Bild 1: Artista-IoT mit gestecktem CM3.

Bild 1: Artista-IoT mit gestecktem CM3. Distec

Bild 2: Starter-Kit mit 10-Finger-PCAP und 10,1-Zoll- SFT-Display.

Bild 2: Starter-Kit mit 10-Finger-PCAP und 10,1-Zoll- SFT-Display. Distec

Bei Industrie 4.0 geht es darum, die zahlreichen Glieder einer Prozesskette intelligent miteinander zu vernetzen. Dadurch sollen sich möglichst alle Schritte bis hinunter zu einzelnen Teilprozessen transparent darstellen und somit bis ins Detail analysieren lassen. Ziel ist es, die Prozesse vollautomatisiert optimal zu steuern und Produkte und Dienstleistungen mit maximaler Effizienz in den Markt zu bringen.

Um dieses Ziel zu erreichen, brauchen Computerprogramme Kennzahlen und davon selbstverständlich so viele wie nur möglich. Komplexe Algorithmen berechnen daraus einen optimalen Ablauf, der eventuell für den Menschen unnötig kompliziert und auf den ersten Blick nicht logisch erscheinen mag (wie beispielsweise die chaotische Lagerführung), welcher aber in Wahrheit hilft, den Durchsatz deutlich zu steigern. Die Kennzahlen werden im Idealfall direkt an der Quelle erhoben und per Internet oder Intranet an einen Server kommuniziert, der alle verfügbaren Informationen sammelt und danach versucht, den größtmöglichen Nutzen daraus zu ziehen. Das ist die Geburtsstunde des Internet der Dinge (auch Internet-of-Things oder IoT). Der Toaster meldet sozusagen mehr oder weniger direkt der Mühle, die passende Menge an Mehl zu disponieren, weil die Fabrik demnächst wieder Toastbrot herstellen möchte.

Wenn Dinge intelligent, also „smart“, werden müssen, brauchen sie ein „Gehirn“ in Form eines Mikrokontrollers. Das eigentliche Problem ist dabei nicht, einen Chip zu finden, der diesen Job übernehmen kann. Von größtenteils asiatischen Herstellern werden täglich neue Modelle auf den Markt gebracht. Das Problem ist dabei oft, dass mittelständische Anbieter von Nischenprodukten, die nicht in Millionenstückzahlen laufen, keinen entsprechenden Support der Chiphersteller bekommen. Die Bauteile sind zwar käuflich zu erwerben, aber schon bei der Dokumentation zeigen sich mitunter die ersten deutlichen Schwächen: Register sind teils gar nicht oder nur äußerst spärlich beschrieben.

Wenn man mit etwas Glück einen motivierten FAE erreichen kann, bekommt man vielleicht Registerwerte per E-Mail zugeschickt, die das aktuelle Problem lösen, aber keine Dokumentation dazu. Manchmal ist es erforderlich, Register zu setzen, die in keiner Dokumentation erwähnt werden. Die Frage ist: 0×11 löst zwar auf den ersten Blick mein Problem, wäre aber nicht vielleicht 0 × 12 noch viel besser für meine Zwecke?

Anforderungen kleinerer Anbieter

Für große Firmen mit riesigen Stückzahlen mag dieses Vorgehen durchaus richtig sein. Die Firma entwickelt ein Produkt, der FAE des Chipherstellers stellt alles ein, das Produkt geht in Serie und wird millionenfach verkauft, bevor der Nachfolger in gleicher Art und Weise entwickelt und vermarktet wird. Dabei kommt es vor allem darauf an, dass die Chips später möglichst billig eingekauft werden können. Was aber, wenn ein kleinerer Anbieter viele Varianten einer Plattform anbieten möchte? Wenn die Chips die Basis einer flexiblen Baugruppe darstellen sollen, müssen die Entwickler die Möglichkeiten des Bausteins in- und auswendig verstehen und neue Anforderungen rasch umsetzen können. Industrielle Projekte im Mittelstand können bei wenigen 100 Stück beginnen und trotzdem durchaus lukrativ sein. Dafür aber jedes Mal teilweise über Wochen hinweg mit einem FAE diskutieren zu müssen, kann für Entwickler sehr frustrierend sein.

Das Nadelöhr ist daher oftmals weder die Ausbildung, noch das Können der Ingenieure heutzutage, sondern vielmehr die Möglichkeiten des Zugriffs auf einen ordentlich dokumentierten Chip. Selbstverständlich ließe sich auch vieles durch cleveres Reverse-Engineering in Eigenregie erarbeiten, einer attraktiven Time-to-Market-Zeitspanne ist das allerdings nicht zuträglich. Auch ein diskreter Aufbau aus bekannten Komponenten ist häufig keine Alternative, da er um ein Vielfaches teurer ist.

Sechs Jahre Verfügbarkeit

Eine mögliche Lösung des Problems kommt dabei aus einer ungewöhnlichen Richtung: Nämlich aus dem Klassenzimmer. Der Raspberry Pi, der als Lehr- und Experimentierplatine konzipiert war, hat den Sprung in die Industrie geschafft. Die äußerst beliebte Plattform garantiert als neueste Ausbaustufe „Compute Module 3“ oder auch „CM3“ genannt sogar sechs Jahre Verfügbarkeit. Auch Anwender, denen die bisherige Leistung des alten Raspberry Pi nicht ausgereicht hat, werden vom neuen Modell äußerst positiv überrascht sein. Das kleine Kraftpaket bietet jetzt ausreichend Rechenleistung selbst für anspruchsvolle Applikationen. Die Hardware ist durch zahllose Schnittstellen äußerst flexibel. Als Betriebssystem kommt unter anderem das weit verbreitete Raspbian zum Einsatz, ein speziell auf die CPU des Raspberry Pi angepasster Debian-Linux-Ableger. Seit der Einführung des ersten Raspberry-Pi-Modules sind alle Modelle zueinander kompatibel und dasselbe OS läuft auf allen Versionen. Auch Windows 10 IoT oder Android Things sind lauffähig und bieten eine gute Basis, um eigene Projekte schnell aufsetzen zu können. Das größte Plus jedoch ist der gute Support durch die Community: Die Plattform ist bis ins Detail spezifiziert und dokumentiert, die Software Open Source. Für vielfältige Probleme gibt es entweder in den Foren bereits eine Lösung oder aber jemanden, der schnell und unkompliziert helfen kann.

Kein Kabelgewirr

Eine Besonderheit der „Compute Module“ ist, dass sie wie ein Arbeitsspeicherriegel in den Sockel eines Baseboards gesteckt werden können. Dadurch lassen sich eigene Plattformen ohne lästiges Kabelgewirr entwickeln (Bild 1). Das spart nicht nur Zeit in der Produktion, sondern verbessert auch die EMV und verkürzt damit den Zeitaufwand für die Zulassung. Es gibt bereits smarte Lösungen am Markt, welche zum Beispiel einen Scaler-Chip auf dem Baseboard benutzen, um komfortabel und flexibel nahezu alle gängigen TFT-Displays ohne zusätzliche Hardware direkt über LVDS anzusteuern. Die Besonderheit liegt dabei nicht darin, einfach nur ein Display anzubinden, sondern vielmehr auch Sonderfunktionen bereitzustellen: Dicom-Pre-Set für medizinische Anwendungen, Farbkalibrierungen zum Beispiel für maritime Einsatzzwecke, Gamma-Korrekturen und vieles mehr lassen sich so kinderleicht realisieren. Auch die Hintergrundbeleuchtung des LCDs lässt sich entweder automatisch durch einen Umgebungslichtsensor oder direkt durch ein On-Screen-Display mit separatem Keypad steuern.

Die Möglichkeiten, die diese Plattform bietet, gehen weit über die ursprünglich gedachte Lehrplattform hinaus. Der Raspberry Pi ist erwachsen geworden und eine echte Chance für kleinere und mittlere Unternehmen bei Industrie 4.0 und dem Internet-of-Things nicht den Anschluss zu verlieren. Dienstleister wie Distec mit Sitz in Germering bei München bieten basierend darauf innovative Produkte und Services „Made in Germany“ an, um die Integration in individuelle Anwendungen zu vereinfachen und das volle Potenzial des Raspberry Pi auszuschöpfen. Fertig konfigurierte Starter-Kits erleichtern den Einstieg und funktionieren Plug & Play direkt aus dem Karton.