermöglicht zudem die Anbindung weiterer lokaler Geräte und Netze für jeden Bedarf.

Maschinen und Anlagenbauer, die ein noch flexibel auslegbares Gateway für ihre IoT-Sensor-Netzwerke be­nötigen, finden in dem Congatec-IoT-Gateway auch die passende dedizierte Hardware-Plattform. Es unterstützt bis zu sechs Module für unterschiedlichste Wireless-Schnittstellen – von LTE über WLAN, Bluetooth und Zigbee bis hin zu LPWA-Netzen wie Sigfox oder LoRa – und ist deshalb besonders flexibel in heterogenen Applikationen einsetzbar und kann zahlreiche im Einsatz befindliche Gateways auf eine Plattform hin konsolidieren.

Ist Server-Performance und Echtzeit-Kommunikation für Industrie-4.0-Applikationen gefragt, lassen sich außerdem auf Basis von COM-Express-Typ-7 smarte Industrieserver mit Echtzeit-Kommunikation über 10 Gbit Ethernet umsetzen. Bis zu vier GbE-Schnittstellen unterstützen darüber hinaus eine redundante und damit fehlertolerante Kommunikation für Hochverfügbarkeits-Gateways; mit bis zu 32 PCIe-Lanes ist auch jedwede Peripherie flexibel anzubinden.

Damit steht OEMs bereits eine breite Palette an IoT-Gateways zu Verfügung, die sich für den Einsatz des neuen Cloud-APIs für IoT-Gateways empfehlen. Sollte diese Auswahl nicht ausreichend sein, können optional applikationsfertige Designs über Congatecs Embedded Design und Manufacturing Services gefertigt werden. Mit erweitertem Support durch Standarisierungsinitiativen soll das Cloud-API für IoT-Gateways auch von weiteren Herstellern unterstützt werden. Da der Quellcode zudem in C++ zur Verfügung gestellt wird, besteht schon heute kein Investitionsrisiko. Maschinen- und Anlagenbauer sowie Automatisierungsanbieter sollten deshalb evaluieren, ob sie das Cloud-API für die Anbindung ihrer Lösungen an Clouds nutzen können, denn so sparen sie wertvolle Zeit und viele Zeilen Code bei der Entwicklung ihrer spezifischen Lösungen.

Autor:
Christian Eder ist Director Marketing bei Congatec.