ARM-basiertes Edge Computing im öffentlichen Personenverkehr

In den meisten Städten und dichtbesiedelten Gebieten ist eine Bandbreite von 3G mit bis zu 7,2 MBit/s oder LTE mit bis zu 3,9 GBit/s verfügbar. Das reicht aus um auch hohe Datenvolumina – etwa von verschiedenen Überwachungskameras – in die Clouds zu laden. Die Frage ist also heute nicht mehr, ob eine Verbindung mit ausreichender Bandbreite zur Verfügung steht, sondern ob der Anwender sie nutzen will und ob diese Bandbreite in sein Budget passt.

Um smarte Busse mit der Cloud zu verbinden, ist ein Edge-Computer an Bord erforderlich, der alle relevanten internen Komponenten anbindet einschließlich Borddisplay mit Touchscreen (2), Passagier-Infotainment-Anzeigetafeln sowie Ticketleser und -entwerter (6+7). Zudem sind natürlich CAN-Busse und K-Line-Konnektivität enthalten (3+5). Congatec

Die wichtigste Herausforderung liegt darin, die Anwendung maßgeschneidert für die jeweilige Flotte einzurichten und eine leistungsfähige und bedarfsgerecht skalierbare Edge-Computing-Plattform zur Verfügung zu stellen, die alle erforderlichen Services abdecken kann, sodass der Anwender aus einem breiten Serviceangebot frei wählen und innerhalb dieser Services unterschiedliche Konfigurationen selektieren kann. Dazu gehören:

• Fahrzeugortung und Rückverfolgung von Servicepünklichkeit (1)
• Borddisplay mit verschiedenen Funktionen wie etwa Navigation (2)
• Treibstoffverbrauchsanzeige mit spezifischen Zielsetzungen für jede Route (3)
• Sprachgesteuerte Anruffunktion zwischen Fahrer und Leitzentrale (4)
• Überwachung der Funktionen des Fahrzeugs mit Alarmfunktion durch mehrere CAN-Busse etwa für Antrieb, Komfortfunktionen und Diagnose (5)
• Ticketsystem mit Entwertern und/oder Ticketdruckern (6)
• Passagierinformation an den Haltestellen durch Displays und Durchsagen (7)
• Integration von Digital Signage mit standortbasiertem Content (7)
• Videoüberwachung mit verschiedenen Kameras mit sowohl Videorekorderfunktion als auch Streaming in die Leitwarte (8)
• Wi-Fi als Service für die Passagiere mit Bandbreitenkontrolle, Contentfilter und Zugangsportal zur Rückverfolgung der Passagiere und Statistiken

Modulare Herangehensweise für Flottenservices und Hardware-Plattform

Der Fleet-Edge-Computer DCB bündelt alle erforderlichen fahrzeuginternen Funktionen und bietet durch den Einsatz von Qseven-Computer-on-Modules eine weit skalierbare ARM-Prozessor-Performance. Congatec

Datik verfolgt eine modulare Herangehensweise sowohl für die Flottenservices als auch für die zugrundeliegende Hardware-Plattform, die für Datenverarbeitung und Kommunikation an Bord zum Einsatz kommt. Anwender können sich die gewünschten Services bedarfsgerecht zusammenstellen und innerhalb dieser Services eine Auswahl unter verschiedenen Optionen treffen. Beispiel: Für ein Pünktlichkeitstracking lassen sich die Ankunftszeiten entweder nur auf dem Display des Fahrers und in der Verwaltungscloud oder auch auf weiteren Bildschirmen im Bus sowie an Haltestellen anzeigen. Eine zusätzliche App für iOS und Android rundet das Serviceangebot für Fahrer und Passagiere ab. Die gleiche modulare Herangehensweise gilt für die gesamte angebundene Peripherie wie etwa Ticketentwerter und -drucker. Ebenfalls möglich sind flexible Display- und Videoüberwachungs-Konfigurationen mit bis zu vier Kameras.

Um alle diese verschiedenen Bedürfnisse mit nur einer einzigen, robusten Low-Power Edge-Computing-Plattform zu adressieren, suchte das Unternehmen nach einem RISC-basierten Architekturdesign, mit dem sich der Computing-Core einfach wechseln lässt, um die Performance bedarfsgerecht auslegen zu können. Fündig wurde das Unternehmen bei Computer-on-Modules auf Basis des Qseven-Formfaktors.

Standardisierte Computer-on-Modules

Computer-on-Modules sind standardisierte und applikationsfertige Rechenkerne für kundenspezifische Systeme. Die Vorteile dieser Komponenten bestehen nicht nur in einer kürzeren Stückliste für den Einkauf, sondern auch in erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen im Vergleich zu kompletten Sonderanfertigungen. Erhältlich sind die Module mit einem applikationsfertigen Board Support Package (BSP), oft auch mit PCB- und Interface-Layoutmustern für die kundenspezifischen Carrier-Boards, die nur an die jeweilige Applikation angepasst werden müssen. Dies ermöglicht es OEMs, die Vorteile eines komplett kundenspezifischen Designs mit den Vorzügen einer schnellen Produkteinführung sowie der Kosteneffizienz kommerzieller Standardlösungen (COTS) zu verbinden.

Darüber hinaus bietet die Modularität von CoMs auch eine hohe Skalierbarkeit sowie Langlebigkeit der jeweiligen Lösung, da sich die Module unabhängig von den Modul- und Prozessorherstellern problemlos austauschen lassen. Dies macht standardisierte Computer-on-Modules viel attraktiver für Designer von ARM/RISC-basierten Plattformen als proprietäre modulare oder prozessorspezifische Evaluierungsplattformen, da diese zwangsläufig zu teureren, komplett kundenspezifischen Spezialanfertigungen führen. CoM minimieren zudem viele Arbeitsschritte innerhalb des gesamten Lebenszyklus, da angebundene Systeme konstante Updates wie Treiber- oder Firmware-Updates benötigen, die Modul-Anbieter jedoch standardmäßig mitliefern. Dank Standardisierung wird die Spezifikation auch herstellerunabhängig verwaltet, was eine stabile und zuverlässige Weiterentwicklung der Spezifikationen ermöglicht.

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Der Conga-QMX6 mit dem Quad-Core-i-MX6-Prozessor von NXP ist das modulare Rechenwerk der Datik-Computing-Plattform. Es ist für alle Flottenmanagement-Funktionen wie Navigation, Fahrerinformation, Videoüberwachung, Passagier-Infotainment und Cloud-Kommunikation verantwortlich. Ein Nachfolger könnte ein NXP-I.MX8-Prozessor-basiertes Design sein. Congatec

Unter den verfügbaren Computer-on-Module-Standards hatte Datik die Wahl zwischen Qseven und Smarc. Beide Formate unterstützen RISC/ARM und x86-Prozessortechnologien, während COM Express nur x86 unterstützt. Am Ende überzeugte Qseven aufgrund seines hohen Marktanteils. Damit ist sichergestellt, dass dieses Format für viele weitere Jahre unterstützt wird. Der Erfolgstrend von Qseven wird sich durch steigenden Umsatz und eine weitere Verbreitung in den nächsten Jahren verfestigen, da kleine Format-Designs ein Wachstumsmarkt sind. Smarc war keine Option, da die neue 2.0-Spezifikation damals noch nicht verfügbar war und der Marktanteil noch sehr niedrig ist. Aus Datiks Sicht ist ein Umstieg auf Smarc 2.0 nur in den Fällen erforderlich, bei denen mehr als drei unabhängige Displays von einer einzigen Plattform betrieben werden.

Bestückt hat Datik seine vielseitig einsetzbare Plattform mit den Qseven-Modulen Conga-QMX6 mit leistungsstarken NXP-i.MX6-Prozessoren. Die ARM-Cortex-9-basierte Prozessorfamilie bietet eine breite Skalierbarkeit von Single- über Dual- bis hin zu Quad-Core-Optionen. Darüber hinaus bieten die Prozessoren eine starke Rechenleistung in Kombination mit einer leistungsstarken Grafik für mehrere Displays und binden eine hardwarebasierte Videodecodierungs- und -encodierungsmaschine ein, die für die Videoüberwachung von entscheidender Bedeutung ist. Zudem ist die i.MX6-Prozessorfamilie für Automotive-Anwendungen qualifiziert und damit ideal für Datiks Anforderungen. Ein weiterer Vorteil dieser Prozessoren ist, dass sie in punkto Betriebssystemsupport umfassend unterstützt werden, darunter auch Android und das Yocto-Projekt. Dies macht Entwickler unabhängig von der zugrundeliegenden Prozessorarchitektur, die Datik für seine Plattform nutzt. Um die verschiedenen Aufgaben auf einem Qseven-Modul ausführen zu können, wählte Datik die Quad-Core-Option mit vierfacher 1.0-GHz-Performance.

Erweiterung der Skalierbarkeit über i.MX6 hinaus

Der Support unterschiedlicher Betriebssysteme ebnet dem Unternehmen den Weg, um pozenziell auch Module mit anderen Prozessortechnologien nutzen zu können. Hier bietet Qseven vielfältige Möglichkeiten: Das verfügbare Portfolio umfasst die neuesten Intel-Atom-, Celeron- und Pentium-Prozessoren sowie AMD Embedded G-Serien APUs. Diese breite Skalierbarkeit ermöglicht es Herstellern wie Datik, Produkte in verschiedenen Leistungsklassen anzubieten, indem sie einfach die serienmäßig verfügbaren Module auswechseln.

Datik hat bereits einen Performance Booster für zukünftige Systemverbesserungen ausgemacht – keinen der oben genannten, sondern ein Qseven-Modul mit I.MX8-Prozessor. Diese neue Generation wird voraussichtlich bald verfügbar sein. Ein gutes Beispiel, das die Vorteile eines modularen Ansatzes mit standardisierten Computer-on-Modules im Vergleich zu einem komplett kundenspezifischen Design zeigt: Mit standardisierten Computer-on-Modules muss der Kunde sich lediglich das neue Modul liefern lassen: Einstecken – testen – fertig. Daher sollten Entwickler von ARM/RISC-basierten Applikationen die Verwendung von Computer-on-Modules auf Basis des Qseven- oder Smarc-Formfaktors in Erwägung ziehen, denn auch der i.MX8-Prozessor wird eines Tages einen Nachfolger haben.

Die Funktionen des Fahrzeugcomputers

Zu guter Letzt noch ein Blick noch auf den Funktionsumfang des lüfterlosen Systems: Das Quad-Core-Datik-Computing-Brain (DCB) -System läuft mit Embedded Linux auf Basis von Yocto. Die Passagier-Infotainment-Displays werden per HDMI angeschlossen, das Fahrerdisplay mit Touchscreen über VGA. Bis zu vier Kameras – mit Infrarot-Sicht bei eingeschränktem Licht – können angeschlossen werden. Für Fahrgastinformation, Fahrerankündigungen und die Kommunikation mit der Zentrale stehen Audio-Ein- und -Ausgänge zur Verfügung.

Zwei Fahrzeugstecker bieten relevante Schnittstellen wie 3 × CAN-Bus und eine K-Leitung für die Fahrzeugdiagnose, 2 × RS-232/RS-485 für Peripheriegeräte wie Displays oder Drucker, 1 × Kilometerzähler sowie 12 digitale Eingänge und 4 digitale Ausgänge mit Diagnose. Über entsprechende Schnittstellen finden auch GPS-, Wi-Fi- und 3G-Antennen Anschluss. Darüber hinaus bietet das System 3 × USB sowie 1 × Gigabit-Ethernet für Ticketentwerter und weitere Konnektivität. Betriebssystem, Systemdaten und Anwendungssoftware wie die Navigationssoftware werden auf einer 4 GB SSD gespeichert, die Videodaten der Überwachungskameras lassen sich auf einer zweiten 250 GB großen SSD speichern.

Datik hat Congatec als Modullieferanten ausgewählt, da das Unternehmen in diesem Markt hinlänglich bekannt ist und in Spanien mit Matrix über einen starken lokalen Vertriebspartner verfügt. Auch empfindet das Unternehmen das EOL- und Upgrade-Management als sehr komfortabel. Kunden können neue Lösungen schnell testen und validieren.

Computerverhalten in tropischen Gebieten

Datiks cloudbasierte Flottenmanagement-Lösung „iPanel“ mit der DCB-Edge-Computing-Plattform auf Basis von Qseven-Computer-on-Modules von Congatec ist bereits in Südeuropa, Frankreich und Spanien sowie in Lateinamerika im Einsatz, weitere Regionen werden folgen. Da viele dieser Länder tropischen Klimazonen angehören, müssen die Systeme extremen Temperaturumgebungen und hoher Luftfeuchtigkeit standhalten. Daher ist das Systemdesign für den Betrieb bei Temperaturen von 0 bis 60 °C geeignet und zudem gegen Stöße und Vibrationen geschützt.

(ah)