Mit dem Einzug der Vernetzung im Zuge von Industrie 4.0 und IoT ist wieder ein neues Zeitalter der Automatisierung angebrochen. Um dieses Vorhaben in der Realität umzusetzen, müssen alle dafür notwendigen Daten zur Verfügung stehen. Bei weltweiter Betrachtung wären nicht genügend Energie und Speicherkapazität vorhanden, um alle Daten in einer Cloud zu speichern. Die Umsetzung dieser Vision hängt also von sinnvollen Konzepten ab. Wichtige Voraussetzungen dafür sind einerseits die Lokalisierung und Vernetzung aller Systeme sowie der Einsatz von energieeffizienten Systemen und andererseits das Übertragen von notwendigen Informationen anstelle von komplexen und großen Datenmengen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist ein ausreichendes Sicherheitskonzept bei der Vernetzung von Maschinen, Systemen und Geräten sowie der Übertragung und Vernetzung von sicherheitskritischen Informationen. Wer möchte es schon riskieren, dass seine Informationen und Daten durch weltweite Hacker, Sicherheitslücken oder unzureichenden Schutz der Öffentlichkeit oder sogar den Marktbegleitern zur Verfügung stehen? 

Unternehmen werden hier also vor zahlreiche Aufgaben gestellt, für die entsprechend der projektspezifischen Anforderungen eine Lösung zu finden ist. Ein Lösungsansatz sind Embedded-Module und Systemlösungen auf ARM-Basis. Sie bieten ein schlüssiges System- und Sicherheitskonzept. Neben den in der CPU integrierten Hardware-basierenden Security-Funktionen gibt es bereits viele Software­lösungen, um sichere und zuverlässige Systeme zu realisieren. Gerade ARM-basierende Embedded-Systeme sind hinsichtlich der Energie-Effizienz eine ideale Plattform zur Umsetzung von Projekten in Anlehnung an die Anforderungen von IoT und Industrie 4.0. 

Hohe Performance

Ein wesentlicher Vorteil: ARM hat gegenüber den anderen Architekturen wie zum Beispiel Intel, AMD oder Power PC die höchste Performance per Chipfläche und ist führend in der Chiptechnologie. Zudem ist bei den ARM-basierenden CPUs mehrerer Hersteller derzeit eine rasante Weiterentwicklung zu beobachten: In puncto Leis­tungsfähigkeit bietet ARM neben den aktuellen Rechenkernen mit 32-Bit-Architektur wie Cortex A7, Cortex A8 und Cortex A9 auch Rechenkerne, die auf einer 64-Bit-Architektur aufbauen, wie Cortex A53 oder Cortex A72. Diese können trotz der steigenden Leistungsfähigkeit weiterhin ein sehr gutes Verhältnis zwischen Rechenleistung und Verlustleistung aufweisen.

Diesen Vorteil nutzen die ARM-Chiphersteller und integrieren für fast jeden Markt die entsprechenden anwendungsspezifischen Schnittstellen, um den neuen Marktanforderungen gerade im Bereich der Vernetzung unter Berücksich­tigung von hohen Sicherheitsstandards standhalten zu können. Ein preis- und funktionsoptimiertes Derivat auf Basis verschiedener ARM-Rechenkerne ist für fast alle Branchen verfügbar, ob für die Automobilindustrie, den Bereich Networking, die Automatisierung oder die Steuer- und Regelungstechnik. 

Zudem zeichnet sich ab, dass zukünftig weitere Sicherheitsfunktionen integriert werden. Ein weiterer Punkt ist der Bereich der Datenübertragung. Hier gewinnen auch immer mehr drahtlose Netzwerke an Bedeutung: Neben WiFi und Zigbee zeichnet sich ab, dass sich in der Industrie das sogenannte LoRaWan (Long Range Wide Area Network) durchsetzt.

Der Vorteil von LoRaWan ist, dass eine größere Reichweite (im Stadtgebiet circa 15 km, in ländlichen Gegenden bis zu 40 km) erreicht werden kann. Ein weiterer Pluspunkt ist die Nutzungsmöglichkeit innerhalb von Gebäuden, da aufgrund des Frequenzbandes eine gute Durchdringung erreicht wird. Und der Strombedarf von LoRaWan-Endgeräten beträgt nur rund 10 mA im Betrieb sowie circa 100 nA im Ruhemodus. Das ermöglicht darüber hinaus den Einsatz in batteriebetriebenen Geräten. Die Kommunikation zwischen den Endgeräten und den Gateways erfolgt auf verschiedenen Frequenzkanälen mit unterschiedlichen Datenraten, die zwischen 0,3 kbit/s und 50 kbit/s liegen. Gerade diese Merkmale machen im IoT-Bereich eine drahtlose Vernetzung einfacher und kostengünstiger. Eine Ankopplung eines LoRaWan-Moduls kann bequem über USB, SPI oder PCIe erfolgen. Für LoRaWan-Lösungen werden für die ARM-basierenden CPUs und den unterstützten Betriebssystemen wie Linux, QNX ein guter Treibersupport angeboten.

Vielseitige Schnittstellen

Bei ARM-basierenden CPUs verschiedener Hersteller sind viele Schnittstellen wie Grafik, Ethernet, CAN, ADCs, SPI und Digitale IOs bereits in die CPU integriert. Dies bedeutet, dass sich aufgrund der Vielseitigkeit der Schnittstellen die meisten Systemanforderungen zur Anbindung von geeigneten Sensoren und Systemen zur Datenerfassung ohne großen Zusatzaufwand umsetzen lassen.

Durch die Schnittstellenvielfalt und die freie Auswahl eines Betriebssystems sind die ARM-basierenden Prozessoren universell einsetzbar. Getrieben durch die gute Applikationsunterstützung der CPU-Hersteller für verschiedene Marktsegmente werden immer mehr Geräte auf Basis dieser Architektur entwickelt.

Für die ARM-CPUs werden speziell auf den Prozessortyp angepasste Betriebssys­teme eingesetzt. In Abhängigkeit der Projekt­anforderungen kann ein entsprechendes OS wie Linux, QNX, VxWorks oder ein Realtime OS von Green Hills oder Bare Metal ausgewählt werden. Dies hat den Vorteil, dass dem Anwender das Optimum an Performance zur Verfügung steht. Somit lassen sich auch komplexe Steuerungen im Bereich der Automatisierung mit doch schon sehr ansprechender Grafikleistung realisieren, die ohne großen Overhead eines Betriebssystems auskommen.

Die Embedded-Spezialisten von TQ haben sich die Vorteile hinsichtlich Verlustleistung, Funktionsumfang, Sicherheitskonzepte und Preisvorteil der ARM-Architektur zunutze gemacht: Auf Basis verfügbarer CPUs haben sie neue Embedded-Module und Systeme entwickelt und geplant, um Kunden weiterhin innovative Produkte für Anwendungen in den Bereichen IoT und Industrie 4.0 anbieten zu können. Hierfür bietet TQ zwei neue Plattformen, die einmal auf dem i.MX6UL- und zum anderen auf dem LS1012A-Prozessor basieren.

Datenhandling bei ARM-Systemen

Neben der sicheren und robusten Hardware ist ein wesentlicher Bestandteil einer IoT-/Industrie-4.0-Lösung die Software. Daraus resultiert die Anforderung, dass auf erzeugte Daten überall und jederzeit zugegriffen werden kann. Zudem soll das Ganze noch sicher vor Angriffen oder Missbrauch geschützt sein. Eine Möglichkeit ist eine private Cloud, auf die nur ein gewisser Anwenderbereich exklusiv Zugriff hat.

Blockschaltbild des auf ARM-Architektur basierenden Single-Board-Computer MBa6ULxL.

© TQ-Group

Das erfordert jedoch zunehmende Rechenleis­tung und somit eine unerwünscht höhere Verlustleistung. Für mittlerweile auch kleine Rechenkerne im ARM-Bereich gibt es Datenbanken, die diesen Anforderungen nachkommen: Bei wenig Rechenleistung werden aus den erzeugten Daten alle benötigten Informationen für Anwender und berechtigte Nutzer bereitgehalten.

Im IoT erzeugen Sensorgeräte ein unermessliches Datenvolumen, das über unzählige dezentrale Netzwerke verteilt wird. Während ein Großteil dieser Daten an zentralisierte Cloud-Services gesendet wird, werden Router, Gateways oder Edge-Geräte ermächtigt, Daten für lokale Analysen und Abfragen zu speichern und zu verwalten. Das Verlassen auf Back-End- oder Cloud-Services würde die Menge an Informationen, die erfasst werden kann, einschränken und ernsthafte Sicherheits­risiken darstellen.

Einsatz einer SQL-Datenbank

Für nicht so leistungsstarke Embedded-Systeme ermöglicht eine SQL-Datenbank, dass Rohdaten in aussagekräftige Informationen komprimiert werden. Durch die Identifizierung von wiederkehrenden Informationen und das Vergleichen von bestimmten Mustern über verschiedene Datenquellen hinweg kann ein Embedded-System intelligente Entscheidungen treffen und hilfreiche Vorschläge für das Bereithalten der Informationen geben. Datenbank-Indizes sorgen dafür, dass Daten mit gleichbleibender Leistung und ohne Overhead verarbeitet werden können, unabhängig davon, welches Datenvolumen auf jedem einzelnen Gerät aufgezeichnet wird.

Für die maschinennahe Auswertung in IoT-­Geräten eignet sich eine SQL-Datenbank.

© TQ-Group

Datenbank-Transaktionen schützen die Daten zur gleichen Zeit und verhindern eine Korruption nach unerwartetem Systemausfall. Der Einsatz einer SQL-Datenbank ermöglicht durch ein Multitasking-Verfahren die Erledigung von mehreren Zugriffen gleichzeitig. Eine einzelne Datenbank-Datei wird dabei sicher und effizient geteilt.

Anwender sollten möglichst kein kundenspezifisches Datenmanagement-Framework implementieren, da dies meist sehr kostspielig werden kann und zudem oft nicht das gewünschte Ergebnis bringt. Hier ist ein Markt-Trend zu erkennen: Die Anforderungen werden bevorzugt über eine gut gestützte und bereits vom Hersteller erprobte Bibliothekslösung realisiert. Diese bietet eine einfache Entwicklung und Wartbarkeit in Verbindung mit einem Embedded-ARM-Modul. Wenn Entwick-ler bei einer Entwicklung auf ein TQ-Modul oder eine Plattform mit bereits angepasster ITTIA-SQL-Datenbank-Lösung setzen, können sie sich vor allem auf ihre Appli­kationsentwicklung konzentrieren und sich auf einen Lösungsbaustein verlassen, um die beste Datenmanagement-Konfiguration für die jeweils geplante Anwendung zu er­halten.

Gerade im Bereich der Embedded-Lösungen stellt die ARM-Architektur mit ihrem auf diesen Bereich ausgerichteten Eco-System eine zuverlässige, robuste und langzeitverfügbare Plattform für Lösungen der Zukunft dar.

Autor: 
Konrad Zöpf ist Produktmanager für ­ARM-Geräte bei der TQ-Group.

Partnerschaft mit ITTIA

Das Technologie-Unternehmen TQ und ITTIA haben Ende Februar eine Partnerschaft geschlossen. Künftig bieten sie gemeinsam eine Kombination aus Embedded-Hardware und Datenbank-Softwarelösung. Mit dieser sollen Daten in der Industrieautomation, Automobilindustrie, intelligenten Verbrauchsmessung und in anderen Bereichen auf einfache Weise verwaltet und miteinander verknüpft werden können. Die ARM-Architekturplattformen und die Datenbanksoftware von ITTIA DB SQL zeichnen sich dabei durch ihre Skalierbarkeit aus. 

In Kombination mit dem Hardware-Portfolio der TQ-Gruppe bietet die Embedded-SQL-Datenbanksoftware von ITTIA Vorteile wie einfache Entwicklung, hohe Leistungsfähigkeit und integrierte Datenverwaltungsfähigkeiten ohne einen Datenbank-Administrator. Die Daten werden direkt in jedem Gerät gespeichert und über das Gerät selbst verwaltet. Die von ITTIA und TQ bereitgestellte Flexibilität bedeutet einen Mehrwert und reduziert den Bedarf an Engineering-Ressourcen für die Entwicklung von Gerätelösungen, die Daten zuverlässig verknüpfen und verwalten sollen.

Dank der Partnerschaft von ITTIA und TQ sind Kunden nun in der Lage, signifikante Arbeits- und Massenspeicher-Ressourcen dafür zu nutzen, um vollständige SQL-Abfragen unter besonderer Berücksichtigung der Standards auszuführen und die Vernetzung mit anderen Embedded-Systemen und der Cloud herzustellen. Durch die Einbindung der SQL-Datenbanksoftware von ITTIA können Embedded-Systeme von TQ Daten intern erfassen, speichern und auswerten, sodass lediglich die notwendigen Informationen sowohl für die lokale Verarbeitung als auch die Fernanalyse zur Verfügung stehen. Die Geräte können direkt miteinander kommunizieren, Daten bei Bedarf abrufen und SQL-Abfragen über ein lokales Netzwerk mit dem SQL-Datenbankserver ausführen. Darüber hinaus stellt die ITTIA-Software den Schutz und die Replikation kritischer Daten für TQ-Anwendungen über mehrere Netzwerk-Knoten sicher.