Das einzig Beständige ist der Wandel. Diese Weisheit gilt auch für eingebettete Systeme. Die Embedded-Systems-Boards wurden in der Vergangenheit für zahlreiche Applikationen immer leistungsfähiger hinsichtlich Prozessorleistung und Speichermöglichkeiten. Die jeweiligen Baugruppen sind als zentrale Instanzen für anspruchsvolle Datenverarbeitungsaufgaben und Bedienkonzepte im Einsatz. Bedingt durch das Internet of Things (IoT) und Industrie 4.0 und die damit einhergehende vertikale und horizontale Vernetzung verlagern sich nun ressourcenintensive Datenspeicher- und Analyseaufgaben vom Embedded-System in die Cloud. Des Weiteren ersetzen Smartphones als externe Bedieneinheiten hochauflösende LCDs und Touchscreens am Embedded-System. Dadurch sinkt der Ressourcenbedarf vor Ort sehr deutlich, gleichzeitig sind aber zusätzliche Wireless-Schnittstellen und Softwarekomponenten für die Kommunikation erforderlich.

Eckdaten

Im Internet der Dinge kommt der Kommunikation und dem Datenaustausch zwischen den Embedded-Systemen in den verbundenen „Dingen“ und der Cloud eine zentrale Bedeutung zu. Dies kann direkt, per App oder mit moderner Smartphone-Technologie erfolgen.

Die meisten der bis 2020 im IoT vernetzten „Connected Things“ werden für Datensammel- und Monitoringaufgaben zum Einsatz kommen. Jedes „Thing“ enthält ein Embedded-System mit speziellen Kommunikationsschnittstellen und mindestens einen Sensor, der den Things-Anbieter über eine Cloud mit Daten versorgt. Über diese Daten stehen dem Nutzer dann spezielle Zusatzfunktionen zur Verfügung. Das Embedded-System benötigt eine direkte oder indirekte Cloud-Verbindung, beispielsweise über eine geeignete Middleware sowie eine virtuelle Repräsentanz als Datenabbild in der Cloud. In einer solchen dezentralen Architektur existieren über die Cloud geräteunabhängige Serviceschnittstellen, die unterschiedlichen (Smart-Service-)Anwendungen den Zugriff auf die Daten einzelner Objekte ermöglichen. Die vielfältigen Möglichkeiten und Kommunikationsanforderungen zukünftiger Einsatzszenarien für Embedded-Systeme zeigen im Folgenden einige Beispiele aus der Automatisierungswelt auf.

Direkt in die Cloud

Eine vernetzungsfähige Automatisierungsbaugruppe, zum Beispiel eine Steuerung, soll mit einer Cloud verbunden werden, um eine vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) für eine komplexe Antriebsbaugruppe oder eine komplette Maschine zu ermöglichen. Trendvorhersagen durch Auswertungen größerer Datenmengen praktiziert das IT-Umfeld schon seit Jahren unter dem Sammelbegriff Predictive Analytics. Aus diesem Grund gibt es in verschiedenen Cloud-Serviceplattformen hochentwickelte und praxiserprobte Dienste, die sich auch zur Vorhersage der Ausfallwahrscheinlichkeit einzelner Maschinenkomponenten und somit zum Festlegen geeigneter Wartungstermine eignen.

Um solche Services zu nutzen, muss man vor Ort geeignete Daten erfassen und in die Cloud transportieren (Device-2-Cloud). Dabei sind nicht nur funktionale Aspekte, sondern auch der Datenschutz und die IT-Security zu beachten. Da die Steuerung in diesem Szenario lediglich eine einfache Industrial-Ethernet-Schnittstelle besitzt, ist beispielsweise eine Middleware-Softwarekomponente (virtuelles Gateway) als Bindeglied zur Cloud erforderlich. Des Weiteren reichen die in der Steuerung vorhandenen Daten häufig für eine effektive Predictive Maintenance nicht aus. Es sind daher zusätzliche Sensoren im Umfeld der Steuerung erforderlich, die ausschließlich als Datenquelle für die IT-gestützte vorausschauende Wartung dienen.

Vielfach ist ein Embedded-System nicht direkt, sondern über ein virtuelles Behältnis mit der Cloud verbunden.

Vielfach ist ein Embedded-System nicht direkt, sondern über ein virtuelles Behältnis mit der Cloud verbunden. SSV Software Systems

In der Praxis lassen sich die Steuerungsdaten zusammen mit weiteren Messdaten aus externen Smart Connected Sensors zunächst in einem virtuellen Behältnis, beispielsweise einem Docker-Container als Middleware oder Private-Cloud) zusammenfassen und in einer virtuellen Repräsentanz als Objekt- und Datenschnittstelle speichern. Von dort aus lassen sich selektive Dateneinheiten zur Auswertung an den Predictive-Service einer Public Cloud weitergeben. Das Vorhersageergebnis stellt ein solcher Cloud-Service in der Regel per Dashboard oder entsprechender Webserviceschnittstellen für ERP- und MES-Anwendungen zur Verfügung. Bei Bedarf ist aus dem Dashboard heraus auch eine Alarmierung der Serviceverantwortlichen möglich. Zusätzlich kann eine beliebige Monitoringanwendung direkt auf die virtuelle Repräsentanz zugreifen, um einen echtzeitbasierten Alarmierungs- und Benachrichtigungsservice zu schaffen.

Per App in die Cloud

In unzähligen Embedded-System-basierten Automatisierungsbaugruppen stecken inzwischen sehr wertvolle Zustandsdaten, auf die innerhalb der normalen Betriebsumgebung bisher kein Zugriff besteht. So haben zum Beispiel pneumatische Subsysteme vielfach eine interne Intelligenz, die Condition-Monitoring-Daten erzeugt und speichert. Aus diesen Daten lässt sich beispielsweise bestimmen, wie oft ein Ventil oder eine Hydraulikeinheit benutzt wurde und wann man sie warten oder austauschen sollte. Da sehr häufig als einzige Schnittstelle nur eine Verbindung zur übergeordneten Steuerung existiert, von der das Subsystem lediglich Aktorbefehle empfängt, bleiben solche wichtigen Daten ungenutzt, weil im normalen Betrieb keine Zugriffsmöglichkeit besteht.

In umgekehrter Richtung sieht es ähnlich aus. Intelligente Sensor- und Aktorbaugruppen bieten vielfältige Konfigurationseinstellungen und Diagnosemöglichkeiten. Für die Steuerung stehen in der Regel eine Programmierschnittstelle und die entsprechenden Engineering-Softwarewerkzeuge zur Verfügung, für periphere Funktionseinheiten hingegen nicht. Nur ein Servicetechniker mit entsprechender Spezialausrüstung kann auf die Daten zugreifen.

Der Zugriff auf die aktuellen Zustands- und Diagnosedaten wäre jedoch relativ einfach möglich, wenn die zum Einsatz kommenden Embedded-Systeme zusätzlich eine Nahbereichsfunkschnittstelle, beispielsweise BLE (Bluetooth Low Energy) oder NFC (Near Field Communication) besäßen. Da die meisten der im vergangenen Jahr weltweit verkauften 1,4 Milliarden Smartphones von Haus aus mit solchen Schnittstellen ausgestattet sind, sollten Embedded-Systeme in Automatisierungsbaugruppen ebenfalls mindestens eine der beiden Funkschnittstellen besitzen. Mittels einer speziellen Smartphone-App wäre dann das direkte Auslesen selektiver Zustandsdaten und erforderlichenfalls auch ein schreibender Zugriff auf bestimmte Konfigurationsdaten möglich (Device-2-App). Darüber hinaus ist die zum Einsatz kommende App in der Lage, die ausgelesenen Daten oder die neuen Konfigurationseinstellungen an eine Private- oder Public-Cloud weiterzuleiten beziehungsweise Historien- und andere Konfigurationsdaten aus der Cloud hinzuzuziehen und dem App-Benutzer darüber wertvolle Zusatzinformationen anzubieten.

Smartphones eignen sich hervorragend für die Kommunikation mit eingebetteten Systemen.

Smartphones eignen sich hervorragend für die Kommunikation mit eingebetteten Systemen. SSV Software Systems

Es geht auch ohne App

Smartphones eigenen sich hervorragend für die Kommunikation mit eingebetteten Systemen. Ein Nachteil ist allerdings, dass man für jede Anwendung zuvor eine spezielle App installieren muss. Hier kann die Idee des Physical Web aus dem Hause Google zu einer deutlichen Verbesserung führen. Die Google-Entwickler verfolgen das Ziel, Datenzugriffe und Benutzerinteraktionen mit beliebigen IoT-Objekten zu ermöglichen, ohne zuvor eine objektspezifische App installieren zu müssen. Dabei sollen nur offene Internet-Standard-Bausteine und Webtechnologien, wie beispielsweise URL, HTTP, HTML, Java-Script, Web-Sockets und CSS zum Einsatz kommen.

Die wichtigste Grundidee des Physical Web ist es, jedem IoT-Objekt eine einfache aber eindeutige URL zuzuweisen, über die sich eine dem Objekt zugeordnete Webseite aufrufen lässt. Anders als beispielsweise bei einem QR-Code wird dieser Weblink allerdings nicht ausgedruckt, auf das Objekt geklebt und mit einem Smartphone eingelesen. Im Physical Web versendet ein Objekt die URL als Broadcast-Beacon periodisch per Bluetooth an die Umgebung. Ein Smartphone kann alle Beacons im Umfeld des jeweiligen Standorts empfangen und die dazugehörenden Weblinks anzeigen. Durch einen Klick des Smartphone-Benutzers auf einen Link wird dann die betreffende Objekt-Webseite aus dem Internet geladen und mit einem Webbrowser geöffnet. Parallel zum URL-Versand kann das Embedded-Systems-basierte Objekt über eine weitere Schnittstelle mit einer IoT-Plattform in der Cloud beliebige Daten austauschen, die in die jeweilige Webseite eingebunden sind. Dadurch besteht für den Smartphone-Nutzer die Möglichkeit der direkten Interaktion mit dem in das Objekt eingebettete System.