Welche Schnittstellen und Funkstandards sind heute relevant? Embedded-Systeme brauchen flexible, sichere und skalierbare Kommunikation.(Bild: Marinho Stock - stock.adobe.com)
Die zunehmende industrielle Vernetzung und Digitalisierung bringt neue Herausforderungen für Embedded-Systeme mit sich. Besonders gefragt sind neue Wege bei der Konnektivität. Entwickler sind gefordert, diese je nach Einsatzbereich und Branche zu erfüllen.
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Laut Statista soll die Zahl der mit dem Internet verbundenen Geräte von 15,9 Mrd. im Jahr 2023 auf über 39 Mrd. Geräte im Jahr 2033 anteigen. Diese zunehmende Vernetzung zieht sich über alle Branchen und Bereiche – vom Smart Home, über die Industrieautomation bis hin zu Medizingeräten.
Mit der Digitalisierung einher gehen auch neue Konzepte wie künstliche Intelligenz (KI) am Edge, meist als „Edge AI“ bezeichnet, Cloud-Lösungen oder autonome Roboter und Geräte, bei denen Daten schnell und sicher zu übertragen sind. Mit der zunehmenden Vernetzung und Digitalisierung erhöht sich der Bedarf an moderner Konnektivität in Embedded-Systemen, die in allen wichtigen Branchen und Einsatzbereichen zum Einsatz kommen.
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Digitaler Thementag: Edge-KI in der Praxis
Lokale KI-Modelle ermöglichen Echtzeitanalyse und Anomalieerkennung direkt am Sensor – ohne Umweg über die Cloud. In zwei technischen Deep-Dives erfahren Sie, wie Predictive-Maintenance-Systeme durch kontinuierliches Lernen robuster werden und wie sich KI-Modelle mithilfe von Techniken wie Taylor-Pruning und Quantisierung effizient für Embedded-Hardware anpassen lassen.
Mit Beiträgen von:
Christoph Stockhammer, Principal Application Engineer, The MathWorks GmbH
Elias Kettunen, Development Engineer, Cicor Management AG
Nutzen Sie die Gelegenheit, sich mit Experten aus der Industrie, Forschung und Entwicklung zu vernetzen und auszutauschen.
In der Vergangenheit ging es bei der Konnektivität in Embedded-Systemen etwa um einfache Verbindungen zu PCs, um dort Daten zu verarbeiten oder Geräteeinrichtungen vorzunehmen. Heute sind die Anforderungen diffiziler: smartes Gerätemanagement, Daten-Import und -Export für die KI-Verarbeitung, komplexe Updatemechanismen sowie das Vernetzen mit der Cloud und anderen Geräten. Heute sind Embedded-Geräte Teil komplexer Ökosysteme rund um Edge- oder Cloud-Infrastrukturen sowie On-Premise-Umgebungen.
Aus der Fülle an Anforderungen für verschiedene Märkte und Branchen entstanden in den vergangenen Jahren unterschiedliche Kommunikationsstandards und -protokolle sowie Schnittstellen. Embedded-Entwickler müssen sich entscheiden, für welche Anforderungen ihr System oder Gerät ausgelegt sein soll und welche Technologien sie dafür implementieren möchten.
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Bild 1: Aktuelle Embedded-Systeme müssen mit Schnittstellen wie Ethernet und USB ausgestattet sein.(Bild: Team Studio - stock.adobe.com)
Welche kabelgebundenen Technologien sich für Embedded-Anwendungen eignen
Ethernet: Auch als Local Area Network (LAN) bezeichnet ist Ethernet der klassische Übertragungsweg in der Computertechnik und sorgt für den Datenaustausch zwischen verschiedenen Geräten in IT-Infrastrukturen. Aufgrund der hohen Übertragungsgeschwindigkeiten, der Zuverlässigkeit und der hohen Sicherheit kommt Ethernet immer mehr in Embedded-Systemen, beispielsweise in Computer on Modules (CoMs) zum Einsatz. Mit Power over Ethernet (PoE) lassen sich Geräte zudem mit Energie versorgen.
PCIe: Mit dem Hochgeschwindigkeits-Bus Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) lassen sich Peripheriegeräte wie Graphikkarten oder Solid State Drives (SSDs) mit dem Prozessor auf einem Embedded-Modul verbinden. PCIe ermöglicht eine skalierbare und latenzarme Verbindung für leistungshungrige Komponenten wie KI-Beschleuniger, SSDs oder High-Speed-I/O-Karten.
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USB: Mit dem Universal Serial Bus (USB) lassen sich Daten von Embedded-Systemen zu angebundenen Geräten übertragen. Aktuelle Version ist USB 4.2 mit einer Datenrate von bis zu 80 Gbit/s. USB unterstützt neben der reinen Datenübertragung ebenso die Stromversorgung und automatische Geräteerkennung, ideal für den Anschluss einfacher Peripheriegeräte.
CAN FD: Ein klassischer Feldbus ist hingegen Controller Area Network (CAN), der mit dem Zusatz Flexible Data Rate (FD) in einer neuen Version erweitert wurde. Er kommt beispielsweise in der Automation oder im Automobil zum Übertragen von Sensordaten zum Einsatz.
Weitere Input/Output (I/O)-Schnittstellen wie SPI, I2C oder UART: Diese seriellen Schnittstellen werden vor allem für die Kommunikation mit Peripheriegeräten wie Sensoren oder Displays genutzt. Während Serial Peripheral Interface (SPI) hohe Datenraten bei kurzer Leitungslänge bietet, überzeugt Inter-Integrated Circuit (I²C) durch Einfachheit und Mehrpunktfähigkeit mit nur zwei Leitungen. Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) ist ideal für einfache Punkt-zu-Punkt-Kommunikation, etwa für das Debugging.
Display-Schnittstellen: Neben den klassischen Embedded-Schnittstellen gibt es zudem vielfältige Interfaces, mit denen sich Displays anschließen lassen, darunter HDMI, DisplayPort (DP) und dessen Erweiterung embedded DP (eDP), VGA oder LVDS.
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WLAN, Bluetoot, ZigBee, 5G – Funkstandards für Embedded-IoT
WLAN: Wireless Local Area Networks (WLAN) sind drahtlose Funknetzwerke, über die sich Daten mit hoher Geschwindigkeit übertragen lassen. Meist ist mit WLAN der Standard IEEE-802.11 gemeint. Embedded-Systeme werden über WLAN mit lokalen Netzwerken oder dem Internet verbunden und bieten hohe Datenraten, beispielsweise für Over-the-Air (OTA) Updates.
Bluetooth Low Energy: BLE ist eine energieeffiziente Funktechnologie für die drahtlose Kommunikation über kurze Distanzen bis zu 10 m, ideal für batteriebetriebene Embedded-Geräte wie Sensoren, Wearables oder Lautsprecher.
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ZigBee: Hiermit ist ein energieeffizientes Funkprotokoll für die drahtlose Kommunikation in Mesh-Netzwerken mit einer hohen Reichweite beschrieben. Es wurde speziell für Anwendungen in der Gebäudeautomation, im Smart Home und der Industrie entwickelt.
Thread: Auch Thread ist ein energieeffizientes Funkprotokoll für Mesh-Netzwerke, das 2019 speziell für smarte Geräte in Heim- und Gebäudeanwendungen entwickelt wurde.
5G: Die fünfte Mobilfunkgeneration unterstützt besonders hohe Datenraten, extrem niedrige Latenzzeiten und hohe Gerätedichten, ideal für vernetzte Embedded-Systeme in der Industrie, in Smart Cities und mobilen Applikationen.
Determinismus und Time Sensitive Networking für minimale Latenz
Neben den genannten Technologien spielen auch verschiedene Trends in der Branche eine Rolle, welche die Auswahl der richtigen Konnektivität beeinflussen. Beispielsweise müssen Bauteile immer kleiner und energiesparender ausgelegt sein, um in moderne HMIs, Wearables oder Handheld-Geräte integrierbar zu sein. Diesem Trend kommen Standards wie BLE, ZigBee oder Thread nach, indem sie den Energiebedarf durch spezielle Energiesparmodi oder gepulste Sendevorgänge minimieren.
Wichtig in vernetzten Systemen ist zudem, dass die Geräte innerhalb einer bestimmten Zeit auf ein bestimmtes Ereignis reagieren, auch als Determinismus bezeichnet. Methoden wie Time Sensitive Networking (TSN) liefern exakte, deterministische Datenübertragungen mit minimaler Latenz für verschiedene Übertragungsprotokolle.
Bild 2: Computer on Modules wie das SOM-A350 von Advantech im COM-HPC-Formfaktor sind mit aktuellsten Schnittstellen wie Gigabit-Ethernet, USB4 oder I²C ausgestattet.(Bild: Advantech)
Ein Thema, das durch die zunehmende Vernetzung mehr und mehr in den Fokus rückt, ist außerdem die Sicherheit von Embedded-Systemen. Denn alle Daten, die im (I)IoT übertragen werden, sollten nicht korrumpierbar sein. Einige der genannten Übertragungsarten helfen mit implementierten Sicherheitsmechanismen dabei, die nötigen Sicherheitsvorschriften einzuhalten.
Zudem steigen die Anforderungen durch die Vorgabe der EU und des Cyber Resilience Acts (CRA) weiter an. Zum 11. Dezember 2027 müssen alle in der EU vertriebenen Geräte mit einer entsprechenden CE-Kennzeichnung versehen sein und damit den Anforderungen an den CRA entsprechen.
Aktuelle Embedded-Trends bedienen
Aktuelle Konnektivitätsanforderungen reichen von einer energiesparenden Nahbereichs- bis hin zu leistungsintensiver Fernkommunikation. Die richtige Wahl des Kommunikationsstandards hängt meist von den individuellen Bedürfnissen ab, je nach Umgebung, in dem das Gerät später zum Einsatz kommt. Den Trend zu skalierbarer, flexibler und interoperabler Embedded-Konnektivität und energiesparenden Edge-KI-Applikationen sollten Entwickler dabei stets im Blick behalten. (ts, na)
