Ähnlich wie in geschlossenen Systemen über Bus- und Steuerleitungen werden im IoT Instruktionen, Zustände und sonstige Informationen über das Internet ausgetauscht. Das Tor vom geschlossenen System zum Internet nennt sich «Gateway». So können zum Beispiel geografisch entfernte Sensoren in eine Anlage eingebunden werden oder Interaktionen zwischen einzelnen Anlageteilen autonom erfolgen. Gleichzeitig sind diese IoT-Teilnehmer aber auch von anderswoher anzusprechen. So können Fernüberwachungen viele detaillierte Informationen liefern, was zu schnellerer Fehlerbehebung und effizienterer Wartung beiträgt. Durch das Zusammenführen der Teilnehmer in einer Cloud behält man auch bei vielen «Dingen» immer die Übersicht.
Integration von Wireless-Funktionen direkt in Geräte
Die rasche Entwicklung im Bereich Wireless, mit kompletten Modulen zur Funkübertragung, welche bereits für den Betrieb zertifiziert sind, erlaubt die Integration von Wireless-Funktionen direkt in die Geräte – Embedded Systems. Nun stellt sich aber oft die Frage, ob eine Integration ins Gerät auch wirklich sinnvoll ist. Mit den häufig wechselnden Standards und kontinuierlich weiterentwickelten Funktionen kann die Kompatibilität unter Umständen nicht für die gesamte Lebensdauer des Geräts oder der Anlage garantiert werden. Eine Implementierung oder Anpassung erfordert dann einen Eingriff ins eventuell zertifizierte System, mit entsprechenden Folgekosten auch in der Wartung.
Zudem müssen Geräte, welche sich an Funknetzen beteiligen, auch die geforderten Spezifikationen der jeweiligen Funkstandards erfüllen. Bei weltweitem Absatzmarkt kann das durchaus aufwendige Prüfungen, zumindest aber umfangreiche Dokumentation mit sich ziehen. Die Entwicklung wird so um eine nicht zu vernachlässigende Komponente erweitert. Im Wesentlichen müssen für so eine IoT-Anbindung folgende vier Blöcke berücksichtigt werden:
- Die Hardware stellt eine Verbindung des anzubindenden «Dings» zum Gateway dar. Am gebräuchlichsten sind hier Ethernet oder serielle RS232/485. Es können aber auch Lösungen für USB, CAN oder auch alternative Wireless-Standards wie ZigBee, WiFi oder Bluetooth geboten werden.
- Die Software definiert, welche Daten wann und wie weitergegeben werden. Diese Applikationssoftware kann ganz oder teilweise im Gateway eingepflegt werden.
- Hinter Connectivity versteckt sich der eigentliche Funkverkehr, typischerweise über Mobilfunknetzwerke wie GPRS, UMTS oder LTE. Diese weitgehend standortunabhängig verfügbaren Netze können über verschiedene Provider genutzt werden. Dafür ist eine SIM-Karte, welche den Gateway als Teilnehmer definiert, nötig.
- In der Cloud werden die Gateways überwacht und gewartet, und es können Nutzerdaten abgesetzt werden. Die Funktion der Gateways, zum Beispiel die Wahl des Providers oder des Übertragungsstandards, lässt sich ebenso über die Cloud steuern.
Externes Gateway ist eine elegante Lösung
Eine sehr elegante Lösung bietet sich mit dem externen Gateway FX30 von Sierra-Wireless. In kleinstem Gehäuse mit MIL-STD-810G werden der Funkteil (Cellular), ein zusätzliches variables Systeminterface sowie ein Cortex-A5-Prozessor für die Softwarefunktionen vereint. Neben Ethernet oder seriellem Interface (RS232/RS485) verfügt das FX30 über einen zusätzlichen Steckplatz, welcher mit Adapterkarten für verschiedene Interface-Standards bestückt werden kann. Es stehen aktuell zum Beispiel UART, USB, Ethernet oder CAN, wie auch alternative Wireless-Standards wie ZigBee, WiFi oder Bluetooth zur Verfügung. Kundenspezifische Entwicklungen dieser Karten sind möglich und können dank der offenliegenden Spezifikationen durchaus auch selbst gemacht werden. Damit lässt sich praktisch jedes «Ding» an den Gateway anbinden.
Die integrierte Cortex-A5-CPU erlaubt einen selbstständigen Betrieb des Gateways, unabhängig von der zur Verfügung stehenden Systeminfrastruktur. So kann das FX30 zum Beispiel einen diskreten Sensor auslesen, die Daten sammeln und nach gewünschtem Zeitplan transferieren. Es können aber auch Interaktionen stattfinden, etwa direkt ein Notstopp eingeleitet oder eine Neukalibrierung initiiert werden. Daneben übernimmt die CPU sämtliche Transferfunktionen sowohl system- als auch netzseitig.
Cloud dient der Datenablage und dem Gateway-Management
Zur Programmierung steht mit LEGATO ein Software Framework unter Linux zur Verfügung, während sich die normalen Modemfunktionen auch über AT-Befehle steuern lassen. Eine vom Hersteller zur Verfügung gestellte Cloud, die «AirVantage Cloud», kann für die Datenablage und das Management der Gateways genutzt werden. So können etwa Firmware Updates oder Instruktionen bezüglich Verbindungen global für alle in der Cloud implementierten Gateways realisiert werden. Selbstverständlich lässt sich jeder Gateway auch separat ansprechen. Das FX30 kommuniziert über aktuelle 2G, 3G oder LTE Standards und verfügt über einen SMA-Antennenanschluss. Die benötigten Zertifizierungen für den weltweiten Einsatz sind vorhanden. Es ist eine Fall-Back-Funktion implementiert, welche bei fehlender Netzstärke – bei Ausfall oder grundsätzlich schlechten Bedingungen – auf den nächsten Standard umschaltet. Die Funkübertragung kann durch Lightweight M2M gesichert werden und es können auch Firmware-Updates «over the air» (FOTA) realisiert werden.
Providerauswahl ist wichtiges Thema
Zu klären wäre dann noch die Wahl des Providers. Welcher Anbieter deckt das Einsatzgebiet am besten ab? Wird er das morgen auch noch leisten? Welche Alternative steht zur Verfügung, etwa bei einem Netzausfall?
Sierra-Wireless bietet eine Smart-SIM-Karte an, welche weltweit mit verschiedensten Netzanbieter Roaming erlaubt. Für die meisten Länder bestehen Verträge mit mindestens zwei Anbietern, sodass in nahezu jedem Fall eine taugliche Verbindung für die Datenübertragung gefunden werden kann. Die Smart-SIM basiert auf Pre-Pay und ist mit verschiedenen Datenvolumen und Laufzeiten erhältlich. Alternativ kann man auch eine selber gewählte SIM-Karte einsetzen.
Fazit
Durch die Verwendung eines externen Stand-alone-Gateways können auf einfache Weise «Dinge» ins IoT angebunden werden, ohne dass das «Ding» diese aufwendige Funktionalität selbst haben muss. Speziell für Nachrüstungen und optionale Einsätze verspricht dieses Vorgehen eine einfache Entwicklung mit schneller Markteinführung und langer Lebensdauer.
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