Hardwarehersteller haben erhebliche Anstrengungen unternommen, attraktive Lösungen für die Vernetzung von Sensornetzwerken zu entwickeln. Je nach Anwendungsbereich ist eine Vielzahl von Optionen entstanden. Es gibt Gateways für spezifische Anwendungsgebiete, wie beispielsweise das FlexGate-Gateway von EXPEMB, das für LoRa optimiert ist. Daneben existieren vielseitige Systeme wie das conga-IoT-Gateway von congatec, das bis zu acht Funkantennen bietet und somit eine extrem breite Auswahl an drahtlosen Technologien sowie den Anschluss zusätzlicher Peripheriegeräte und Feldbusse ermöglicht. Anwendungsspezifische Hardwareplattformen sind jedoch nur der erste Schritt hin zu einer Lösungsplattform, die es OEM-Entwicklern erleichtert, Daten von eingebetteten Geräten und heterogenen Sensornetzwerken in der Cloud zu erfassen.
Im Idealfall von Cloud-Anwendungsentwicklern benötigt verteilte Hardware kaum Aufmerksamkeit. Entwickler wünschen sich, dass die Anbindung von Geräten, Maschinen und Systemen an die Cloud so einfach ist wie das Anschließen von USB-Geräten oder PCIe-Erweiterungskarten an einen PC: Cloud öffnen, Geräte erkennen, nach Bedarf konfigurieren – fertig. Verfügten eingebettete Computergeräte, einschließlich Peripheriegeräten, über eine solch benutzerfreundliche Oberfläche, ließen sich alle benötigten Cloud-Anwendungen und Dashboards mit den passenden Frameworks und Tools problemlos automatisieren. Das Problem: Sensordaten aus dem Feld – von wenigen Bits für Temperaturmessungen bis hin zu Gigabits an Daten aus großen Videostreams – werden von einer Vielzahl von Sensoren generiert und in unterschiedlichsten Datenstrukturen über heterogene Protokolle, Schnittstellen und Übertragungswege übertragen. Ohne lokale Logik, die diese heterogenen Daten verarbeiten und in übertragbare Informationen umwandeln kann, ist eine sinnvolle Cloud-Verbindung praktisch unmöglich. Die Cloud ermöglicht es Ihnen, beliebige Zustände mit höchster Dichte zu erfassen oder kurz- bzw. langfristig nur die benötigten Daten zu sammeln, beispielsweise für Big-Data-Analysen, und von überall aus bedarfsgerecht darauf zuzugreifen. Dafür benötigen Sie ein Gateway – entweder eine virtuelle Systemplattform oder ein dediziertes Gerät –, in dem die Daten empfangen, übersetzt, verarbeitet und transparent an die jeweiligen Cloud-Schnittstellen übertragen werden.
Die zentrale Bedeutung von Gateways:
Gateways spielen eine Schlüsselrolle bei der Orchestrierung von Sensornetzwerken, da sie die Knotenpunkte darstellen, von denen Informationen an Feldgeräte, die Cloud oder andere benachbarte Gateways gesendet werden. Neben der korrekten Hardwarekonfiguration benötigen sie auch hervorragende Sprach- und Entscheidungsfähigkeiten. Sie benötigen Logik, um Sensordaten zu erfassen, zu analysieren und zu transkodieren sowie deren Verwendung zu bestimmen. Schließlich müssen sie Daten konsistent strukturieren können und Logik für die bidirektionale Kommunikation innerhalb der Cloud-Lösung bieten – alles mit sicherer Ende-zu-Ende-Verschlüsselung.
Die neue Cloud-API (Programmierschnittstelle) für congatec IoT-Gateways ist ein Beispiel für Middleware und Logik zur einfachen Orchestrierung drahtloser Sensornetzwerke. Ziel ist es, die Anbindung eingebetteter Computertechnologie und zugehöriger Peripheriegeräte an die Cloud zu vereinfachen. Dazu stellt sie anwendungsfertige Softwaremodule bereit, die Kunden als Vorlage für die Entwicklung eigener Anwendungen nutzen können. Mit der congatec Cloud-API für IoT-Gateways lassen sich lokale Sensornetzwerke aller Art in jede Cloud-Lösung integrieren.
Das IoT-Gateway kommuniziert lokal mit intelligenten Sensoren, verarbeitet und konvertiert die empfangenen Sensordaten. Eingebettete Treibermodule (EDMs) dienen als Schnittstelle für Hardware und Erweiterungskarten von Drittanbietern und stellen die Logik bereit, die die empfangenen Daten in die anwendungsspezifische Semantik der IoT-Gateway-Logik übersetzt. Die Datenübertragung in die Cloud erfolgt schrittweise über vordefinierte Schnittstellen und Entscheidungsprozesse mithilfe transparent definierter Module und Funktionsbausteine, die identische logische Schnittstellen für alle Anwendungen nutzen können.
Die Schlüsselrolle von Middleware:
Software, insbesondere IoT-Gateway-Middleware, ist entscheidend für den Empfang von Daten aus dem industriellen Bereich, deren Übersetzung, Aufbereitung und bedarfsgerechte Übertragung in die Cloud. Hier stößt die Kompatibilität jedoch häufig an ihre Grenzen, da es bisher keine standardisierten APIs für die Kommunikation zwischen Sensoren, Gateways und der Cloud gibt. Diese Lücke muss nun durch die Standardisierung von Cloud-APIs für IoT-Gateways geschlossen werden. Ziel ist es, einen einheitlichen Weg zu finden, Daten lokal zu empfangen und zu verarbeiten und sie anschließend in die Cloud weiterzuleiten. Denn nur ein anwendungsfertiges und vor allem standardisiertes Cloud-API-Design ermöglicht die Plug-and-Play-Integration verschiedener drahtloser Sensorverbindungen wie Bluetooth LE, ZigBee, LoRa und anderer LPWANs sowie kabelgebundener Protokolle für die Gebäude- und Industrieautomation. So lassen sich selbst hochgradig heterogene Protokollkonfigurationen mit minimalem Entwicklungsaufwand problemlos integrieren. Gleiches gilt natürlich auch für die Cloud-Kommunikation, denn die individuellen Anforderungen proprietärer Server oder Drittanbieterlösungen wie Microsoft Azure, Telekom oder Amazon AWS Cloud müssen ebenfalls Plug-and-Play-fähig sein.
Die ersten standardisierten Softwarekomponenten sind die verschiedenen Cloud-API-Funktionsmodule. Aus praktischer Sicht spielt die Sensor-Engine mit EDM, implementiert in der congatec Cloud-API für IoT-Gateways, eine Schlüsselrolle. Sie ermöglicht die Übersetzung und Übertragung von Daten lokaler Sensoren und Aktoren an eine generische, protokollunabhängige Middleware. Zudem standardisiert sie Messwerte in frei definierbare physikalische Einheiten und überprüft die Bedeutung der empfangenen Daten. Über die standardisierte EAPI-Schnittstelle können die Module relevante Hardwareparameter wie Systemtemperaturen und -spannungen, CPU-Auslastung oder Diebstahlerkennung bereitstellen.
Mithilfe seiner anwendungsspezifischen Regel-Engine sendet das Gateway lokale Warnmeldungen und löst automatisierte Aktionen aus, sobald bestimmte Schwellenwerte überschritten werden oder kurz vor deren Überschreitung stehen. Dank seiner hardwareunabhängigen Sensor-Engine können OEM-Entwickler dieselben Sensortypen, wie beispielsweise Temperatursensoren, einheitlich implementieren. Dies vereinfacht die Konfiguration und erhöht die Effizienz.
Was neben dieser Logik für Hardwareanbindung und -abstraktion noch fehlt, ist eine standardisierte Cloud-Schnittstelle, die sich zudem flexibel an den jeweiligen Cloud-Anbieter anpassen lässt. Um dies zu beheben, hat congatec in Zusammenarbeit mit M2MGO ein Schnittstellenmodul entwickelt: die Kommunikations-Engine. Sie ermöglicht die verschlüsselte Kommunikation mit Servern oder verschiedenen Clouds über intelligente kabelgebundene oder drahtlose Verbindungen. Würden alle Funktionsmodule auf einem offenen, herstellerunabhängigen Standard basieren, ließen sich Sensoren, Gateways und Clouds bedarfsgerecht frei kombinieren. Es würde immer funktionieren.
Neben der Plug-and-Play-Cloud-Anbindung der Hardware benötigen Entwickler auch eine komfortable Lösung zur Konfiguration von IoT-Gateways für die beschriebenen Szenarien. Eine Lösung, die sich nahtlos in die congatec Cloud API für IoT-Gateways integriert, ist das M2MGO People-System-Things (PST) Cloud-Framework. Über die Geräte- und Systemdatenverwaltung hinaus bietet PST einen umfangreichen Funktionsumfang zur Anwendungsentwicklung ohne Programmierung. Benutzer können mithilfe eines Drag-and-Drop-Editors vollständige Webanwendungen erstellen. Je nach verfügbaren Geräten lassen sich mobile Endbenutzeranwendungen nun sogar automatisch und ohne manuelle Eingriffe erstellen.
Ökosystemstruktur:
Ein offener Cloud-API-Ansatz ist natürlich nur so leistungsfähig wie das ihn tragende Ökosystem. Für echte Plug-and-Play-Lösungen müssen führende Anbieter von Embedded-Computing-Systemen, Peripheriegeräten und Cloud-Lösungen eine Cloud-API unterstützen, da jedes Hardwaregerät eine dedizierte Sensor-Engine und jede Cloud eine passende Cloud-Engine benötigt. Je nach erforderlicher Gateway-Entscheidungslogik genügen spezifische Regelausführungen. Dies minimiert den Entwicklungsaufwand für die Cloud-Anbindung. In Standardinstallationen lassen sich zertifizierte, anwendungsfertige Module ohne zusätzliche Programmzeilen bereitstellen. Plug-and-Play und Parametrisierung statt Programmierung sind die Leitprinzipien. Sind alle Standardmodule korrekt installiert, liest, übersetzt und verarbeitet die mitgelieferte Sensor-Engine die Daten auf dem IoT-Gateway unmittelbar nach der Erfassung mithilfe der Cloud-Sprache. So kann der Benutzer die verarbeiteten Informationen in einer automatisch generierten Webanwendung anzeigen, anstatt den gesamten Prozess für jeden Sensor einzeln programmieren und entwickeln zu müssen. Zukünftig werden alle gewünschten Daten automatisch in die Cloud und an den Benutzer übertragen.
Vorteile der Standardisierung.
Doch die Standardisierung bietet noch weitere Vorteile: Dank standardisierter Funktionsbausteine sind Kunden nicht mehr an einen bestimmten Anbieter gebunden. Darüber hinaus bildet die Standardisierung solcher APIs eine ideale Grundlage für Migrationsstrategien von OEMs. Entwickler müssen ihre IoT-Anwendung nur einmal entwerfen und können sie anschließend für neue Anwendungen auf beliebige Sensor-, Gateway- und Cloud-Kombinationen portieren. Diese Portabilität ist äußerst praktisch, da sich eine Cloud-Lösung, die Feldbusse lokal verbindet und dann über WLAN mit einer Microsoft Azure Cloud kommuniziert, von einer Lösung unterscheidet, die Daten lokal über WLAN oder LoRa erfasst und diese dann über 3G/4G an eine Telekommunikations-Cloud überträgt. Unterstützen einzelne Gateways eine standardisierte Cloud-API, müssen Entwickler lediglich die Cloud-Engine anpassen; alles andere kann unverändert bleiben. Dies ist ein effizienter Weg, selbst die individuellsten Anforderungen mit standardisierten, anwendungsfertigen Bausteinen umzusetzen. Ein Beispiel: Eine IoT-Lösung mit vier alternativen Sensornetzwerken und drei möglichen Cloud-Umgebungen für verschiedene Anwendungen erforderte zuvor zwölf völlig unterschiedliche Implementierungen auf dem IoT-Gateway (3x4). Eine standardisierte Cloud-API reduziert die Komplexität der Integration oder Bereitstellung auf lediglich sieben Module (drei Cloud-Module plus vier Sensormodule) erheblich. Sind einige dieser Module bereits vorhanden, verringert sich der Aufwand nochmals. Alle diese Optionen gewährleisten zudem die langfristige Verfügbarkeit der Lösungen.
Der aktuelle Stand der Standardisierungsbemühungen:
Angesichts der zahlreichen Vorteile offener Standardisierung für OEMs und IoT-Anwendungsanbieter gründete die Standardisierungsgruppe für eingebettete Technologien e.V. (SGET) vor zwei Jahren eine Arbeitsgruppe. Als erstes Ergebnis präsentierte SGET auf der Embedded World 2017 das erste Demonstrationssystem dieser Art. Die Gruppe arbeitet derzeit an der Fertigstellung der Version 1.0 des neuen Cloud-API-Standards für eingebettete Systeme und Erweiterungsmodule. Ziel ist die offizielle Einführung des Standards Anfang 2018. Bis dahin werden weitere Hersteller zur Teilnahme ermutigt, da eine breitere Unterstützungsbasis die Chancen auf eine langfristige Etablierung dieses Standards erhöht. Die Standardisierungsbemühungen für die Cloud-API würden einen deutlichen Schub erhalten, wenn neben Herstellern eingebetteter Technologien auch Peripheriegerätehersteller und große Cloud-Service-Anbieter diesen offenen Standard unterstützen würden. Die Gewinnung der Unterstützung dieser Akteure ist daher eine wichtige Aufgabe für SGET im Standardisierungsprozess.
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