Bei der Implementierung von Geräten für das industrielle IoT geht es auch darum, die Breite und Tiefe aller angeschlossenen Geräte zu erweitern, um dem Anwender einen Mehrwert durch erhöhte Rentabilität und Wachstum zu bieten. Zum Erreichen dieses Ziels bedarf es einer sorgfältigen Vorbereitung und eines gründlichen Verständnisses der heutigen IIoT-Technologien. Die verfügbaren Basistechnologien bestehen aus einigen wenigen umfassenden Cloud-Plattformen mit den dazugehörigen Device-Enablement-Software-Development-Kits (SDKs) sowie einer Vielzahl von kommerziellen und Open-Source-Laufzeitkomponenten und Cloud-Backend-Anwendungen.

Realisierung des IIoT

Die Hauptziele einer industriellen IoT-Implementierung sind: die sichere Verbindung von Endknoten- und Edge/Gateway-Geräten mit einem Cloud-Backend, das Sammeln von Daten von diesen Geräten und das Visualisieren/Analysieren oder Präsentieren dieser Daten in einer sinnvollen Weise, das Anbieten von Werkzeugen zur Interaktion, Konfiguration, Wartung und Aktualisierung der Geräte unter Verwendung einer Cloud-basierten Infrastruktur.

Das sichere Einbinden beginnt mit dem sicheren Booten eines Gerätes. Bei diesem ersten Schritt muss der Bootvorgang den Bootloader, die Betriebssystemsoftware und andere Softwarekomponenten, die alle als Teil der Boot-Sequenz ausgeführt werden, sequenziell authentifizieren. Nach dem sicheren Booten muss sich das Gerät sicher mit dem Backend verbinden. Cloud-Plattformen bieten eine umfassende Infrastruktur für das Identitätsmanagement und die Authentifizierung von Geräten, die versuchen, sich in das System einzubinden.

Sobald das Gerät eingebunden ist, besteht der nächste Schritt darin, dass die Gerätelaufzeit die vom Gerät unterstützten Parameter und Dienste instanziiert und dem Backend zur Verfügung stellt. Dies geschieht über ein Datenmodell oder ein standardisiertes Objektmodell, die mit der Cloud-Backend-Infrastruktur kompatibel sind.

Nachdem das Daten- oder Objektmodell zwischen dem Gerät und dem Backend erstellt wurde, überträgt das Gerät die Daten in die Cloud und empfängt asynchrone Nachrichten aus der Cloud. Die Sicherung der übertragenen Daten ist im IIoT eine wichtige Anforderung. Um eine sichere Verbindung und Verschlüsselung der zwischen dem Gerät und dem Backend ausgetauschten Daten herzustellen, kommen typischerweise Sicherheitsprotokolle wie Transport Layer Security (TLS) zum Einsatz.

Software-Updates und Wartung sind wichtige Merkmale für den zuverlässigen Betrieb von Geräten mit Cloud-Anbindung. Um Fehler zu beheben, Funktionen zu aktualisieren und Sicherheitsprobleme zu lösen, ist eine umfassende Infrastruktur zur Verwaltung von Geräte-Firmware, Anwendungen und Daten von entscheidender Bedeutung.

Embedded-Geräte im industriellen IoT

Bild 1: Die IIoT-Architektur für eine Geräte-Software besteht aus einem Cloud-SDK für Backend-Services, einem Betriebssystem und Systemdiensten, die in der Laufzeitumgebung des Betriebssystems verfügbar sind.

Bild 1: Die IIoT-Architektur für eine Geräte-Software besteht aus einem Cloud-SDK für Backend-Services, einem Betriebssystem und Systemdiensten, die in der Laufzeitumgebung des Betriebssystems verfügbar sind. Mentor

IIoT-Geräte lassen sich nicht nur als Endknoten kategorisieren, die sich in der unteren Ebene eines IIoT-Ökosystems befinden, sondern auch als Edge-Knoten, die oft als Gateway zwischen den Endknoten und dem Cloud-Backend dienen. Endknoten sind üblicherweise Aktoren, Sensoren, Steuerungen, Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs), etc. In einigen Fällen verbinden sich Endknoten direkt mit der Cloud, ohne dass ein Edge-Knoten/Gateway Verwendung findet.

Obwohl sowohl Endknoten als auch Gateways eingebettete Geräte sind, unterscheiden sie sich hinsichtlich Formfaktor und Funktionalität erheblich. Endknotengeräte können sehr klein sein. Oft handelt es sich dabei um intelligente 8- oder 16-Bit-Sensoren, die vereinfachte drahtlose Protokolle und ausgefeilte Power-Management-Strategien nutzen, um lokal Energie für einen wartungsfreien Betrieb zu gewinnen. Am anderen Ende des Spektrums können Edge-Knoten leistungsfähige Multiprozessor- und Multicore-Geräte mit Enterprise-/Server-ähnlicher Rechenleistung sein. Aus der Softwareperspektive lassen sich Endknoten-Geräte auf Bare-Metal-Basis (kein Betriebssystem) betreiben. Für größere Geräte kommt häufig ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS) oder sogar ein Universalbetriebssystem (GPOS) wie Linux zum Einsatz.

Bild 1 illustriert die Beispielarchitektur einer Laufzeit-Software für einen Edge-Knoten oder einen mit der Cloud verbundenen Endknoten. Das Diagramm stellt eine typische Architektur dar, die aus einem vom Cloud-Anbieter bereitgestellten SDK für das Gerät sowie anderen Betriebssystemen/Systemdiensten besteht, die erforderlich sind, um die Anforderungen zur Verwaltung des angeschlossenen Geräts zu erfüllen.

 

Mehr Details zu Funktionen fürs Datenmanagement und zu Datenmodellen erhalten Sie auf der nächsten Seite.

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