Heute wollen Anwender ihre Geräte, Maschinen und Anlagen von jedem Ort der Welt erreichen: per Cloud-Anbindung mit Smartphones, Tablets oder Arbeitsplatzrechnern, zur Bedienung, Überwachung, Steuerung und Parametrierung, aber auch zur Sammlung von Zustandsdaten für die vorausschauende Instandhaltung. Manche nutzen diese Daten sogar zur Bildung von cyber-virtuellen Systemen. So entstehen unzählige Mehrwerte.

Mehrwerte durch IoT-Anbindung

Ein cyber-virtuelles System, das allgemein bekannt ist, kommt bereits für Verkehrsmeldungen und Navigationssysteme zum Einsatz: Verzögerungszeiten durch Staus können heute nämlich über die Lokalisierung von Mobiltelefonen ermittelt werden. Unzählige weitere Mehrwertdienste, die sich durch eine IoT-Anbindung generieren lassen, finden sich in vielen unterschiedlichen Branchen wie der Gebäude- und Industrieautomation, in Energie- und Verkehrsnetzen, in der Bahntechnik sowie in vielen weiteren Applikationen mit integrierter Mess-, Steuer- und Regeltechnik.

Bild 1: Die freie Topologie der IP-basierten IzoT-Plattform erleichtert die Verkabelung verteilter Field-Devices enorm. Es wird nur jeweils ein Terminator (T) pro Segment benötigt.

Bild 1: Die freie Topologie der IP-basierten IzoT-Plattform erleichtert die Verkabelung verteilter Field-Devices enorm. Es wird nur jeweils ein Terminator (T) pro Segment benötigt.Avnet Memec

Es geht bei zahlreichen IoT-Anwendungen aber nicht nur um Big Data und cyber-virtuelle Systeme. Die IoT-Anbindung kann auch für vergleichsweise einfache Dinge genutzt werden. Die Überwachung – oder Neudeutsch das „Condition Monitoring“ –  eines Lüfters kann beispielsweise wichtige Informationen über den Zustand des Kühlaggregats einer Kühltruhe oder eines Verkaufsautomaten liefern. Nutzen versprechen IoT-Apps neben den cyber-virtuellen Mehrwerten also oft auch für ein verbessertes Monitoring, Management & Wartung der dezentralen Devices.

Für die IoT-Anbindung ihrer Geräte, Maschinen und Anlagen integrieren Entwickler heute vielfach Gateway-Technologien – eine naheliegende Maßnahme wegen der Forderung nach eben dieser Anbindung. Denkt man den IoT-Gedanken jedoch konsequent weiter, so kann ein Gateway für eine lokale Infrastruktur – wie man sie beispielsweise in Waggons, industriellen Fertigungsanlagen, Klärwerken, Gebäuden oder Smart Cities findet – nur eine Art Überganglösung sein. Ein Internet-Protokoll (IP) -basierter, direkter Durchgriff auf die industriellen Netze und ihre vielen kleinen verteilten I/Os und Datenpakete ist nämlich nicht gegeben.

Natives IP bis ins Feld

Es können jedoch viele Vorteile aufgrund der Durchgängigkeit des IoTs bis hin zum kleinsten Field-Device erzielt werden, denn letztlich ist dies die Vollendung des Peer-to-Peer-Gedankens von Industrie 4.0. Das erfordert jedoch, dass jeder noch so kleine Knoten im Netz – sei es ein Schalter, Regler, Sensor oder Aktor – zum IoT hin mit dem Internet-Protokoll kommunizieren kann und eine eigenständige IP-Adresse erhält. Solche native IP-Devices sind für die Generierung und Analyse von Big Data nämlich eine deutlich bessere Wahl, als statische Gateways, die nur selektierte Segmente der Daten bereitstellen. Auch kann die direkte Kommunikation im Feld mit der durchgängigen Verwendung von IP weiter standardisiert und dadurch deutlich erleichtert werden.

Bild 2: Die IP-basierte Kommunikation der IzoT-Plattform baut auf der 25-jährigen Domain Expertise des Lontalk-Protokolls auf, das schon immer die Free Topology und freie Medienwahl unterstützte.

Bild 2: Die IP-basierte Kommunikation der IzoT-Plattform baut auf der 25-jährigen Domain Expertise des Lontalk-Protokolls auf, das schon immer die Free Topology und freie Medienwahl unterstützte.Avnet Memec

Will man aber überall ein achtadriges Ethernet-Kabel verlegen oder einen Mobilfunkanschluss integrieren? Sicherlich nicht! Eine solche Infrastruktur wäre viel zu aufwendig. Das weitere Eindringen des IoT ins Feld mit dem Ziel der Vernetzung aller I/Os mit IP kann deshalb nur dann umgesetzt werden, wenn die Verkabelung noch deutlich einfacher und flexibler wird. Das einfachste Medium ist dafür eine verdrillte Zweidrahtleitung, wie man sie von klassischen Telefonanschlüssen her kennt. Sie ist kostengünstig, zuverlässig und störfest. Sie findet zudem selbst in der Industrie über RS485-basierte Schnittstellen Anwendung.

Freie Topologie für die Zweitdrahtleitung

Wenn man diese einfache Zweidrahtverkabelung jetzt aber auch noch frei verlegen könnte, ohne sich an strikte Verdrahtungsvorgaben halten zu müssen – also beliebige Abzweige und Verästelungen an jedem Ort legen könnte bis hin zur Ringbildung – dann könnte man zum Beispiel jede Laterne in der Smart City und jede Unterputzdose im Gebäude und jeden Sensor/Aktor in Geräten, Maschinen und Anlagen mit äußerst geringem Aufwand zuverlässig vernetzen. Auch Erweiterungen werden dann leichter, da jedes neue Device jederzeit beliebig angeklemmt werden kann. Vorausgesetzt natürlich, diese Devices haben eine eigene IP-Adresse.

Die Grundlagen sind hierfür von der IP-Seite bereits geschaffen worden: Es steht mit IPV6 die kaum vorstellbare Anzahl von 2128 einzigartigen Adressen zur Verfügung. Doch kann man das IP, das bei Ethernet ja über acht Adern fließt, auch auf zwei Adern umsetzen? Und das noch bei einer freien Topologie? Klingt beinahe unmöglich. Ethernet-basiertes IP unterstützt zwar Star-, Dual-Star-, Full-Mesh- oder auch Ring-Topologien, aber zunächst immer nur eine Variante und nicht alles gleichzeitig und durchmischt.

Bild 3: Die neue Neuron-Chip-Familie FT6000 unterstützt Lontalk-, Lontalk/IP-, Bacnet/IP- sowie UDP-Interfaces und integriert auf dem 7 x 7 mm² großen SoC den Neuron Core-Speicher sowie einen 16 Byte UART-FIFO-Tranceiver.

Bild 3: Die neue Neuron-Chip-Familie FT6000 unterstützt Lontalk-, Lontalk/IP-, Bacnet/IP- sowie UDP-Interfaces und integriert auf dem 7 x 7 mm² großen SoC den Neuron Core-Speicher sowie einen 16 Byte UART-FIFO-Tranceiver. Avnet Memec

Muss also neben all den Standard- und Interoperabilitätsproblemen noch ein weiteres Fass aufgemacht werden, um ein neues Protokoll für ein Zweidraht-IoT zu entwickeln? Glücklicherweise nein, denn die Lonworks-Experten von Echelon haben mit der seit Ende 2014 verfügbaren IzoT-Plattform genau eine solche Free-Topologie (FT) für die Zweidraht-IP-Kommunikation geschaffen, die sowohl IP4- als auch IP6-Adressen unterstützt und damit zukunftssicher ist.

Bereits 110 Millionen installierte Netzwerkknoten

IzoT basiert dabei auf dem Lontalk-Protokoll, das bereits heute über 110 Millionen installierte Netzwerkknoten mit Neuron-Chips im Feldeinsatz hat – beispielsweise in Laternenmasten, Energiezählern, Solarparks, Raumthermostaten, Zugbremsen oder in industrieller Fördertechnik und Ähnliches. Stellt man sich vor, dass diese installierte Basis bereits IP-fähig wäre, kann man sich vorstellen, wofür die IP6-Adressierung gemacht wurde.

Diese installierte Basis und das Anwendungsfeld der Neuron-Chips ermöglicht es zugleich auch, die Prognosen der Analysten besser zu verstehen. Sie gehen nämlich in den nächsten Jahren von einer Anzahl von 28,1 Milliarden (IDC) bis 80 Milliarden (IDATE) IoT-Devices aus. Das sind zwar deutlich weniger, als der IPV6-Adressblock hergibt, es ist aber dennoch eine schier unvorstellbare Größe, die man sich besser vorstellen kann, wenn man davon ausgeht, dass jeder Laternenmast der Welt ein IoT-Knoten sein könnte.

Smarte Laternenmaste machen nebenbei gesagt sogar Sinn, denn neben einer Energieersparnis durch LED-Leuchten von 50 bis 70 Prozent können durch ein zusätzliches umgebungslichtabhängiges Dimmen nochmals bis zu 30 Prozent der verbliebenen Energiekosten gespart werden. Solche Investitionen amortisieren sich binnen vier Jahren. Warum schreibt die Politik dies also nicht genauso vor, wie den Abschied von der Glühbirne? Für die kaufmännische und CO2-Bilanz wäre es zu empfehlen!

Saubere Layer-Struktur

Doch zurück zur Technik. Wie kann man aus einem Feldbusprotokoll ein IP-Protokoll machen, das zudem noch frei verdrahtet werden kann? Indem man ein sauber nach dem OSI-Referenzmodell aufgebautes Protokoll, wie es Lontalk darstellt, im passenden Layer des sieben Schichten umfassenden OSI-Referenzmodells auf das Internet-Protokoll anpasst. Der besonders wichtige Application Layer (Layer 7), in dem über 25 Jahre hinweg viele Spezifikationen für Devices eingearbeitet worden sind, bliebe dabei 1:1 erhalten.

Bild 4: Avnet Memec hat unterschiedliche Starterkits für die neue IzoT-Plattform geschnürt, mit denen Entwickler sofort mit der Applikationsentwicklung beginnen können.

Bild 4: Avnet Memec hat unterschiedliche Starterkits für die neue IzoT-Plattform geschnürt, mit denen Entwickler sofort mit der Applikationsentwicklung beginnen können.Avnet Memec

In die Lontalk-Services der Layer 4 bis 7 wurde zudem einfach nur der IP/UDP-Stack integriert. Der Rest dieser Layer blieb unverändert erhalten. Das führt zur Abwärtskompatibilität der neuen IzoT-Plattform bei gleichzeitiger Bereitstellung der zuverlässigen Kommunikation von IP über frei definierbare Infrastruktur-Topologien. Layer 3 unterstützt nun UDP/IP und kann beispielsweise auch kabelloses 6LoWPAN integrieren. Der Layer 2 bleibt Link-spezifisch. Damit kann das IzoT-Protokoll also auch über jede beliebige Drahtleitung oder Wireless-Infrastrukturen angewandt werden. Das 7-Layer-Konzept ist sogar so flexibel, dass man in den Application Layer 7 sogar noch andere Applikationsprotokolle integrieren könnte.

Dementsprechend flexibel zeigt sich die neue Neuron-Chip-Familie FT6000 für das Zweidraht-IoT im Feld. Es gibt nicht nur eine Lösung für Lontalk über 2-Draht-IP sondern auch eine für Bacnet über 2-Draht-IP und letztlich ist sogar jegliche Applikation über 2-Draht-IP denkbar. Der Application Layer der neuen 7 × 7 mm² messenden Neuron-Chip-Familie kann nämlich für individuelle Kundenimplementierungen bedarfsgerecht angepasst werden. Voraussetzung hierfür ist jedoch ein sauberer Aufbau nach dem OSI-Referenzmodell und entsprechende OEM-Stückzahlen, die eine eigene Chip-Entwicklung und -Produktion rechtfertigen.

Optional auch freie Medienwahl

Für OEMs interessant ist zudem die Option, die Neuron-Chip-Familie FT6000 auch bei anderen Übertragungswegen wie beispielsweise Wireless oder Powerline einzusetzen. Diverse passende Transceiver sind hierfür am Markt erhältlich. Der freien Wahl der Topologie kann also auch eine Medienfreiheit hinzuaddiert werden. Eine Übersicht über das, was die neue IzoT unterstützende Neuron-Chipfamilie insgesamt ermöglicht, kann beim Distributor Avnet Memec jederzeit angefordert werden.

Aber nicht nur die neue Chip-Familie ist höchst flexibel und für eine Vielzahl von IoT-Applikationen geeignet. Auch die gesamte Entwicklungsumgebung und die Technologie für das Field-Deployment ist für Systemintegratoren tauglich und felderprobt. Verfügbar ist zudem ein eigenes Cloud-basiertes Management- und Kommissionierungssystem, das nahezu unzählige verteilte und Daten generierende Field-Devices verwalten kann.

Zur schnellen Entwicklung von Applikationen via verfügbaren Stacks (Device-, Server-Stack) steht eine Raspberry Pi basierte Plattform zur Verfügung, sodass Systemintegratoren und IT-Experten beim Geräte-, Maschinen- oder Anlagenbauer sofort mit der Entwicklung passender Knoten beginnen können. Der applikationsfertige Source Code für unterschiedlichste Szenarien wird für diese Plattformen sogar flexibel sowohl in C, C++ als auch Phyton bereitgestellt.

Eckdaten

  • Kommunikation über verdrillte Zweidrahtleitung
  • Free Topology: beliebige Netztopologien, auch gemischt
  • Unterstützt IP4 und IP6
  • Unterstützt bis zu 254 Netzwerk-Variable (NV) und 127 Aliasnamen sowie 254 Adresstabelleneinträge
  • Unterstützt Lontalk, IzoT/IP und Bacnet/IP
  • 48-Bit-IEEE-MAC-ID
  • Nutzerprogrammierbare Interrupts
  • Hardware-UART
  • 12 I/O-Pins mit 35 programmierbaren Standard-I/O-Modellen
  • Flash-File-System zur Datenspeicherung

Rundes Gesamtpaket

Die IzoT-Plattform stellt also bereits mit ihrer Markteinführung ein rundes Gesamtpaket bis hin zum mobilen Field-Device für Management, Überwachung und Wartung zur Verfügung, das andere in ihrer Gesamtheit erst noch entwickeln müssen. Die installierte Basis zeigt zudem auch, dass es sich hier um ein erprobtes Ökosystem handelt, das den Feldeinsatz bereits hundert Millionenfach bewiesen hat und für die eine Vielzahl von Spezifikationen der Nutzerorganisation Lonmark und Bacnet Intererst Group zur Verfügung steht. Wie die Kommunikation mit einer Pumpe oder einem Schalter abzulaufen hat, ist hier bereits spezifiziert. Für das Zweidraht-IoT fürs Feld braucht also niemand das Rad neu erfinden.

Eingesetzt werden kann es übrigens überall dort, wo die 8 Bit / 80 MHz der neuen Neuron-FT6000-Chips von Echelon und eine Datenübertragung von 78,1 Kbit/s ausreichen. Und das ist bei nahezu unendlich vielen Devices nicht nur in Smart Cities und Smart Grids sondern auch bei Schaltern und Tastern in vergleichsweise einfachen Geräten, Maschinen und Anlagen der Fall. Wenn es also für das Sammeln von Big Data beispielweise ausreicht, die Startzyklen einer Maschine zu zählen, können mit der IzoT-Plattform selbst die einfachsten Maschinen mit geringstem Aufwand ins Netz der Dinge integriert werden und das ganz ohne komplexe Gateway-Technologie.

Und falls sich jemand für das wichtige Thema Sicherheit interessiert: In der Roadmap von Echelon ist bereits die Familie Neuron FT7000 mit integrierten Sicherheitsfunktionen angekündigt. Aktuell spezifiziert ist eine Verschlüsselung mit AES-GCM 128 Bit/NIST zertifiziert nach FIPs 140-2 Level 1.