Entwicklungs-Kit für sensorbasierte IoT-Projekte

Bild 1: Das Cross Domain Development Kit (XDK) vereint in einem kompakten Gehäuse sieben MEMS-Sensoren, einen Lichtsensor, einen leistungsstarken Prozessor und vielseitige Kommunikationsprotokolle. Bosch

Das Internet of Things (IoT) stellt Unternehmen heute vor eine doppelte Herausforderung: Einerseits gilt es, in der Entwicklung schnell und unkompliziert Prototypen zu erstellen, zu testen und zu optimieren. Dabei geben nicht nur agile Entwicklungsansätze wie Scrum, sondern auch Marktanforderungen und -reaktionen immer kürzere Innovationszyklen vor. Andererseits sollen erfolgreich umgesetzte Prototypen mit möglichst geringem Aufwand in den Live-Betrieb überführt werden. Insbesondere Retrofitting-Applikationen verlangen nach einer flexiblen Hard- und Softwarelösung, die sich einfach nachrüsten lässt und für den Dauerbetrieb geeignet ist.

Auch Bosch Connected Devices and Solutions (BCDS) stand vor dieser Herausforderung und suchte nach einer Lösung, die mehr Flexibilität als bisherigen Evaluation Boards bieten sollte. Denn diese Boards sind in der Regel an den Arbeitsplatz in der Entwicklung gebunden. Die Lösung: Das Cross Domain Development Kit (XDK), das in einem Gehäuse eine Vielzahl von MEMS-Sensoren (Beschleunigung, Drehrate, Magnetfeld, Feuchtigkeit, Luftdruck, Temperatur, Umgebungslautstärke, digitaler Lichtsensor) mitbringt (Bild 1). Die Kombination verschiedener Sensoren, leistungsfähiger Netzwerk- und Kommunikationsprotokolle und der Möglichkeit, eigene Applikationen unkompliziert zu programmieren, vereinfacht die Entwicklung von IoT-Projekten deutlich. Das ursprünglich für interne Projekte entwickelte XDK wird von Bosch aufgrund der großen Nachfrage jetzt auch für externe Kunden angeboten.

Flexibles Retrofitting

Investitionsgüter haben meist einen langen Lebenszyklus. Hersteller können es sich daher nicht leisten, IoT-Features nur bei neuen Projekten zu implementieren. Das XDK ermöglicht es Unternehmen, bereits vorhandene Maschinen und Anlagen nachträglich fit für IoT beziehungsweise Industrie 4.0 zu machen. Im Gegensatz zu typischen Entwicklungsplatinen ist das XDK bereits für einen 24/7-Betrieb ausgelegt, wird standardmäßig in einem robusten Gehäuse ausgeliefert und bringt eine Mounting Plate für die einfache Montage mit. Der kompakte Formfaktor von 60 x 40 x 22 mm³, erlaubt die Integration von Retrofitting-Applikationen auch in kleine Geräte. Das XDK ist nach CE, FCC und IC zertifiziert, wodurch die Zulassung der Nachrüstlösungen vereinfacht wird.

Predictive Maintenance

Gerade mit IoT-Applikationen bietet Retrofitting branchenübergreifend ein großes Wachstumspotenzial. Das Themenfeld Predictive Maintenance zeigt exemplarisch, welche Chancen sich hier Unternehmen eröffnen. Der klassische Service mit festen Wartungsintervallen wird ergänzt beziehungsweise ersetzt durch einen Service, der abhängig vom Verschleiß durchgeführt wird. Das Ziel: Drohende Ausfälle frühzeitig erkennen und damit Ausfälle bereits im Vorfeld vermeiden.

Um Vorzeichen für zukünftige Ausfälle zu erkennen, lassen sich über die Bewegungs- und Akustiksensoren des XDK beispielsweise Vibrationen und Betriebsgeräusche von Maschinen in Echtzeit auswerten, um Hinweise auf einen drohenden Lagerschaden zu erhalten.  Werden festgelegte Grenzwerte über- beziehungsweise unterschritten oder treten auffällige Ereignisse gehäuft auf, alarmiert das XDK selbstständig den Service.

Praxisbeispiel Lift Monitoring

Ein anderes Einsatzgebiet für Predictive Maintenance bildet das Lift Monitoring. Herkömmliche Aufzugsanlagen arbeiten meist autonom, das heißt, sie sind nicht dauerhaft an eine Servicezentrale angebunden. Das XDK erlaubt es, eine kontinuierliche Überwachung von Aufzugsanlagen einfach nachzurüsten, ohne dass dabei in die Steuerungstechnik der Aufzüge eingegriffen werden muss. Das XDK wird dazu einfach an der Aufzugskabine befestigt. Die von den Sensoren erfassten Daten werden in die Cloud übertragen und dort verarbeitet. Damit erhält die Servicezentrale einen Überblick über alle Aufzugsanlagen und mögliche Störungen – und dies in Echtzeit.

Über eine Magnetfeldmessung kann das XDK beispielsweise die Geschwindigkeit beim Öffnen und Schließen der Türen messen, über das Gyroskop das Beschleunigungsverhalten des Aufzugs auswerten. In Verbindung mit der ebenfalls im XDK integrierten Luftdruckmessung lässt sich die exakte Position des Aufzugs jederzeit verfolgen: Welche Aufzüge werden in einem Gebäude besonders häufig genutzt? Welche Stockwerke werden hauptsächlich angefahren? Wo treten unerwartet Geräusche oder Vibrationen auf? Welchen Einfluss haben Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf das Verhalten eines Aufzugs?

Das Lift Monitoring mit XDK versetzt Serviceunternehmen in die Lage, solche Zusammenhänge zwischen Nutzung und Störungen herzustellen und damit nicht nur die Einsätze der Servicetechniker vorausschauend zu planen, sondern auch durch detaillierte Störungsmeldungen besser vorzubereiten – die langwierige Fehlersuche entfällt. Die Vorteile für die Kunden: Verbesserte Reaktionszeiten und reduzierte Ausfallszeiten. Durch das Lift Monitoring lassen sich zudem die Wartezeiten für die Benutzer verkürzen, in dem der Lift abhängig vom Nutzungsverhalten selbstständig umgeparkt wird.

Einfache Programmierung

Bild 2: Die auf Eclipse-basierende XDK Workbench bietet mit Beispielprogrammen, Dokumentation und Tutorials einen einfachen Einstieg für die Programmierung von IoT-Projekten. Bosch

Liegt das Know-how im konventionellen Maschinenbau größtenteils in der Konstruktion beziehungsweise Mechanik, kehrt sich das Verhältnis bei IoT- und Industrie 4.0-Projekten um. Ideen, Innovationen und Alleinstellungsmerkmale verlagern sich immer mehr in die Software und Elektronik. Entsprechend kommt der Softwareentwicklung eine zentrale Rolle zu. Das XDK bringt eine PC-basierte Entwicklungsumgebung mit, die die Programmierung erheblich vereinfacht: Bosch bietet eine auf das XDK zugeschnittene, sofort lauffähige Eclipse-Umgebung kostenlos zum Download an.

Die Programmierung der acht Sensoren des XDK und die weitere Datenverarbeitung erfolgen über ein API, mit dem sich sämtliche Sensoren, Hardwarefunktionen sowie Netzwerkprotokolle einfach ansprechen und auswerten lassen. Programme lassen sich direkt aus dieser Entwicklungsumgebung heraus auf das XDK übertragen, das dazu über USB mit dem PC verbunden wird. Praktisch: Eine umfangreiche API-Dokumentation steht über die Hilfefunktion direkt in der XDK Workbench (Bild 2) zur Verfügung.

Das Debuggen erfolgt ebenfalls in der Eclipse-Umgebung. Über den serienmäßigen JTAG-Connector ist auch hardwarenahes Debuggen möglich. Durch das API-Konzept ist eine Low-Level-Programmierung eigentlich nicht mehr erforderlich. Power User können dennoch bei Bedarf mit C direkt auf die XDK-Hardware zugreifen.

Als Betriebssystem kommt FreeRTOS zum Einsatz. Die Open Source-Lösung ist bereits auf dem XDK installiert und ermöglicht Echtzeit-Anwendungen. Die Speicher des XDK bietet mit 1 MB Flash und 128 kB RAM auch umfangreicheren Anwendungen ausreichend Platz, zusätzlich lassen sich Daten auf einer SD-Karte speichern. Die Interaktion des Benutzers mit dem XDK erfolgt über drei programmierbare LED und zwei Buttons. Damit sind Statusmeldungen und einfache Steuerungen direkt am Gerät möglich.

Um den Einstieg in die XDK-Programmierung zu erleichtern, liefert Bosch zahlreiche Beispielanwendungen mit, die unter einer Open Source-Lizenz stehen. So sind Treiber für alle Systemkomponenten bereits im Lieferumfang enthalten ebenso wie eine Sensor-Toolbox (Virtual XDK), die Daten der verschiedenen Sensoren verarbeitet. Zusätzlich kann auf eine Mathematik-Bibliothek zugegriffen werden, die zahlreiche Filter und Algorithmen wie etwa eine FFT-Analyse enthält. Mithilfe der Toolbox lässt sich beispielsweise über die Rohdaten des Drehratensensors und des Beschleunigungssensors die Lage des XDK im Raum exakt ableiten.

Lange Laufzeiten

Mobile Szenarien sind typisch für IoT-Applikationen. Lange Laufzeiten waren daher bei der Entwicklung des batteriebetriebenen XDK eine feste Vorgabe – nicht nur für das Prototyping, sondern auch für kleinere Serien im produktiven Feldeinsatz. Bosch hat das XDK deshalb für den 24/7-Betrieb ausgelegt. Die Laufzeiten des mit einem 560-mAh-Li-Ion-Akku ausgerüsteten XDK variieren natürlich abhängig von der konkreten Applikation und der eingesetzten Kommunikationsart. Typische, in der Praxis gemessene Laufzeiten reichen von mehreren Tage (WLAN) über mehrere Wochen (Bluetooth Low Energy) bis hin zu mehreren Monaten (Offline-Modus).

Wird auf eine kontinuierliche Funkanbindung verzichtet oder ist diese nicht verfügbar, können Daten auf einer Micro SD-Karte direkt im XDK geloggt werden. Das XDK kann die Daten selbst filtern und auswerten. So lassen sich Daten beispielsweise erst ab einem bestimmten Schwellenwert aufzeichnen. Oder das XDK aktiviert beim Überschreiten eines vorher definierten Grenzwerts selbstständig den Funk zur Datenübertragung. Alternativ liest ein Service-Techniker die geloggten Daten aus und überträgt diese in die Cloud zur weiteren Verarbeitung.

Offene Community

Bild 3: Die Online Community bietet nicht nur Support, sondern vernetzt auch die weltweiten XDK-Anwender untereinander. Bosch

First- und Second-Level-Support erfolgen kostenlos in einer Online-Community, die allen XDK-Nutzern offen steht (Bild 3). Support-Anfragen werden in einem Forum diskutiert und beantwortet, von Bosch beauftragte Entwicklungsingenieure übernehmen dabei die Moderation. Die Community ist nicht allein auf Support beschränkt: Sie soll vielmehr dem gegenseitigen Erfahrungsaustausch der XDK-Nutzer und ihrer Vernetzung untereinander dienen. Im Forum stellen Anwender eigene IoT-Projekte vor und diskutieren Ideen untereinander. Der Hersteller bietet zudem Wettbewerbe und Online-Veranstaltungen wie Webinare für XDK-Entwickler an.

Ausgewählte Projekte bereitet Bosch als Use Cases zur Inspiration für die Community auf. Weitere Unterstützung für Einsteiger und Fortgeschrittene bieten Programmierbeispiele, FAQs und Manuals etwa zum Echtzeitbetriebssystem RTOS, zur Ansteuerung der Sensoren oder zum Einsatz der Kommunikationsprotokolle. Das Feedback der Nutzer fließt direkt in die Weiterentwicklung des XDK ein. So wurden beispielsweise die Lizenzbedingungen überarbeitet, damit die direkte Übernahme von Beispielcode in eigene Projekte jetzt möglich ist. Parallel zur Online Community ist dezidierter Support für Unternehmen verfügbar, deren kommerzielle Entwicklungen etwa ein NDA erfordern.

Leistungsstarker Prozessor

Der leistungsstarke ARM-Cortex-M3-Prozessor ermöglicht es, Sensor-Daten direkt auf dem XDK zu verarbeiten, auszuwerten und zu filtern. Damit lassen sich nicht nur die Daten unterschiedlicher Sensoren miteinander in Beziehung setzen. Das XDK kann vielmehr ganz vorne in der Prozesskette entscheiden, welche Daten überhaupt sinnvollerweise übertragen werden sollen, um übergeordnete Systeme wie SPS, MES oder ERP nicht mit einer Datenflut zu überlasten.

Um die Sicherheit bei der Datenübertragung zu gewährleisten, unterstützt das XDK verschiedene Protokolle wie LWM2M, MQTT, REST oder JSON, die auch die hohen Anforderungen im Big Data-Umfeld – etwa auf Cloud-Plattformen wie Microsoft Azure oder In Memory-Datenbanken wie SAP HANA – erfüllen.

Ein Produkt, viele Szenarien

Die Zielgruppe des Cross Domain Development Kit (XDK) geht über klassischen Maschinen- und Anlagenbau hinaus. So eignet es sich beispielsweise auch für Automatisierungstechnik, Wartungsunternehmen (Predictive Maintenance), Smart Building und Smart City, Mobility, Lager & Logistik sowie Umwelttechnologie. Das XDK ist als All-in-One-Entwicklungsplattform konzipiert, die sich sowohl für Prototypen als auch für kleine Serien eignet. Zudem steht mit der Bosch-Sparte Connected Devices and Solutions ein weltweit aufgestellter Hersteller hinter dem Produkt, der bei Bedarf auch industriell gefertigte, individuelle IoT-Lösungen bietet.

Neue Extension Boards

Der Lieferumfang des XDK beinhaltet einen Breadboard-Adapter, mit dem sich Hardwareentwicklungsprojekte einfach aufsetzen lassen. Bosch hat auf der CES 2017 in Las Vegas drei neue Extension Boards für diese Schnittstelle vorgestellt, die den Funktionsumfang des XDK weiter ausbauen. Die LoRaWAN-Erweiterungskarte bietet sichere, bidirektionale Low-Power-Wireless-Kommunikation mit Reichweiten von bis zu 40 km. Sie empfiehlt sich besonders für batteriebetriebene Anwendungen in Umgebungen, in denen kein WLAN verfügbar ist.

Die zweite Erweiterungskarte bringt einen Infrarotsensor mit, der die Aufzeichnung von Wärmesignaturen für Anwendungen wie Bewegungserkennung und Temperaturmessung ermöglicht. Speziell für industrielle Anwendungen, die einen erweiterten Temperaturmessbereich verlangen, ist die dritte Erweiterungskarte konzipiert. Sie verfügt über einen zusätzlichen externen Temperaturfühler, mit dem außerhalb des XDK gemessen werden kann, und deckt einen Temperaturbereich von -200 bis +800 °C ab. Der Anschluss der drei Extension Boards erfolgt unkompliziert über die 26-polige Buchse am XDK. Grundsätzlich erlaubt das offene Konzept des XDK es, Zusatzfunktionen ohne großen Aufwand zu realisieren.

(ku)