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(Bild: Fotolia/Sashkin)

Embedded- und IoT-Systementwickler brauchen deutlich mehr Designeffizienz, da sie zunehmend mehr neue Produktdesigns in gleicher oder gar kürzerer Zeit entwickeln müssen. Auch werden die Anforderungen an die Systementwicklung komplexer. Dieser Herausforderung können sie nur dadurch begegnen, dass sie von einem komplett eigenentwickelten Design auf ein flexibleres Design auf Basis von standardisierten Building Blocks wechseln. Hierzu zählen beispielsweise applikationsfertige Computer-on-Module. Sie stellen den zentralen Computing-Core bereits als applikationsfertige Komponente bereit, der auch schon alle benötigten Treiber mitbringt. Über das Carrierboard werden dann die dedizierten Interfaces ausgeführt – und zwar nur die benötigten an den geforderten Positionen.

Design-Guides unterstützen Entwickler bei der richtigen Auslegung solcher Carrierboards. Zudem stehen oftmals schon Schaltpläne als perfekte Vorlage für eigene Designs kostenlos zur Verfügung. Die hohe Skalierbarkeit der Module sichert dabei langfristig die NRE-Kosten von Gateway-Designs, was einen maximalen Ertrag über Dekaden hinweg ermöglicht. Die umfangreiche Wettbewerbslandschaft mit zahlreichen Moduleherstellern sorgt nicht nur für konkurrenzfähige Preise, sondern bietet darüber hinaus auch ein umfassendes Ökosystem mit zahlreichen Alternativangeboten und umfassendem Zubehör. Unabhängige Standardisierungsgremien wie die SGET und die PICMG sorgen zudem für eine herstellerunabhängige Weiterentwicklung der Standards.

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Bild 1: Das Ziel des ComX-Standards ist es, eine zusätzliche Standardisierung von APIs und Design-Ins oberhalb der Kern-Standards zu etablieren. Congatec

Man kann diese Effizienz jedoch noch weiter steigern, indem man eine zusätzliche Standardisierung oberhalb der Computer-on-Module zentrischen Spezifikationen anbietet. Ein Beispiel hierfür ist die Standardisierung von Cloud-APIs für die Integration von standardisierten Gateway-Funktionen in Embedded Devices (Bild 1), denn solche Standardisierungen werden bislang nicht von den Standardisierungsgremien wie SGET und PICMG abgedeckt. Warum die Bildung von standardisierten Building Blocks auf diesem Level so wichtig ist, kann man leicht erahnen, wenn man solche Gateway-Technologien mit Übersetzungsmaschinen vergleicht. Sie sind heute schon sehr leistungsfähig, schnell und universell für nahezu alle Sprachen einsetzbar. Es wird aber wohl noch Jahre brauchen, bis Systeme als „Out-of-the-Box“-Lösung zur Verfügung stehen, die die jeweilige Sprache identifizieren, sie übersetzen und dies in einer Tonalität, die so ausgefeilt und präzise ist wie natürliche Muttersprache.

Universelle Übersetzungsmaschine nicht in Sicht

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Bild 2: IoT-Gateways müssen heutzutage den gesamten Kommunikationsfluss orchestrieren, von den unterschiedlichen Sensoren im Feld bis zu den spezifischen Clouds, in denen die Daten konsolidiert werden. Congatec

Deshalb wird es noch Jahre dauern, bis es Übersetzungsmaschinen gibt, die alle industriellen Einheiten und Messgrößen korrekt in einheitliche Maßeinheiten überführen. Dies ist zwar prinzipiell möglich und wird wohl auch deutlich einfacher zu entwickeln sein als eine intelligente Übersetzungsmaschine mit einem wirklich natürlichen Sprachgebrauch. Bis aber universelle industrielle Übersetzungsmaschinen für alle industriellen Protokolle und vor allem auch Sensordaten verfügbar sind, müssen Entwickler ihre IoT-Gateways mit deutlich weniger intelligenten Methoden, wie beispielsweise Tabellen oder dedizierten Datenbanken „trainieren“, um ihre spezifischen Übersetzungs- und Entscheidungsprozesse in ihren aktuellen, oft höchst diversifizierter IoT-Applikationen zu adressieren. Und genau hierfür brauchen sie ein Gerüst, eine Grundlage, an der sie sich orientieren können. Eine Standardisierung ist also auch hier erforderlich, um die Designeffizienz zu steigern.

Die ComX-Standardisierungsinitiative, die von Congatec auf der ESEC in Japan angekündigt wurde, geht deshalb weit über die aktuellen Spezifikationen für Computer-on-Module hinaus und definiert zwei tragende Säulen:

  • Die Standardisierung von APIs und die Standardisierung von Middleware – inklusive APIs für IoT-Gateways oder Embedded Features von COM Express Typ 7 Computer-on-Modulen
  • Verifizierte Schaltpläne und Schaltungslogik für wichtige Carrierboard-Implementierungen wie die FPGA-Integration, Switching-Logik für USB-C oder smarte Batterielogik

Eine der ersten ComX-Initiativen, die gestartet werden sollen und an denen sich auch andere Embedded-Computer-Hersteller beteiligen sollen, ist die API-Standardisierung für die Kommunikation von Gateways und Fog-Servern mit den zentralen Management-Clouds (Bild 2).

Cloud-API für IoT-Gateways

Der neue Standard für Cloud-APIs für IoT-Gateways und Edge Server soll als universeller Hub zwischen den lokalen Sensornetzwerken und den IoT-Clouds dienen. Dafür soll er vor Ort mit intelligenten Sensoren kommunizieren, ihre Daten verarbeiten und konvertieren und über die lokale Rule-Engine automatisierte Aktionen ausführen können. Das reduziert den Datenverkehr zur IoT-Cloud und ermöglicht schnelle Reaktionen vor Ort. Für den sicheren bidirektionalen Datenaustausch mit jeder geeigneten Cloud kann hier das TLS-gesicherte MQTT-Protokoll dienen. Einen entsprechenden Lösungsvorschlag hat Congatec dazu bereits vorgelegt.

Clients können mit ihm auf die Cloud im Admin- oder User-Modus via https zugreifen. In der Summe machen diese Features das neue Cloud-API für IoT-Gateways zum idealen Sprungbrett für OEMs, die auf intelligente Sensornetzwerke über IoT-Gateways und IoT-Edge-Server zugreifen wollen und dafür das umfassende Board- und Modul-Angebot von COM Express, Qseven und SMARC bis zu Pico-ITX und Mini-ITX Motherboards sowie verschiedene IoT-Gateway-Designs nutzen.

Für jedwede lokale Sensornetzwerke

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Bild 3: Das Congatec Cloud-API für IoT-Gateways ermöglicht die universelle Integration heterogener Sensornetzwerke und verschiedener Datenbankimplementierungen in IoT-Clouds. Congatec

Entwickler können das neue Cloud-API für IoT-Gateways in jedes lokale Sensornetzwerk integrieren. Es kann mit lokalen Sensoren aller Art kommunizieren (Bild 3). Das erste Referenzdesign des APIs kommuniziert mit einem Bluetooth-LE-Sensornetzwerk. Referenzdesigns für andere drahtlose Sensornetzwerke wie zum Beispiel ZigBee oder LoRa sowie auch drahtgebundene Lösungen für die industrielle oder Gebäudeautomatisierung lassen sich natürlich auch implementieren. Sogar heterogene Protokoll-Konfigurationen und die Kommunikation mit weiteren Gateways für einen lokalen Datenaustausch in Echtzeit in größeren Installationen sind möglich. Ein Paradebeispiel dafür sind Industrie 4.0 vernetzte Maschinen und Anlagen.

Congatec hat das Cloud-API bereits als Demosystem auf seinem IoT-Gateway integriert. Dieses ist nicht nur über Qseven-Module hoch skalierbar sondern bietet auch vielfältige Erweiterungsoptionen für kundenspezifische Konfigurationen. Eine solche offene Best-Practice-Lösung ist ideal für OEMs, um ihre spezifische IoT-Applikation zu evaluieren.

 

Lesen Sie auf der nächsten Seite: Funktionsmodule für unterschiedliche Anwendungen.

 

Funktionsmodule für unterschiedliche Anforderungen

Die wesentlichen Softwaremodule der applikationsfertigen Best-Practice-Lösung sind die Funktionsbausteine des Congatec Cloud-API sowie das Demo- und Testmodul für betreiberunabhängige IoT-Clouds. Die Softwaremodule des Cloud-API vereinheitlichen über die Sensor-Engine die Protokoll- und Device-unabhängige Kommunikation mit den angebundenen Sensoren und Aktoren. Zudem standardisieren sie die Messwerte auf definierbare physikalische Einheiten und prüfen sie auf Sinnhaftigkeit.

Die CGOS-Bibliothek bindet zudem die relevanten Systemparameter des Gateways ein – beispielsweise CPU-Auslastung, CPU- und Boardtemperaturen, Intrusion Detection und Festplattenstatus sowie Watchdog-Timer. Über die Rule-Engine können im lokalen Gateway verzögerungsfreie und verbindungsunabhängiges Messaging und Aktionen definiert werden. Die Communication-Engine standardisiert die verschlüsselte und betreiberunabhängige Cloud-Kommunikation über drahtlose oder drahtgebundene Internetverbindungen.

Mit dem Demo- und Testmodul für IoT-Clouds können Entwickler die Datenspeicherung in der Cloud definieren. Zudem können sie hier zentrale Messaging- und Control-Regeln für die Steuerung der IoT-Applikation anlegen, weitere Eskalationsszenarien definieren sowie auch Dashboards für Remote-Clients bereitstellen. Kernfunktion ist jedoch das Cloud-API, das den Zugriff auf das IoT-Gateway und seine lokal angebunden Sensornetzwerke integriert, da Congatec davon ausgeht, dass jeder Lösungsanbieter eine ganz spezifische Cloud- und Datenbankanbindung braucht und im Wesentlichen nur die Kommunikation zum Feld hin als applikationsfertige Funktionsbausteine benötigt.

Die Softwaremodule des Cloud-API sowie das Demo- und Testmodul für betreiberunabhängige IoT-Clouds erhalten Kunden auf Anfrage im Quellcode, sodass sie ihre eigenen Applikationen auf Basis dieses Referenzdesign für Linux oder Windows schnell und effizient integrieren können. Sollten OEM weitere Softwaredienstleistungen rund um das Cloud-API und seine Anbindung an die Cloud und an Sensornetzwerke wünschen, bietet Congatec bei Bedarf ebenfalls allen benötigten Support.

Weitere Elemente der ComX-Roadmap

Weitere Beispiele für eine ComX-Standardisierung jenseits der bisherigen modulzentrischen Spezifikationen sind auch prozessorunabhängige Implementierungen auf einem Carrierboard. So kann ein intelligent designtes Carrierboard beispielsweise den Sound über I2S bei ARM und HDA bei x86 automatisch ausführen. Auch die komplexe Implementierung eines vollständigen USB-Typ-C-Ports mit USB 3.1 Gen 1, bis zu 120 Watt Stromversorgung sowie Grafiksignalen kann damit vereinheitlicht werden. Eine solch universell einsetzbare Plug&Play-Funktionalität vereinfacht nämlich den Einsatz von Embedded-Technologie signifikant. Zwar sind USB-C-Buchsen mit vollem Funktionsumfang noch selten, repräsentieren aber einen echten Durchbruch in der Standardisierung der fragmentierten Welt kabelgebundener externer Schnittstellen. Und für leistungsfähige Edge-Server für Industrie-4.0-Applikationen auf Basis von COM Express type 7 erweitert ComX die EAPI-Standardisierung auf die Serverfunktionalität bis hin zum Server typischen Out-of-Band-Management.

Mit jedem neuen Embedded Computing Building Block, der standardisiert wird, werden Zielkunden deutlich entlastet und der Einsatz von Embedded Computer Technologie erleichtert. Die ComX-Standardisierung hat deshalb das Potenzial, zukünftig ein wesentliches Differenzierungsmerkmal gegenüber zunehmend vergleichbarer Hardware zu werden, die keine ComX-Standardisierung hat.

Eck-DATEN

Die ComX-Standardisierungsinitiative von Congatec setzt zum einen auf die Standardisierung von APIs und die Standardisierung von Middleware – inklusive APIs für IoT-Gateways oder Embedded Features von COM Express Typ 7 Computer-on-Modulen. Zum andere gehören aber auch verifizierte Schaltpläne und Schaltungslogik für wichtige Carrierboard-Implementierungen wie die FPGA-Integration, Switching-Logik für USB-C oder smarte Batterielogik dazu. Eine der ersten ComX-Initiativen, an denen sich auch andere Embedded-Computer-Hersteller beteiligen sollen, ist die API-Standardisierung für die Kommunikation von Gateways und Fog-Servern mit den zentralen Management-Clouds.

Christian Eder

ComX
(Bild: Congatec)
Director Marketing bei Congatec

(ku)

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