Applikationen für das industrielle Internet der Dinge, wie smarte Fabriken oder smarte Städte, benötigen eine Vielzahl an drahtlosen Systemen, die mit verschiedensten Sensoren und Aktoren ausgerüstet sind. Diese Geräte müssen häufig für sehr lange Zeiträume in rauen HF-Umgebungen arbeiten, und dabei periodisch Umweltdaten oder Daten industrieller Prozesse erfassen. Unglücklicherweise erfordert die heutige Generation von industriellen Messlösungen einen hohen Aufwand bezüglich Entwicklung, Installation, Integration und Management, um in großem Maßstab robuste IoT-Lösungen zu realisieren.

Die meisten Anwender kämpfen deshalb mit dieser Komplexität und den damit verbundenen Kosten. Um die Gesamtbetriebskosten für industrielle IoT-Szenarien drastisch zu reduzieren, ist eine Lösung nötig, die eine einfache Integration von Messperipherie von Fremdherstellern mit bestehenden Applikationen sowie zuverlässige und sichere Netzwerke mit sehr geringem Leistungsbedarf und Online-Cloud-Diensten zum Sammeln und Speichern von Sensordaten kombiniert.

MicroPnP

Bild 1: Kompakt und robust: die MicroPnP-Plattform. Linear

Dieser Artikel beschreibt die MicroPnP-Plattform (Bild 1), eine auf Standards basierende „Sensing-as-a-Service“-Lösung von Versasense, die eine Plug-and-Play-Integration von messtechnischer und Aktor-Peripheriekomponenten, die skalierbare Überwachung und Steuerung von Geräten rund um die Uhr in unterschiedlichen Standorten sowie eine sichere End-to-End-Kommunikation realisiert. Im Gegensatz zu traditionellen industriellen IoT-Lösungen setzt MicroPnP auf eine neue Methode, um die Enwicklungskomplexität und damit auch die die Gesamtbetriebskosten von industriellen IoT-Systemen zu senken.

Die Plug-and-Play-Integration von Peripherieelementen wird mithilfe von passiven elektrischen Komponenten realisiert, die als effizienter Mechanismus zur Erkennung und Identifizierung von im Laufe der Zeit neu angeschlossener Mess- oder Aktorperipherie genutzt werden. Der MicroPnP-Softwarestack wiederum implementiert Lösungen für eine sichere Geräteinbetriebnahme, automatische Firmware-Aktualisierungen über die Funkstrecke sowie APIs zur Integration von erfassten Peripheriedaten in Online-Cloud-Dienste. Und schließlich verwendet MicroPnP die SmartMesh-IP-Lösung von Linear, die eine Netzwerkzuverlässigkeit von über 99,999 Prozent selbst in rauen HF-Umgebungen erreicht und somit ein Jahrzehnt an Batteriebetriebszeit ermöglicht.

MicroPnP ist das Ergebnis jahrzehntelanger Forschungsarbeit und wurde 2015 in der internationalen IPSO-Challenge ausgezeichnet, einem jährlich stattfindenden Wettbewerb, der von der IPSO-Alliance organisiert wird. Die IPSO-Alliance fördert aktiv den Einsatz von offenen Protokollen und Standards (zum Beispiel das Internet-Protokoll (IP) und entsprechende IETF-Protokolle) zum Aufbau der nächsten Generation von smarten Objekten. Bereits heute wird MicroPnP erfolgreich in industriellen Szenarien in aller Welt eingesetzt, die von der Überwachung von Datenzentren und der Tierhaltung bis hin zur Überwachung in der Öl- und Gasindustrie erreichen.

Die MicroPnP-Lösung im Überblick

MicroPnP bietet einen kohärenten Hardware- und Software-Werkzeugkasten, der die automatische Erfassung und Konfigurierung von eingebetteten Messperipherien in das IoT erlaubt. Zu den wesentlichen Merkmalen dieser Lösung gehören die folgenden Punkte:

Integration der Peripherie ohne Konfigurationsaufwand: MicroPnP erkennt automatisch alle verbundenen eingebetteten Mess- und Aktor-Peripheriekomponenten und installiert die entsprechende Treibersoftware. Dieses Verfahren basiert auf passiven elektrischen Komponenten mit geringem Leistungsbedarf, wobei das Erkennen einer Peripheriekomponente rund eine Million mal weniger Leistung beansprucht als bei traditionellen Lösungen wie USB oder FireWire. Darüber hinaus ist diese Methode sehr preiswert und flexibel, was es ermöglicht, jeden bestehenden IoT-Sensor oder -Aktor unmittelbar als MicroPnP-Peripheriekomponente neu zu verpacken.

Automatische Software-Installation und -Wartung: Ist eine Peripherie einmal in eine MicroPnP-Komponente eingebunden, wird sämtliche benötigte Treibersoftware automatisch vom Netzwerk-Gateway angefordert und anschließend automatisch über die Luftstrecke installiert. Von diesem Moment an ist die Peripherie voll funktionsfähig und für den Endanwender für den Fernzugriff verfügbar. Um weitere Applikationsentwickler einzubinden, hat der Netzwerk-Manager spezielle APIs, um alle Geräte abzufragen und Sensordaten direkt in die Cloud zu übergeben.

Zuverlässiges Mesh-Netzwerk mit geringem Leistungsbedarf: Auf der Netzwerkebene ist MicroPnP mit der SmartMesh-IP von Linear für eingebettete drahtlose Mesh-Netzwerke ausgestattet. SmartMesh-IP ist eine kommerzielle Implementierung des TSCH-Modus (Time Slottted Channel Hopping) der IEEE 802.15.4e und kombiniert eine hohe Leistung mit guten Vernetzungsfähigkeiten und der einfachen Anwendung von IPv6. Um die hohe Datenzuverlässigkeit bei Anwesenheit von HF-Interferenzen, Multi-Path-Fading und anderen Umweltfaktoren sicherzustellen, kombiniert TSCH ein Reservierungs-basiertes TDMA-Schema (Time Division Multiple Access) mit Kanalsprungverfahren. Durch das kontinuierliche Überwachen des Zustands des Netzwerks und dem Optimieren des TSCH-Zeitplans für jedes Gerät kann ein MicroPnP-Netzwerk autonom für ein ganzes Jahrzehnt mit nur zwei AA-Batterien arbeiten.

Vermeiden von Festlegen auf Lieferanten durch offene Standards und Protokolle: Der MicroPnP-Protokoll-Stack von jedem Gerät entspricht vollständig den Standards IEEE, IEFT und IPSO und kann deshalb einfach die Lösungen von Fremdanbietern integrieren. Auf dem Link-Layer nutzt die SmartMesh-IP IEEE 802.15.4e TSCH, während der traditionelle IPv6-fähige „obere Stack“ aus IEFT-6LoWPAN, UDP und CoAP zusammengesetzt ist. Zusätzlich adaptiert jede MicroPnP-Peripherie das IPSO-Datenmodell, das das Interoperabilitätsproblem zwischen heterogenen Geräten und Applikationen von Fremdanbietern löst. Das IPSO-Datenmodell definiert ein gemeinsames Objekt-Modell, das aus einer URL-Template und standardisierten Sätzen von Datentypen besteht, die es der Applikationssoftware erlauben, sinnvoll mit Geräten zu interagieren, einschließlich mit der Software in anderen Geräten.

Kein Aufwand für die Applikationsentwicklung und Integration: Eine Suite an Software-Bibliotheken (verfügbar in Javascript, Java und NodeJS) bietet programmatischen Zugang zu MicroPnP-geeigneten Netzwerken und erlaubt gleichzeitig die Einrichtung von NAT-erprobten Verbindungen zwischen den Applikationen der Endanwender und den MicroPnP-Geräten. Da diese Bibliotheken direkt in den MicroPnP-Software-Stacks in jedem Gerät, Netzwerk-Gateway und Cloud-Element integriert sind, befähigen sie jeden, innerhalb von Minuten vollständige IoT-Systeme aufzubauen.

 

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