Der Edge Node ist die Stelle, an der die physikalische Welt mit der Datenanalyse der Rechnerwelt interagiert. Vernetzte Industriemaschinen können eine Vielzahl von Informationen erfassen, die sich nutzen lassen, um Entscheidungen zu treffen. Der Sensor am Netzwerkrand (Edge-Sensor) befindet sich wahrscheinlich in einiger Entfernung vom Cloud-Server, der historische Analysen speichert. Er muss über ein Gateway verbunden werden, das die Daten am Netzwerkrand im Internet bündelt. Idealerweise hat der Edge-Sensor am Netzknoten nur kleine Abmessungen und eignet sich somit für platzkritische Umgebungen.

Erfassen, messen, interpretieren, verbinden

Bild 1: Ein Gerät für den Edge Node verfügt über Intelligenz, um Daten zu erfassen, zu messen und zu interpretieren und verbindet sich mit einem Gateway bzw. mit der Cloud.

Bild 1: Ein Gerät für den Edge Node verfügt über Intelligenz, um Daten zu erfassen, zu messen und zu interpretieren und verbindet sich mit einem Gateway bzw. mit der Cloud. Analog Devices

Egal ob es um das Erfassen, Messen, Interpretieren oder Verbinden von Daten geht: jeder Bereich bringt einzigartige Herausforderungen mit sich, auch hinsichtlich Powermanagement und Datensicherheit. Die intelligente Partitionierung des Edge Node kann dabei entscheidend sein für eine erfolgreiche Implementierung (Bild 1). In manchen Fällen ist ULP (Ultralow Power) die wichtigste Leistungskennzahl. Die überwiegende Mehrzahl potenzieller Daten lässt sich filtern, wenn der Sensor bei wichtigen Ereignissen aus dem Sleep-Modus erwacht.

Sensoren bilden das Front-end am Netzwerkrand des industriellen IoT-Elektronik-Ökosystems. Messungen transformieren die erfasste Information in etwas Sinnvolles, etwa einen quantifizierbaren Wert von Druck, Verschiebung oder Rotation. Die Interpretationsstufe ist die Stelle, an der Edge-Analyse und Verarbeitung die Messdaten in ein praktisches Ereignis transformiert. Nur die wichtigste Information sollte über den Netzknoten hinaus in die Cloud gelangen, um eine vorausschauende oder historische Verarbeitung durchzuführen. Auf der gesamten Signalkette lassen sich Daten je nach den anfänglichen Grenzen der Akzeptanz zurückweisen oder filtern. Im Idealfall sollte der Sensorknoten nur absolut notwendige Informationen senden und wichtige Entscheidungen treffen, sobald wesentliche Daten verfügbar sind.

Bild 2: Viele Ausgaben von Knoten am Netzwerkrand können autonom zur Bündelung an einen Gateway-Knoten geleitet werden.

Bild 2: Viele Ausgaben von Knoten am Netzwerkrand können autonom zur Bündelung an einen Gateway-Knoten geleitet werden. Analog Devices

Der Edge Node muss über einen leitungsgebundenen oder einen drahtlosen Sensorknoten (WSN, wireless sensor node) mit dem Netzwerk außerhalb verbunden sein (Bild 2). Datenintegrität bleibt in diesem Block der Signalkette entscheidend. Optimal erfasste und gemessene Daten sind von nur geringem Wert, wenn die Kommunikation inkonsistent, unterbrochen oder fehlerhaft ist. Mit elektrischem Rauschen behaftete Industrieumgebungen können rau und gnadenlos sein, speziell bei HF-Kommunikation in Anwesenheit von viel Metall. Daher kommt der Entwicklung eines robusten Kommunikationsprotokolls im Hinblick auf die Systemarchitektur hohe Bedeutung zu.

Powermanagement für ULP-Systeme beginnt mit der Auswahl von Reglerbauteilen für maximale Effizienz. Da Edge Nodes jedoch auch mit einem schnellen Tastverhältnis in den Sleep-Modus gelangen und aus diesem wieder erwachen können, dürfen Entwickler die Power-up- und Power-down-Zeit nicht vernachlässigen. Ein externer Trigger oder Wake-up-Befehl hilft bei der Fähigkeit, den Knoten am Netzwerkrand schnell zu alarmieren, um Daten zu erfassen und zu messen.

Datensicherheit muss bei einem IIoT-System ebenfalls Berücksichtigung finden. So müssen nicht nur die Daten innerhalb des Netzwerkrands sicher sein, sondern auch der Zugang zum Netzwerk-Gateway vor böswilligen Absichten geschützt werden. Ein Knoten am Netzwerkrand darf sich nicht manipulieren lassen, um Zugriff auf das Netzwerk für kriminelle Aktivitäten zu erhalten.

Intelligenz beginnt am Netzwerkrand

Eck-Daten

Am Netzwerkrand im IIoT interagiert die physikalische Welt mit der Datenanalyse der Rechnerwelt. Sensoren bilden dabei das Rückgrat beziehungsweise das zentrale Nervensystem zur Gewinnung von Einblicken in vernetzte Industriemaschinen. Der Beitrag von Analog Devices gibt einen Überblick über grundlegende Aspekte der Möglichkeiten zur Messung, Erfassung und Interpretation von Daten, das Powermanagement und die Datensicherheit. Zusätzlich beleuchtet der Autor die intelligente Partitionierung, was bei Entscheidungen in Echtzeit zu beachten ist und gibt Empfehlungen für die Auswahl eines geeigneten ADCs.

Es gibt zahlreiche Erfassungslösungen am Netzwerkrand, was nicht ein einziges diskretes Gerät sein muss. Der Netzwerkrand kann eine Vielzahl verschiedener gleichzeitiger, zusammenhangloser Datenerfassungen umfassen. Temperatur, Klang, Vibration, Druck, Luftfeuchte, Bewegung, Schadstoffe, Audio und Video sind nur einige der Variablen, die erfasst, verarbeitet und durch ein Gateway für eine weitere historische und vorausschauende Analyse an die Cloud geschickt werden können.

Die Sensoren bilden das Rückgrat im IIoT, genauer gesagt sind sie das zentrale Nervensystem zur Gewinnung von Einblicken. Die Erfassungs- und Messtechnologie im Knoten am Netzwerkrand ist der Entstehungsort der relevanten Daten. Falls in dieser Stufe der Lösungskette schlechte oder inkorrekte Daten aufgezeichnet werden, kann keine noch so intensive Nachverarbeitung in der Cloud diesen verlorenen Wert zurückgewinnen.

Anwendungskritische Systeme, beispielsweise aus dem Gesundheitswesen und aus dem Bereich Fabriküberwachung, erfordern eine solide Integrität von qualitätsbezogenen Datenmessungen. Die Datenqualität ist von höchster Bedeutung. Falsche Werte oder Versäumnisse können kostspielig und zeitraubend sein und möglicherweise die Gesundheit gefährden. Kostspielige Fehler führen letztlich zu außerplanmäßiger Wartung, ineffizienter Nutzung von Personal oder dazu, dass das IoT-System komplett abgeschaltet werden muss.

Mehr Daten, mehr Verantwortung

In älteren Signalketten ohne Intelligenz im Knoten am Netzwerkrand bleiben Daten nur Daten. Ein nicht intelligenter Knoten hilft niemals, Weisheit und Wissen zu erzeugen, um ausführbare Entscheidungen zu treffen. Es kann große Mengen von Rohdaten mit geringer Qualität geben, die sich nicht auf die relevante Systemleistungsfähigkeit auswirken. Außerdem kann sich die Wandlung der Daten und das Senden an ihren Speicherort in der Cloud als leistungshungrig und brandbreitenintensiv herausstellen.

Im Gegensatz dazu wandelt die intelligente Erfassung und Messung im Edge Node Daten in verwertbare Information. Ein intelligenter Netzknoten senkt die gesamte Leistungsaufnahme sowie die Latenz und spart Bandbreite. Dies ermöglicht den Übergang von einem reaktiven IoT mit langer Latenz hin zu einem Echtzeit- und vorhersagbaren IoT-Modell. Die Grundlagen der Entwicklung von analogen Signalketten gelten weiterhin auch für das IoT, wobei für komplexere Systeme ein tiefgehendes Know-how erforderlich ist, um die verarbeiteten Daten zu interpretieren.

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