Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ein Gateway für das Internet of Things, IoT : Ausgabe 09/2017, 23.05.2017

Zugriff auf verteilte Prozesse

Für viele Applikationen ist der Anschluss an das IoT von grossem Vorteil für Kunden, Serviceanbieter und System-OEMs. Aber Applikationen und Systeme ohne IP-Anschluss sollte man möglichst kostengünstig und ohne Anschlusskomplexität nachrüsten können. Es gibt dafür interessante Vorschläge in Form von Gateways.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Texas Instruments

Denn Gateways umgehen den Aufwand und die Kosten eines kompletten Ethernet- oder WiFi-Interfaces. Wenn man dann noch Intelligenz und eine Embedded Steuerung dem Gateway hinzufügt, kann dieses sogar Zugriff auf geteilte Verarbeitungsprozesse bieten.

Der Autor eines sehr interessanten Whitepapers von Texas Instruments konzentriert sich zwar in seinem Bericht auf die Beschreibung der Implementierung einer Verschaltung für IoT-Applikationen, bietet aber ausserdem solide Hinweise für das Anschlussdesign jeder Applikation, die einen Embedded-Internetanschluss benötigt. Weitere Schwerpunkte des Berichtes sind die Implementierung des IP-Anschlusses, Sicherheit, ungleiche Node-Aggregation, Power und Kosten.

Gateways vereinfachen die Vernetzung

Für viele Ingenieure ist beim IoT-Design die Anschlusstechnik die grösste Herausforderung, wobei der Anschluss von mehreren Komponenten mit limitierten Verarbeitungsmöglichkeiten natürlich noch komplexer ist. Systemkosten und die Powereffizienz sollten dabei aber keine Einschränkungen erfahren.

Gateways unterstützen unterschiedliche Nodeanschlüsse – sei es die Spannungsschwankungen eines Sensors, der Datenstrom über I2C von einem Codierer oder aber Updates von einem System via Bluetooth. Gateways konsolidieren Daten von ungleichen Quellen und Interfaces und überbrücken diese zum Internet.

Je nach Applikation gibt es mehrere Wege bei der Implementierung eines IoT-Gateways. Zwei bekannte Ansätze hierfür sind ein einfaches Gateway oder ein Embedded Control Gateway. Ein einfaches Gateway organisiert und fügt die Daten zusammen für den Transport über das Internet. Ein Embedded Control Gateway bietet zusätzlich Verarbeitungsressourcen und Intelligenz für die Handhabung lokaler Applikationen.

IoT-Anschlüsse eines Gateways

Es sei darauf hingewiesen, dass ein Gateway sich von einem Router unterscheidet. Der Router managt ähnliche Datenströme mit einem gemeinsamen Interface. Im Gegensatz dazu muss ein Gateway verschiedene Datenströme auf ein spezielles Protokoll umsetzen.

Bild 1 zeigt mehrere Anschlussmöglichkeiten von Nodes an ein IoT-Gateway. In Bild 1a sind Nodes durch ein Gateway mit dem IoT verbunden. Die Nodes selbst sind nicht IP-basierend und können somit nicht direkt mit dem Internet/WAN verbunden werden. Sie verwenden vielmehr eine verdrahtete oder kabellose PAN-Technologie. Das Gateway enthält für jeden Node einen IoT-Agenten.

In Bild 1b benutzen die Nodes eine WAN-Verbindung für die direkte Internetverbindung. In Bild 1c, ähnlich Bild 1b, sind die Nodes durch eine PAN-Verbindung (6LoWPAN) ans Internet angeschlossen. Hier funktioniert das Gateway als ein Umsetzungspunkt zwischen PAN und WAN.

TM4C129x-Familie – IoT Gateway MCUs

Um OEMs und Entwicklungsingenieuren einen unkomplizierten Weg für die Implementierung von IoT-Anschlüssen in vorhandene und neue Designs zu erschliessen, bietet Texas Instruments die TM4C129x-Familie von IoT-MCUs an. Diese MCUs basieren auf einem 120-MHz-ARM-Cortex-M4-Core mit Fliesspunktmöglichkeiten. Damit kann die CPU zahlreiche Prozesse für individuelle Nodes übernehmen, was die IoT-Anbindung von Systemen erheblich erleichtert. Die MCUs vereinfachen IP-Anschlüsse für Gateways, und zwar durch die Integration zahlreicher Schlüsseltechnologien:

  • 10/100 Ethernet MAC und PHY (Bild 2)
  • hardwarebasierende kryptografische Beschleunigung und TLS/SSL-Stack
  • integrierte Mechanismen schützen das Gateway gegen Hacking und unerlaubte Übernahmen
  • Speicher: 256 KByte SRAM und 1 MByte an 100000 Cycle-Flash; 6 KByte EEPROM
  • Anschlusstechniken: Mit den zehn I2C-Ports ergeben sich direkte Verbindungen mit 2 CANs; USB 2.0 OTG mit High-Speed-UPLI; 8 UARTs; 4 Quad-SSIs; 2 MSPS; 12-Bit-ADCs; Quadratur-Encoder-Interface (QEI/QEP); acht 16-Bit-PWM-Ausgänge und bis zu 140 GPIOs

Weitere Informationen können interessierte Leser dem Whitepaper entnehmen. 

Whitepaper: 09_17.01.pdf

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Je nach Applikation gibt es mehrere Wege bei der Implementierung eines IoT-Gateways


Bild 1: IoT Gateway mit unterschiedlichen Node-Anschlüssen


Bild 2: Herkömmliche Ethernetlink (a), MCU mit integriertem PHY (b)