Kontron-Starter-Kit macht Raspberry-Pi-Design Fabrik-tauglich

Die Vorgaben zum Erfassen von Gesundheitsparametern bettlägeriger Patienten sind klar definiert: Es gilt, diese Werte laufend, berührungslos zu registrieren. Zudem muss das Gerät mobil und unsichtbar unter dem Krankenbett angebracht sein. Sobald Herz- und Atemfrequenz kritische Werte erreichen sowie bei der Dekubitus- und Sturzprophylaxe, sollte ein Signal Schwestern und Ärzte automatisch alarmieren. Kontron hat für einen Kunden eine solche Lösung entwickelt. Der Klinik waren dabei folgende Anforderungen wichtig:

• Unterstützung von Yocto-Linux,
• Support mehrerer Schnittstellen wie WLAN, LAN und Bluetooth,
• hohe Rechenleistung, die auch Machine Learning erlaubt, und
• ein zweiter unabhängiger Prozessor, um korrekte Messergebnisse zu gewährleisten.

Als Medizinprodukt muss das Instrument für die zweithöchste Sicherheitsklasse 2b zertifiziert sein. Damit spielt es in einer Liga mit Anästhesie- und Beatmungsgeräten. Außerdem sollte die mobile Mess-Station die Anforderungen in puncto Sicherheit und Ergonomie erfüllen, wie sie die EN 60601 für medizinische elektrische Geräte und in medizinischen Systemen definiert sind. Weitere Wünsche im Anforderungskatalog der Klinik: schnelle Umsetzung, Langzeitverfügbarkeit und ein gutes Preis-Leistungsverhältnis.

In einem Entwicklungs-Projekt zur Patientenüberwachung konnte sich ein Raspberry Module 3 gegen harte Konkurrenz durchsetzen. Gorodenkoff @Adobe Stock

Als Plattform entschieden sich die Entwickler für das damals aktuelle Rpi Compute Module 3, obwohl es die Kriterien Stromverbrauch und Langzeitverfügbarkeit nicht ganz erfüllte. Ein Manko, das die hohe Rechenleistung, der umfassende Linux-Support und die geringen Kosten aber wettmachten.

Der Prototyp bestand eine hohe Hürde, nämlich die der elektromagnetischen Verträglichkeit. Die Schnittstellen ließen sich mit Raspian OS verifizieren. Entwickler von Kontron und die Rpi-Community unterstützten das Implementieren des Prototyps auf Yocto-Linux, sodass die gewünschte mobile Messstation zuverlässig funktionierte und diese sich unsichtbar für den Patienten unter dem Bett installieren ließ.

Die Kontron KBox A-330-RPI basiert auf dem langfristig verfügbaren Raspberry Pi Compute Modul CM3+ und wurde um diverse industrielle Features ergänzt. Kontron

Starter-Kit um industrielle Standards erweitert

Raspberry PI ist in der industriell-kommerziellen Entwicklung nicht aufzuhalten, so jedenfalls die Erfahrungen von Kontron. Seit rund fünf Jahren beobachtet das Unternehmen, dass die von Kunden gelieferten Designs immer häufiger auf Rpi basieren. Ingenieuren und Entwicklern ist diese Plattform vertraut, sodass diese damit schnell Ergebnisse erzielen können. Eine Schwierigkeit bestand jedoch immer wieder: Der Weg vom Designentwurf zum serientauglichen Produkt war manchmal ernüchternd. Das komplette auf Rpi basierende Design, musste hard- und softwareseitig von Grund auf neu entwickelt werden. Für die Kunden ein entsprechend hoher finanzieller und zeitlicher Aufwand. Dadurch verzögerte sich die Markteinführung der Produkte.

Deshalb hat Kontron Standard-Industrie-Plattformen als Alternative oder Ergänzung zu Rpi konzipiert. Denn, wenn Rpi direkt produktiv in Serie genutzt werden kann, spart dies Zeit bei der Entwicklung und Prüfung von Designs auf einer neuen Plattform. Ist doch ein kurzes Time-to-Market für die Kunden enorm wichtig, um wettbewerbsfähig zu sein.

Deshalb hat Kontron das Starter-Kit, das die gleiche CPU wie das Compute Module Rpi 3 nutzt, um industrielle Standards ergänzt. Implementiert sind in der Industrie verbreitete Schnittstellen wie Ethernet, CAN, 1-Wire ( Dallas Semiconductor), RS-485 sowie RS-232, um die Abwärtskompatibilität zum Beispiel zu älteren Steuereinrichtungen sicher zu stellen. Zudem stehen Eingänge und Ausgänge für 24 V, analoge Eingänge von 0 bis 10 V und 0 bis 20 mA zur Verfügung. Weitere Merkmale sind der Verpolungsschutz und eine höhere Störfestigkeit gegenüber Umgebungseinflüssen.

Weitere Varianten sind geplant, zum Beispiel speziell für IoT-Gateways mit 24V-Stromversorgung, LAN-Schnittstelle, Security-Chip und entsprechende Konnektivität. Eine weitere Version soll auch Displays und Touch-Screens ansteuern können, zielt damit auf Anwendungsbereiche Web-Panel oder Digital Signage.

Mit dem Developer Kits für Raspberry Pi können Entwickler diese Plattform auch professionell nutzen. Neben dem Entwickler-Board sind ein Raspberry Pi Module 3 Light sowie eine SD-Card mit vorkonfiguriertem Raspian-Betriebssystem weitere Bestandteile. Kobtron

Im Vergleich: Rpi mit Arm Cortex Prozessoren

Neben dem Rpi Compute Module 3 gibt es auch zwei SOM-Varianten und ein SMARC-Modul mit der vergleichbaren Familie von Arm Cortex-A7 und Arm Cortex-A9 Quadcore Prozessoren sowie ein Qseven Modul mit dem Arm Cortex-A7. Somit besteht bei Projekten die Wahl, rein auf Basis der Anforderungen eine Hardware-Plattform zu spezifizieren. Bei dem skizzierten Projekt konnte sich das Rpi Compute Module 3 in vier Punkten gegenüber dem Arm Cortex-A9 quad und in drei Punkten gegenüber dem Arm Cortex-A7 durchsetzen. Die Kombination von Prozessorleistung, kurzer Time-to-Market-Phase und dem günstigen Preis-/Leistungsverhältnis prädestinierten Rpi besonders für die Serien-Entwicklung industrieller Lösungen. Letztendlich hängt die Prozessorauswahl immer von den individuellen Anforderungen der Anwendung ab, deshalb ist die Auswahl von Prozessoren und Formfaktoren von Vorteil.

Mittlerweile sind einige kommerzielle Projekte auf Basis von Rpi abgeschlossen. Eine erste Bilanz zeigt: Der günstige Ausgangspreis spiegelt sich am Ende nicht bei jedem Projekt im Endprodukt wider. Die Kosten für ein serienreifes Produkt waren manchmal höher als vom Kunden erwartet. Es zeigte sich, dass auch für Prototypen, die auf Basis von Rpi erstellt wurden, die laufende Beratung bei der Umsetzung finanziell zu Buche schlägt. Die entstehende Industrie-taugliche Plattform kostete in manchen Fällen so viel wie eine standardisierte Embedded Plattform.

Häufig ist der Preis des Mini-Computers nicht das einzig ausschlaggebende Argument: Einfach zu handhabende Software ist manchmal wichtiger. Durch das weit verbreitete Betriebssystem Raspian OS auf Basis von Linux lassen sich Software-Pakete bei Rpi leicht nachinstallieren. Das spart Zeit und Geld. Im Vergleich dazu ist Embedded Linux deutlich aufwendiger zu installieren und zu administrieren.

Die Beliebtheit von Rpi führte zu einer weltweiten Community, wie sie bei kommerziellen Unternehmen kaum denkbar ist. Man spricht sogar davon, dass Rpi global die größte Linux-Support-Community hat. Davon können indirekt auch Unternehmen profitieren.

Anbieter, die mehrere CPU-Plattformen unterstützen, brauchen deren Vergleich bei der Projekt-Definition nicht zu scheuen. Kontron

Bis Ende des Jahres 2018 wurde Rpi nach Zahlen der Raspberry Foundation rund 22 Millionen Mal verkauft. Auf eine vergleichbar große Nutzerbasis kommt kein Standard Industrie-PC. Das ist einerseits ein großes Plus, doch Open Source ist für industrielle Anwender nur bedingt von Vorteil. Zwar sind viele Anwendungen lizenzfrei verfügbar, wird aber der Source Code angepasst, muss auch dieser wieder unter freier Lizenz veröffentlicht werden. Dagegen spricht, dass Unternehmen und Organisationen oft nicht wollen, dass ihre Softwareentwicklungen kostenlos und allgemein verfügbar sind. Ein Manko, das auch dann gilt, wenn man nur einzelne Module aus bestehenden Applikationen verwendet. Üblicherweise müssen auch die daraus abgeleiteten Programme wieder lizenzfrei veröffentlicht werden. Wer allerdings nicht auf Linux angewiesen ist, kann auf der Plattform auch Windows IoT Core betreiben.

(sk)