Edge

(Bild: Lemonbeat)

| von Uday Davuluru

Zeit ist Geld. Das gilt gerade auch in der Produktentwicklung. Die Vergangenheit hat jedoch gezeigt, dass zu viel Eile oft zu Lasten der Sicherheit geht. Hektisch zusammengestellte Weboberflächen zur Steuerung von IoT-Geräten, nachlässig programmierte Plattformen oder unzulänglich stabile Cloud-Anbindungen bergen erhebliche Risiken.

So schauten im Sommer 2016 viele Hunde und Katzen, die von ihren Besitzern während deren Abwesenheit mit dem „Pet Feeder“ ­– einem „intelligenten“ Futterspender – versorgt werden sollten, mehrere Tage sprichwörtlich in die Röhre. Das Gerät wird per Smartphone konfiguriert und gibt mehrfach täglich die eingegebene Menge Futter frei. Dummerweise fiel der mit dem Pet Feeder verbundene Cloudserver aus – und damit auch die Fütterung.

Die autonome Autowaschanlage „Laserwash“ des amerikanischen Herstellers PDQ reinigt Fahrzeuge vollautomatisch mit einem Roboterarm und ohne Bürsten während die Insassen im Fahrzeuginneren warten. Man kann sie via Webbrowser einfach über das Internet konfigurieren. Mit wenigen Befehlen konnten Sicherheitsexperten das System allerdings so manipulieren, dass es die Fahrzeuge in der Waschanlage einschließt und der Roboterarm den Wagen attackiert.

Vernetzung über die Cloud

Bei der Entwicklung smarter Geräte stehen Produktentwickler neben vielen anderen Herausforderungen vor allem vor der Frage, wie die künftigen Geräte mit dem Internet der Dinge verbunden und gesteuert werden sollen. Eine komplette Steuerung über die klingt da sehr verlockend. Wie sonst bringt man eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren und Aktuatoren auf einfachem Wege dazu, miteinander zu interagieren? Die Heterogenität der IoT-Landschaft, das Sprachenbabylon von Endgeräten verschiedener Hersteller ist ein wesentlicher Bremsklotz für die Verbreitung des Internet der Dinge.

Sind die Daten der Geräte jedoch erst einmal in der Cloud, können sie dort übersetzt, extrahiert und weiterverarbeitet werden. Die Geräte müssen lediglich in der Lage sein, physisch mit dem Internet zu kommunizieren. Ob per Funktechnologie oder kabelgebunden spielt keine entscheidende Rolle – die wesentlichen Aufgaben übernimmt die Cloud. Dem Hardwareentwickler erspart dies einiges an Kopfzerbrechen, da die Funktionalität ausschließlich von außen gesteuert wird.

Zentrale Steuerung macht Systeme anfällig

Nur leider bedeutet eine zentrale Steuerung auch gleichzeitig eine zentrale Schwachstelle. Ist die Steuereinheit, aus welchen Gründen auch immer, plötzlich nicht mehr erreichbar oder kompromittiert, bricht die komplette Automatisierung zusammen oder die Geräte erledigen ihren Job nicht so, wie sie sollten. Bei der privaten Heimautomatisierung mag ein kurzfristiger Ausfall zu verschmerzen sein, bei Produktionsanlagen, der professionellen Gebäudeautomatisierung oder anderen kritischen Branchen mit vielen Abhängigkeiten können bereits kleine Ausfälle große Probleme bereiten und immense Kosten verursachen.

Gerne wird immer vom Smart Building, Smart Home, Smart Garden oder eben der Smart Factory gesprochen. Smart ist die vor Ort verbaute Hardware aber meist nicht. Die Intelligenz sitzt in einem oder mehreren zentralen Steuergeräten oder aber gleich in der Cloud.

Last but not least geht es auch um die Frage, wem die durch die Endgeräte gesammelten Daten gehören, dem eigentlichen Nutzer oder dem Betreiber der Cloud-Plattform? In einer IoT-Umgebung werden rund um die Uhr riesige Mengen an Daten gesammelt. Während ein Teil der Daten lediglich dazu dient, die Installation zu steuern, lassen sich mit dem anderen Teil Rückschlüsse auf eine Vielzahl von Abläufen ermitteln. Je nach Geschäftsmodell sind diese Daten Gold wert. Sie dienen etwa der Optimierung von Produktionsabläufen, der Einsparung von Energie oder helfen dabei, das Kaufverhalten oder andere menschliche Entscheidungsmustern zu analysieren. So können Unternehmen ihre Kunden noch gezielter ansprechen.

Edge-Computing bringt mehr Sicherheit

Um die Sicherheit in IoT-Umgebungen zu erhöhen und auch die Hoheit über die Daten zurück zu erlangen, gibt es einen Ausweg: Edge-Computing. Hierbei werden die Prozessabläufe in Form von Rechenoperationen von der zentralen Steuerung zurück auf die Endgeräte, also an den „Rand“ des IoT-Netzwerkes, verlegt. Die Endgeräte selbst werden mit Kapazitäten ausgestattet, die es ihnen erlauben, gewisse Rechenoperationen auszuführen und damit Entscheidungen zu treffen.

Vorteil Nummer Eins: Sicherheit. Sind die Endgeräte in der Lage, direkt miteinander zu kommunizieren und können ihren jeweiligen Status anderen Geräten in der Nähe mitteilen, machen sie sich von einer zentralen Instanz unabhängig. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass der Ausfall einer Steuereinheit oder der Verbindung zur Cloud-Plattform zunächst keine Auswirkungen auf die reine Funktionalität der IoT-Installation hat. Die Daten, die zum Betrieb notwendig sind, werden weiterhin direkt von Gerät zu Gerät übertragen. Da jedes Gerät aufgrund seiner Konfiguration „weiß“ was zu tun ist, benötigt es keine dauerhafte Onlineverbindung.

Vorteil Nummer Zwei: Sparsamkeit. Können Endgeräte direkt miteinander sprechen, verringert sich Menge der erhobenen Daten, die an eine zentrale Stelle gesandt werden, signifikant. In die Cloud wandern nur noch die Erkenntnisse, die für ein Monitoring oder die Analyse interessant sind. Reine Steuerbefehle verbleiben vor Ort. Damit entlastet das System zum einen die Datenanbindung und gibt dem Anwender zum anderen die Kontrolle über seine Daten zurück. Er ist es, der am Ende entscheidet, was zur Analyse nach draußen gegeben wird und was nicht.

Auf der nächsten Seite: Günstigere Prozessoren für die Endgeräte. Cloud oder Edge oder doch lieber beides?

Günstigere Prozessoren für die Endgeräte

Um die Intelligenz auf die Endgeräte zu bringen, müssen diese natürlich mehr können, als ihre Daten zu einer zentralen Stelle zu übertragen. Mittlerweile machen immer kleinere, leistungsfähigere und gleichzeitig stromsparendere Mikroprozessoren diese Technologie auch für Kleinstgeräte möglich. Auch die vergleichsweise niedrigen Preise für die Prozessoren lassen künftig auf mehr wirklich intelligente Endgeräte hoffen. Mit einem kleinen IoT-Betriebssystem an Bord plus einer Embedded-Software können Sensoren und Aktuatoren gewisse Rechenoperationen dann selbsttätig ausführen und Entscheidungen treffen.

Für die schnelle Produktentwicklung bietet Lemonbeat einen bereits fertig konfektionierten Chip für IoT-Anwendungen mit „Edge-Intelligence“. Der ETSI-zertifizierte SiP-Chip (System in Package) basiert auf einem Silicon Labs-Baustein mit ARM Cortex-M3 Prozessor (80 MHz inklusive 256k Flash + Silicon Labs SI 446x Transceiver). Der 11 x 11 x 1 mm³ große Chip nimmt im Sleep Modus nur wenige µA und 60 mA im Sende- und Empfangsbetrieb.

Edge

Bild 1: Der Lemonbeat-Stack umfasst Software, Funktreiber und Netzwerkfunktionalität. Lemonbeat

Auf dem Prozessor integriert ist der Lemonbeat-Software-Stack (Bild 1), der bereits mit allen wichtigen Funktionen ausgestattet ist, die smarte Endgeräte benötigen.  Also etwa vorkonfigurierte Services wie Timer-, Kalender-, Werte- oder Berechnungsfunktionen. Diese Services versetzen die Endgeräte in die Lage, ihre Sensordaten zu verarbeiten und „intelligent“ mit anderen Lemonbeat-Geräten zu interagieren.

Bei dem Stack handelt es sich um ein modernes IoT-Protokoll, das dank seiner vordefinierten Applikationsschicht die Entwicklung zukunftssicherer smarter Geräte erleichtern soll und dabei eine direkte Device-zu-Device-Interaktion ermöglicht. Er wird einschließlich aller notwendigen Software, Funktreiber und Netzwerkfunktionalität ausgeliefert. Die Software verwendet bekannte Standards wie und , volle IPv6-Implementierung. Sie bietet serviceorientiertes on Device, ist /EXI-fähig und unterstützt zudem CoAP und DTLS.

Die Netzanbindung erfolgt auf dem 868-MHz-Band mit einem patentiertem 32-Kanal Sprungverfahren sowie einem Ultra-Low-Battery-Mode mittels Wake-On-Radio-Funktion. Der Stack ist zudem für LoRA und Ethernet verfügbar und prinzipiell auch auf weitere physikalische Übertragungswege wie etwa oder Narrowband portierbar.

Der vollständig in allen Kommunikationsschichten (OSI-Modell) integrierte Stack bildet auf der Anwendungsschicht eine Schnittstelle mit integrierten funktionalen Services, die Lemonbeat smart Device Language (LsDL). Sie ist leicht zu erlernen und basiert auf dem XML-Standard. LsDL reduziert jedes beliebige Gerät – unabhängig seiner Art und Herkunft – auf eine Reihe einfacher Werte. Damit können die Geräte in einem Lemonbeat-Ecosystem untereinander aktuelle Zustände austauschen und je nach Konfiguration interagieren. Ganz ohne externe Steuereinheit.

Um die Integration und Verwendung in ihren eigenen Applikationen zu erleichtern, erhalten Kunden den Lemonbeat-Software-Stack als Library und Projektquellcode samt XML-basierten Services für LsDL. Die Abnahme des fertigen SiP-Chips ist allerdings kein Muss. Hersteller, die lieber selbst fertigen, können von Lemonbeat auch nur die Software lizensieren und bekommen auf Wunsch die Bestückungsliste für ein Stamp-Modul. Ab 2018 ist zudem die Bereitstellung des Stacks für handelsübliche geplant.

Cloud oder Edge oder doch lieber beides?

Edge

Bild 2: Das Entwicklerboard ist Teil eines umfangreichen Software Development Kits. Lemonbeat

Am Ende wird die Frage bei der Entwicklung von IoT-Anwendungen aber wohl weniger auf entweder Cloud- oder Edge-Computing hinauslaufen, sondern auf wieviel Edge und wieviel Cloud. Denn beide Prinzipien können sich hervorragend ergänzen und die Vorteile aus beiden Welten miteinander vereinen. Auch große Player im Bereich Cloud und IoT wie etwa Microsoft oder Amazon haben die Zeichen der Zeit erkannt und setzen verstärkt auf Edge-Computing.

Für eine Schnittstelle in die Cloud stellt Lemonbeat seine Gateway Library zur Verfügung. Die Library befähigt zur Kommunikation mit Lemonbeat-Endgeräten. Das Gateway sammelt so beispielsweise Zustandsdaten von Sensoren und Aktuatoren ein und sendet diese zur weiteren Aufbereitung oder Analyse in die Cloud. Für die schnelle prototypische Entwicklung stellt Lemonbeat interessierten Kunden auf Anfrage ein Software Development Kit mit zwei Entwicklerboards (Bild 2), Software und USB-Dongle bereit.

Eck-DATEN

Die Verlagerung von Rechenintelligenz von einer zentralen Steuerung in der Cloud zurück auf die Endgeräte bringt Vorteile in punkto Sicherheit und Datenkontrolle. Für die schnelle Produktentwicklung bietet Lemonbeat einen bereits fertig konfektionierten Chip für IoT-Anwendungen mit einer entsprechenden „Edge-Intelligence“. Hersteller, die lieber selbst fertigen, können von Lemonbeat auch nur die Software lizensieren und bekommen auf Wunsch die Bestückungsliste für ein Stamp-Modul. Ab 2018 ist zudem die Bereitstellung des Software Stacks für handelsübliche SoCs geplant.

Uday Davuluru

(Bild: Lemonbeat)
Standardization Manager bei Lemonbeat

(ku)

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