Wegbereiter für das Internet of Things und Industrie 4.0

Das IoT und Industrie 4.0 sind aufstrebende Technologiebereiche, die einen tiefgreifenden Einfluss auf die heutige Welt der Elektronik haben. Vor einem genaueren Blick darauf, wie diese beiden Konzepte miteinander zusammenhängen und welche Auswirkungen sie tatsächlich haben, lohnt es sich, die Bedeutung beider Begriffe zu erläutern.

Beim IoT geht es um die Nutzung des Internets zum Verbinden von ‚Dingen‘, Menschen und Cloud-Diensten, was wiederum den Weg zu neuen Anwendungsfällen und Geschäftsmodellen ebnet. Die zahlreichen Vorteile, die man sich von diesem Konzept verspricht, werfen allerdings eine Frage auf: Weshalb hat sich die Industrie nicht schon früher dieser Technologie bedient? Die Antwort ist einfach: Bevor das Konzept des IoT verwirklicht werden konnte, mussten zunächst bestimmte technische, wirtschaftliche und möglicherweise sogar soziale Voraussetzungen geschaffen werden.

_{Bild: Texas Instruments Inc.}

Das Konzept des IoT

Die heutigen Mikrocontroller (MCUs) stellen die notwendige Intelligenz in den ‚Dingen‘ zur Verfügung, die sich am Rand des Netzwerks befinden, und außerdem lassen sich Konnektivitäts-Funktionen heute billiger und einfacher als je zuvor hinzufügen. Die Verfügbarkeit stromsparender Halbleiterbausteine erlaubt darüber hinaus einen deutlich verbreiteteren Einsatz batteriebetriebener Lösungen. Ein weiterer Faktor, der die Umsetzung von IoT-Applikationen erleichtert, ist die allgemeine Verfügbarkeit von Internetzugängen, durch die sich neue Konnektivitäts-Optionen erschließen. Abgesehen vom Einholen von Sensordaten und der Ansteuerung von Aktoren in den jeweiligen Knoten schafft die allgegenwärtige Breitbandanbindung die Voraussetzungen für Over-the-Air-Updates an verteilten Systemen.

Somit lassen sich im Feld Upgrades an Applikationen vornehmen, um Fehler zu beheben, zusätzliche Funktionalität zu implementieren oder Sicherheitslücken zu schließen. Die Verfügbarkeit kostengünstiger, öffentlicher Cloud-Services reduziert überdies die Einstiegshürden für OEMs und andere Unternehmen, die in diesem vielversprechenden Bereich aktiv werden möchten. Angesichts dieser Rahmenbedingungen ist die Aussage gerechtfertigt, dass wir uns an einem Wendepunkt in der Entwicklung des IoT befinden.

Die potenzielle Größe des mit dem IoT zusammenhängenden Markts ist enorm. Hierbei muss man sich zunächst vor Augen halten, dass der PC-Markt bei einem Volumen von mehr als 300Mio. Einheiten jährlich angelangt ist und die jährliche Stückzahl des Mobiltelefon-Markts mittlerweile nahezu 2Mrd. beträgt. Der IoT-Markt wird dagegen in eine neue Größenordnung vorstoßen, denn hier werden bis zum Jahr 2020 mehr als 50Mrd. Einheiten erwartet. Diese außerordentliche Stückzahl erklärt sich aus dem Potenzial des IoT, die Karten völlig neu zu mischen. In der Tat werden Unternehmen durch IoT-Applikationen die Möglichkeit erhalten, mit ihren bestehenden Produkten und Dienstleistungen völlig neue Einnahmeströme zu generieren, begrenzt nur durch die Fantasie ihrer Entwickler. Abgesehen davon wird das IoT auch neue Arbeitsweisen inspirieren und letztendlich grundlegende Änderungen an bestehenden Geschäftsmodellen und -strategien anstoßen.

_{Bild: Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH, DFKI}

Zeitleiste des Wandels von Industrie 1.0 bis Industrie 4.0

Die Beziehung zwischen IoT und Industrie 4.0

Der Ursprung der Industrie 4.0 liegen in einem von der deutschen Regierung initiierten Projekt. Nach der Erfindung der Dampfmaschine, der Einführung der Fließbandfertigung und dem Aufkommen der speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) markiert die Einführung der ‚cyber-physikalischen‘ Systeme die vierte industrielle Revolution. Diese wird intelligente Fabriken hervorbringen, die anpassungsfähig sind, ihre Ressourcen effizient nutzen und ergonomische Vorteile bieten. Auch Kunden und Partner sind in den Prozess eingebunden. Aktuellen Schätzungen zufolge wird sich insgesamt eine Produktivitätssteigerung von bis zu 30Prozent erzielen lassen. Zum Fundament hierfür gehören sogenannte Cyber Physical Production Systems (CPPS), die aus Sensoren, Prozessoren, Software und Kommunikationssystemen bestehen und die Voraussetzungen für die sogenannte 5C-Architektur (connection, conversion, cyber, cognition, configuration) schaffen.

Industrie 4.0 setzt außerdem voraus, dass ein kompletter Status der jeweiligen Fabrik in der Cloud vorgehalten wird. Deshalb bildet auch das IoT einen Teil des Fundaments für Industrie 4.0. Auf eine gewisse Weise lässt sich Industrie 4.0 als ein Sonderfall des IoT-Themas betrachten. In den USA wurden ähnliche Initiativen gestartet, darunter die Smart Manufacturing Leadership Coalition (SMLC) und das Industrial Internet Consortium.

Fabrik- und Prozessautomation stehen im Mittelpunkt der vom IoT ermöglichten vierten industriellen Revolution, jedoch lassen sich die gleichen Konzepte auch auf Märkte wie die Gebäudeautomation und das intelligente Stromnetz (Smart Grid) ausweiten. Industrie 4.0 ist somit keineswegs ein Selbstzweck, sondern ein zukunftsorientiertes Konzept, das zu verbesserten Steuerungseigenschaften, mehr Energieeffizienz, gesteigerter Zuverlässigkeit und einem Gewinn an Sicherheit führt.

Praktische Implementierung

Lassen Sie uns dieses Konzept nun anhand eines praktischen Beispiels, nämlich einer Fertigungs-Applikation, verdeutlichen. Die Anlagen in der Fabrik sind hier mit zahlreichen Sensoren und Aktoren bestückt, die an Knoten angeschlossen sind. Mikrocontroller in diesen Knoten übernehmen das erste Aufbereiten und Sammeln der Daten. Die Knoten wiederum nutzen Gateways, Brücken und Router zur Kommunikation mit einer IoT-Cloud, in der die Daten gespeichert werden. Dieser cloudbasierte Datenpool eignet sich nicht nur dazu, den Zustand der gesamten Fabrik zu überwachen und zu visualisieren, sondern kann auch für Analysezwecke genutzt werden. Zusätzlich kann sich das Bedienpersonal über Smartphones oder Tablets mit der Cloud verbinden und diese Handheld-Geräte gleichsam als Fernbedienungen nutzen. Die von den Sensoren zur Verfügung gestellten Daten werden also in der Cloud abgelegt und sind dort für die Visualisierung, Auswertungen, die Entscheidungsfindung und für Steuerungszwecke verfügbar.

Ein attraktives Konzept, das von dieser reichhaltig ausgestatteten Umgebung ermöglicht wird, ist die vorausschauende Wartung. Anstatt abzuwarten, bis es tatsächlich zu einem Ausfall kommt, ist es mit der Zustandsüberwachung und dem Vergleich mit historischen Daten derselben Maschine möglich, frühe Anzeichen für bevorstehende Ausfälle zu erkennen. Im Fall eines Elektromotors etwa können die von Strom-, Druck-, Temperatur-, Vibrations- und Schallsensoren erfassten Daten über ein sekundäres, nicht echtzeitfähiges IoT-Netzwerk an die Cloud geschickt werden. Hierdurch vermeidet man eine Überlastung des primären IE-Netzwerks (Industrial Ethernet), das hauptsächlich der Echtzeitsteuerung dient und nur in begrenztem Umfang für Diagnosedaten genutzt wird. Einmal in der Cloud gespeichert, lassen sich die Daten für Analysen, zum Erstellen von Arbeitsaufträgen, für Benachrichtigungen und zur Visualisierung nutzen. Gestützt auf die Auswertung dieses Datenbestands lässt sich außerdem das Wartungspersonal benachrichtigen, sobald vorbeugende Wartungsmaßnahmen erforderlich sind.

Wie werden die Dinge mit dem IoT verbunden?

Sensoren und Aktoren, die letztendlich die ‚Dinge‘ im IoT darstellen, können mithilfe drahtloser Konnektivitätslösungen wie Zigbee, Bluetooth Low Energy oder Sub-Gigahertz, aber auch über leitungsgebundene Knoten mit einem IoT-Gateway verbunden sein. Das Gateway wiederum greift auf einen ‚IoT Agent‘ zurück, um die Verbindung zu einem Internet-Router herzustellen, der dann das letzte Glied der Verbindung mit dem Internet bildet. Einfacher geht es mit Wi-Fi-, 6LoWPAN- und Ethernet-Knoten, die das Internet Protocol unterstützen und daher eingebaute IoT-Agenten zur direkten Verbindung mit einem Internet-Router enthalten. Hier wird somit kein Gateway benötigt.

Betrachten wir als Beispiel einen Durchflussmesser, basierend auf einer MSP430MCU, einer analogen Signalkette und einer Power-Management-Lösung von Texas Instruments (TI). Über einen Sub-Gigahertz-Baustein kommuniziert diese Einheit mit einem Gateway auf der Basis eines Sitara-Prozessors, der in diesem Fall durch Power-Management-Funktionalität, einen Sub-Gigahertz-Baustein zur Anbindung an die Knoten sowie einen Wi-Fi-Baustein für die Cloud-Anbindung ergänzt wird.

_{Bild: Texas Instruments Inc.}

Beispiel eines vernetzten Durchflussmessers

Welche Herausforderungen stellen sich?

Keinesfalls übersehen werden dürfen die zahlreichen Herausforderungen, die das IoT birgt. Zum Beispiel dreht sich im IoT alles darum, in der Cloud ein detailliertes Abbild der physischen Welt zu schaffen, um bessere Voraussetzungen für Analysen und Entscheidungen zu bekommen. Das Erfassen kritischer Messgrößen in einem komplexen Umfeld ist aber alles andere als trivial und kann ein breites Spektrum von Sensortechnologien erfordern. Außerdem gilt es für jede Anwendung die jeweils beste Konnektivitäts-Option zu finden. Wi-Fi, ZigBee, 6LoWPAN, Bluetooth Low Energy, Ethernet und andere besitzen ihre spezifischen Stärken und Schwächen, und es gibt einfach keine Universallösung, die für alle Anwendungen passt. Während Zigbee häufig für Beleuchtungssteuerungen zum Einsatz kommt, nutzt man Bluetooth Low Energy oft für die Verbindung mit Mobiltelefonen oder Tablets. Wi-Fi hat große Verbreitung bei Thermostaten und anderen Home-Automation-Anwendungen, während die Sub-Gigahertz-Technik hervorragend für Anwendungen geeignet ist, die große Reichweite im Verbund mit sehr geringem Stromverbrauch benötigen. Zuallererst aber muss entschieden werden, ob eine drahtlose oder leitungsgebundene Lösung verwendet werden soll. Während Flexibilität und einfache Installation für die drahtlose Variante sprechen, überzeugen leitungsgebundene Lösungen durch hohe Betriebssicherheit in Umgebungen mit hohem Störaufkommen. Ein kritischer Aspekt ist der Stromverbrauch. Nicht selten werden Sensoren und Aktoren an schwer erreichbaren Orten installiert, sodass der Batterietausch teuer und arbeitsaufwendig ist. Hier ist ein geringer Stromverbrauch deshalb unverzichtbar, und zusätzlich kann das Energy Harvesting eine attraktive Option sein, die Batterielebensdauer zu verlängern oder sogar den völlig autarken Betrieb zu ermöglichen. Intelligentes Power-Management und präzise Analog-ICs sind ein effektiver erster Schritt hin zu einem stromsparenden Betrieb. Zusätzlich aber können Low-Power-MCUs entscheidend dazu beitragen, Monate oder gar Jahre mit einer einzigen Batterie auszukommen.

Als weiterer Aspekt, der zunehmend an Bedeutung gewinnt, kommt das Thema Security hinzu. In IoT-Systemen sind effektive Sicherheitsmaßnahmen erforderlich, um die Immunität gegenüber Cyber-Attacken und anderen Arten von Bedrohungen zu stärken. Diese vom IoT-Systemanbieter umgesetzten Sicherheitsmaßnahmen stützen sich auf die Security-Features der Bausteine. Schutzmaßnahmen werden auf sämtlichen Ebenen benötigt, doch auf der Ebene der integrierten Schaltungen müssen die Software (der Code), die Daten, die Identität des Bausteins und der Security-Schlüssel geschützt werden. Alle genannten Elemente sind darüber hinaus immer dann zu schützen, wenn sie gespeichert, verarbeitet oder übertragen werden. Abgesichertes Booten, Debug-Sicherheit, Kryptografiebeschleunigung, Bausteinidentität und die gesicherte Erstprogrammierung gehören zu den gängigsten Security-Features, die TI als Hilfestellung bei der Umsetzung von Sicherheitsmaßnahmen anbietet. Besondere Aufmerksamkeit verdienen in diesem Zusammenhang die nach außen gerichteten drahtlosen und leitungsgebundenen Schnittstellen, denn sie können entscheidende Schwachstellen sein, die von Angreifern zum Einschleusen von Schad-Code oder zum Stehlen von Daten genutzt werden können. Lückenlose Sicherheit vom Knoten bis zur Cloud setzt ferner die Anwendung spezieller Security-Maßnahmen voraus, die von den verschiedenen Cloudanbietern verlangt werden. Insgesamt ist Security von grundlegender Bedeutung, um die Geräte, Lösungen und Dienstleistungen von Herstellern, Service Providern, Kunden und Konsumenten zu schützen.

_{Bild: Texas Instruments Inc.}

Beispiele für Security-Lösungen auf unterschiedlichen Ebenen

Gibt es einen einfachen Weg zum IoT?

Angesichts all der Überlegungen, die soeben beschrieben wurden, könnte der Eindruck entstehen, dass das Design im Zusammenhang mit dem IoT eine höchst komplexe, undurchsichtige und mühevolle Aufgabe ist, die neben beträchtlicher Erfahrung auch exotische Hardware voraussetzt. Systementwickler aber benötigen unkomplizierte Lösungen, damit das IoT zu einer Mainstream-Applikation werden kann. TI hat sich deshalb darauf konzentriert, Benutzerfreundlichkeit zu einem zentralen Merkmal seiner Lösungen zu machen. Dies beginnt mit einer großen Auswahl an Bauelementen, setzt sich mit einer überaus robusten Software-Entwicklungsumgebung fort und gipfelt in einer umfangreichen Auswahl an Referenzdesigns aus der ‚TI Designs‘-Reihe. Letztere demonstrieren, wie die verschiedenen Subsysteme realer Produkte zu implementieren sind. Um den Herausforderungen beim Design drahtloser Konnektivitätslösungen Rechnung zu tragen, stattet TI einige seiner Wi-Fi-Bausteine mit einem kompletten Netzwerk-Stack aus und bietet damit eine Internet-on-a-Chip-Lösung an. Mit Blick auf die Herausforderungen beim HF-Design bietet TI einige seiner Wireless-MCUs außerdem als Bestandteil fertig geprüfter Module (sowie auch als diskrete Bauelemente) an.

Eine Ausgangsbasis zum Ausprobieren des IoT-Konzepts stellen die SensorTag-Kits von TI dar. Die batteriebetriebenen Kits enthalten unterschiedliche Arten von Sensoren und sind mit fertig geladener Unterstützung für den Cloud-Zugriff ausgestattet. Damit lässt sich umgehend demonstrieren, wie Sensordaten in der Cloud visualisiert werden können. Sobald es an die Entwicklung von Prototyp-Applikationen geht, stellen die LaunchPad-Development Kits von TI die wesentlichen Grundelemente für das Rapid Prototyping bereit. Abgesehen von den MCUs und Wireless MCUs von TI sind die LaunchPad-Kits mit einem standardisierten, 1:1 pinkompatiblen BoosterPack Steckmodul-Interface ausgestattet, mit dem die Funktionalität von Designs erweitert werden kann. Wireless-BoosterPack-Module gibt es u. a. für Sub-Gigahertz, NFC/RFID, Wi-Fi, Zigbee und Bluetooth. Von TI und anderen Anbietern gibt es darüber hinaus eine große Zahl von BoosterPack-Steckmodulen für Thermoelemente, MEMS-Temperatursensoren und Sensor-Hubs. Zum Erstellen aufwendiger Applikationen und Demos lassen sich mehrere BoosterPack-Steckmodule an ein LaunchPad-Kit anschließen.

In Zusammenarbeit mit einer breiten Palette von Cloud-Anbietern hat TI sein Cloud-Ökosystem weiter ausgebaut, um Herstellern, die mit TI-Technologie arbeiten, dabei zu helfen, einfach und schnell mehr Dinge mit dem IoT zu verbinden und dabei differenzierte, wertsteigernde Dienstleistungen anzubieten.

Autor: Avner Goren
General Manager, Strategic Marketing,
Embedded Processing,
Texas Instruments
www.ti.com