Kontron_Raspberry_DevBoard

Das Developer Kit für Raspberry Pi umfasst ein Entwickler-Board nach SBC-Spezifikationen, ein Raspberry Pi Compute Modul 3 Light sowie eine SD-Card mit vorkonfiguriertem Raspian-Betriebssystem. (Bild: Kontron)

Es gibt keinen Zweifel darüber, wie beliebt und verbreitet der Minicomputer Raspberry Pi unter Makern und Entwicklern ist. Ende 2017 lag die Verkaufszahl bei rund 17 Millionen. Auf eine vergleichbar große Nutzerbasis kommt kein Standard-Industriecomputer. Ist der Raspberry Pi also immer noch eine reine Bastler-Plattform? Oder ist er durch die Community und die technische Weiterentwicklung nicht ausgereifter als gedacht und taugt für den kommerziellen Einsatz?

Der Aufstieg des Raspberry Pi in die Profi-Liga ist nach den Erfahrungen von Kontron Electronics, vormals Exceet Electronics, nicht aufzuhalten. Seit rund fünf Jahren beobachtet Kontron, dass die von Kunden gelieferten Designs immer häufiger auf Prototypen auf Basis von Raspberry Pi entwickelt werden. Heutige Ingenieure und Entwickler haben auf Raspberry ihre ersten elektronischen Gehversuche gemacht, weil der Minicomputer erschwinglich und leicht zu bedienen war. In Schulen und Universitäten waren und sind die Einstiegsvarianten zu Lehr- und Übungszwecken beliebt und erprobt. Daran ist auch Kontron Electronics nicht ganz unschuldig, denn für Bachelor- und Masterarbeiten, die das Unternehmen unterstützt, wird oft Raspberry Pi eingesetzt.

Raspberry Pi ist der Liebling der Kunden

Deshalb kommen die Profis von Heute beim Design von Prototypen sehr schnell zu Ergebnissen. Seit mehr als 20 Jahren aber weiß Kontron, welche Embedded-Plattform zum Wunsch des Kunden passt; was ist geeignet und was nicht, um einen Entwurf serientauglich zu produzieren. Das Ergebnis der Beratungsgespräche endete nicht selten in einem ernüchternden Fazit: Das komplette Design, das auf Basis von Raspberry Pi entstanden ist, muss hard- und softwareseitig von Grund auf neu entwickelt werden, damit ein Standard-Industrie-Prozessor verwendet und die Board-Plattform in Serie gefertigt werden kann.

Für die Kunden war nicht nur die Enttäuschung, sondern vor allem der finanzielle und zeitliche Aufwand entsprechend groß. Die Markteinführung der Produkte dauerte oft länger als erhofft.

Damit sollte Schluss sein. Es war an der Zeit, Raspberry Pi als Alternative oder als Ergänzung zu Standard-Industrie-Plattformen zu etablieren. Denn wenn Raspberry Pi direkt produktiv und in Serie genutzt werden kann, spart das Zeit, die für die Prüfung und Entwicklung von Designs auf einer neuen Plattform notwendig gewesen wäre.

Das Starterkit für Raspberry Pi spart Zeit, aber nicht immer Geld

Kontron hat für Raspberry Pi ein Starterkit entwickelt, mit dem der Universal-Minicomputer in die Profi-Liga aufsteigt. Er taugt damit auch für die Industrie und sagt seinem Bastler-Image Ade. Aber kann die als Experimentier-Plattform weitverbreitete Platine im Vergleich zu hochwertigen Standard-Industriecomputern tatsächlich punkten? Die Anforderungen sind im industriellen Einsatz schließlich um ein Vielfaches höher als im Uni-Labor oder im Hobbyraum.

Im Rahmen von einigen kommerziell umgesetzten Projekten auf Basis von Raspberry Pi bestätigte eine erste Bilanz die Vermutung, dass sich der günstige Ausgangspreis nicht immer im Endprodukt widerspiegelt. Die Investitionen, um ein serienreifes Produkt herzustellen, waren am Ende höher als vom Kunden gedacht. In manchen Fällen kostete der gesamte Prozess so viel wie eine standardisierte Embedded-Plattform; manchmal sogar noch mehr.

Raspberry Pi ist kein Garant für Einsparungen

Das Ziel, bei der Entwicklung Kosten einzusparen, ist aber nicht immer der einzige Grund, warum Raspberry Pi gewählt wird. Oft ist es schlicht die einfache Software. Denn das Raspberry Betriebssystem Raspian OS auf Basis von Linux ist unkompliziert. Raspberry Pi war ursprünglich nur für Einsteiger und als Übungsplattform für Entwickler in Forschung und Lehre gedacht. Das aber hat Raspberry eine so immense Verbreitung beschert, dass daraus schon wieder ein Vorteil wurde. So lassen sich zum Beispiel Software-Pakete leicht nachinstallieren. Embedded Linux hingegen ist deutlich aufwendiger zu installieren und zu administrieren.

Die Beliebtheit von Raspberry Pi hat auch dazu geführt, dass sich weltweit eine engagierte Community gebildet hat wie sie bei kommerziellen Unternehmen kaum denkbar ist. Offenheit und Hilfsbereitschaft wie in Social Networks ist das Gebot und wird so auch gelebt. Raspberry Pi hat vermutlich die größte Linux-Support-Community weltweit.

Der Linux-Vorteil mit Hasenfuß: Veröffentlichung des Source Code

Das Open-Source-Betriebssystem und dessen unter freier Lizenz verfügbaren Anwendungen sind für industrielle User allerdings nur bedingt von Vorteil. Es sind zwar viele Open-Source-Anwendungen erhältlich, wird jedoch der Source Code angepasst, muss auch dieser wieder unter der freien Lizenz veröffentlicht werden. Das gefällt vielen Firmen nicht. Sie wollen „ihre Software“ weder kostenlos noch weltweit frei verfügbar machen. Nicht viel anders sieht es aus, wenn nur einzelne Module aus bestehenden Applikationen verwendet werden. Üblicherweise müssen auch daraus abgeleitete Programme wieder mit freier Lizenz veröffentlicht werden. Es gibt jedoch einen Ausweg: Wer nicht auf Linux angewiesen ist, kann auch Windows IoT Core auf der Plattform betreiben.

Raspberry Pi hat Licht- und Schattenseiten

Raspberry Pi hat beim Einsatz im industriellen Umfeld weitere Nachteile. Dazu gehört, dass die Einheitlichkeit fehlt wie sie zum Beispiel Boards auf Standards wie Smarc, COM Express oder Qseven bieten. Zudem wird der Raspberry Pi nur von der Raspberry Foundation und ihren Distributoren vermarktet. Deshalb gibt es keine Variantenvielfalt zum Beispiel in punkto Leistung, Stromaufnahme oder Ausstattung.

Es sind zurzeit nur zwei Prozessorgenerationen als Compute Modules verfügbar: Das Compute Module 1 aus dem Jahr 2014 und das Compute Module 3, das Anfang 2017 vorgestellt wurde. Eine Prozessorauswahl wie sie etwa Intel, AMD oder NXP für unterschiedliche Anwendungszwecke anbieten, gibt es von Raspberry nicht. Dafür kommt das neue CM3+-Compute-Modul sogar mit einer garantierten Langzeitverfügbarkeit von sieben Jahren.

Es sind auch diese Umstände, die einer generellen Antwort auf die Frage, für welche Anwendungen oder Branchen Raspberry Pi geeignet ist, im Weg stehen: Es hängt immer vom jeweiligen Einsatzzweck ab. Kontron bietet daher ein „Industrial Starterkit“ an, mit dem sich sehr schnell ermitteln lässt, ob das Raspberry Compute Module den gewünschten Anforderungen entspricht. Das Starterkit verfügt über

  • alle in der Industrie verbreiteten Schnittstellen wie Ethernet, CAN-Bus, 1-Wire und RS485/RS232
  • das erprobte Schaltungsdesign und der industriell übliche Stromanschluss mit 24 V sorgen für eine zuverlässige Einsatzfähigkeit
  • weitere industrielle analoge und digitale I/Os erlauben die Integration in vorgegebene Anwendungen

Auf der Basis des Starterkits lässt sich der Weg zum Prototyp und anschließend zum fertigen Produkt deutlich verkürzen.

Wie das geht, zeigt das Beispiel der Mini-Messtation für eine Klinik auf der nächsten Seite

Raspberry Pi im Krankenhaus

Gemeinsam mit einem Kunden aus dem Gesundheitswesen wurde eine mobile Lösung für die kontinuierliche Echtzeiterfassung der Vitaldaten bettlägeriger Patienten entwickelt. Berührungslos und unsichtbar unter dem Krankenhausbett untergebracht, misst die kleine Box Vitaldaten, zeichnet sie auf und alarmiert bei gravierenden Abweichungen Schwestern und Ärzte. Für die Aufzeichnung der Herz- und Atemfrequenz sowie von Daten zur Dekubitus- und Sturzprophylaxe ist kein direkter Patientenkontakt notwendig. Durch den Akkubetrieb lässt sich dieser Mini-Checker unter jedem Bett anbringen.

Vier technische Anforderungen standen auf der Prio-Liste des Kunden:

  • eine Linux-Unterstützung – in diesem Fall sollte yocto Linux verwendet werden
  • der Support mehrerer Schnittstellen wie WLAN, LAN und Bluetooth,
  • eine hohe Rechenleistung, die auch Machine Learning erlaubt, und
  • die Integration eines zusätzlichen unabhängigen Prozessors für die Gewährleistung der korrekten Messergebnisse

Die hohen Ansprüche im Gesundheitswesen werden erfüllt

Die mobile Mini-Messstation musste für den Einsatz im Klinikumfeld zertifizierbar sein. Dazu gehört, dass sie als ein Medizinprodukt der Klasse 2b anerkannt wird, was der zweithöchsten Klasse entspricht. In diese Kategorie fallen zum Beispiel auch Anästhesie- und Beatmungsgeräte. Außerdem sollte sie die Anforderungen bei Sicherheit und Ergonomie erfüllen wie sie in der EN 60601 für medizinische elektrische Geräte und in medizinischen Systemen definiert sind. Schließlich standen noch drei weitere Kriterien auf dem Wunschzettel der Klinik:

  • schnelle Umsetzung,
  • Langzeitverfügbarkeit und natürlich ein
  • gutes Preis-Leistungsverhältnis.

Kontron und die Klinik haben sich für das Raspberry Compute Module 3 entschieden. Dabei haben sie Defizite beim Stromverbrauch und der Langzeitverfügbarkeit in Kauf genommen. Das war zu verschmerzen, weil die hohe Rechenleistung, der umfassende Linux-Support und die geringen Kosten wichtiger waren.

Das Starterkit von Kontron machte es möglich, dass die Entwicklung flott über die Bühne ging. Der Prototyp bestand auch die hohe Hürde der elektromagnetischen Verträglichkeit. Denn die medizinische Devise: „Was stört, fliegt raus“, gilt im Krankenhaus auch für die technischen Gerätschaften. Die Schnittstellen ließen sich mit Raspian OS sehr schnell verifizieren. Knifflig wurde es allerdings doch noch mal, als der Prototyp auf yocto Linux übertragen wurde. Gelöst wurde dieses Problem mit dem Know-how der Entwickler aus der S&T-Gruppe, zu der Kontron gehört, und einer der weltweit größten Linux-Communitys und Fan-Base für Raspberry Pi.

Andreas Schlaffer

Head of R&D, Kontron Electronics

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