A A A
| Sitemap | Kontakt | Impressum | Datenschutz
ETZ Logo VDE Verlag Logo

Cloud-API für IoT-Gateways

01 IoT-Gateways müssen heutzutage den gesamten Kommunikationsfluss orchestrieren, von den unterschiedlichen Sensoren im Feld bis zu den spezifischen Clouds, in denen die Daten konsolidiert werden und über jedes Dashboard angezeigt werden können. Standardisierte API helfen Entwicklern dabei, Entwicklungsaufwendungen und -risiken zu minimieren und unabhängig vom eigentlichen Gateway zu werden

01 IoT-Gateways müssen heutzutage den gesamten Kommunikationsfluss orchestrieren, von den unterschiedlichen Sensoren im Feld bis zu den spezifischen Clouds, in denen die Daten konsolidiert werden und über jedes Dashboard angezeigt werden können. Standardisierte API helfen Entwicklern dabei, Entwicklungsaufwendungen und -risiken zu minimieren und unabhängig vom eigentlichen Gateway zu werden

02 Die Gateways von Technagon, Expemb, Congatec und Iesy (v. l. o. n. r. u.) sind unterschiedlich ausgelegt. Ist ein einheitliches Cloud-API installiert, können die IoT-Gatewayfunktionen dieser Plattformen einheitlich angesprochen werden

02 Die Gateways von Technagon, Expemb, Congatec und Iesy (v. l. o. n. r. u.) sind unterschiedlich ausgelegt. Ist ein einheitliches Cloud-API installiert, können die IoT-Gatewayfunktionen dieser Plattformen einheitlich angesprochen werden

03 Werden auf Gateways standardisierte, hardwareunabhängige API genutzt, fällt die Entwicklung individueller IoT-Applikationen mit Cloud-Anbindung leichter. Zudem wird die Gateway-Hardware durch diese Abstraktionsebene austauschbar, was den Migrationspfad für OEM vereinfacht

03 Werden auf Gateways standardisierte, hardwareunabhängige API genutzt, fällt die Entwicklung individueller IoT-Applikationen mit Cloud-Anbindung leichter. Zudem wird die Gateway-Hardware durch diese Abstraktionsebene austauschbar, was den Migrationspfad für OEM vereinfacht

Industrie 4.0 und IoT erfordern neue Kommunikationsstrukturen, die bis in die Cloud hineinreichen. Der größte Wunsch der Anwender geht dabei in Richtung standardisiertem Datenaustausch. Deshalb streben IoT-Gateway-Hersteller nun eine Standardisierung der Cloud-Kommunikation an. Congatec hat dazu ein Cloud-API (Application Programming Interface) für IoT-Gateways auf den Markt gebracht, das Entwicklern ihre Arbeit erleichtert.

Die Kommunikation innerhalb des IoT und der Industrie 4.0 Vernetzung stellt aktuell eine der größten Herausforderungen für Unternehmen dar. Zum einen müssen Maschinenhersteller Nachrüstkits anbieten, mit denen die installierte Basis in den weltweiten Fabriken aufgerüstet werden kann. Zum anderen werden innovative Lösungen für die neuen Generationen von Geräten, Maschinen und Anlagen benötigt. Das Feature­Set kann dabei unterschiedlich ausgelegt sein. So wird bestehendes Equipment beispielsweise durch die zusätzliche Integration von Funksensoren smarter gemacht. Bei neuen Lösungen hingegen handelt es sich zumeist um integrierte Systeme aus einem Guss. Ein Migra tionspfad ist erforderlich. Alte Legacy­Applikationen sind beispielsweise noch mit seriellen Schnittstellen ausgeführt. Neue Applikationen entstehen dann in Kombination mit Funksensornetzwerken, angefangen bei NFC und Zigbee bis hin zu Low­Power­Wide­Area­Netzwerken, wie „LoRa“. Solche Anforderungen führen im Ergebnis zu unterschiedlichen Hardwarelösungen, wie das für raue Industrieumgebungen ausgelegte Flexgate­Gateway von Expemb (Bild 2) zeigt. Es kann gleichzeitig acht „LoRa“­Kanälen folgen, um mit mehreren tausend verbundenen Knoten zu kommunizieren. Die Flexgate­Gateways bieten mit Gigabit Ethernet, WLAN, 3G/4G und Bluetooth­Schnittstellen auch vielfältige Optionen zur Anbindung an zentrale Clouds oder Fogs. Alle Verbindungsmöglichkeiten stehen gleichzeitig auf dem Gateway zur Verfügung und ein Fallback kann bei Ausfall einer Verbindung nach verschiedenen Skripten individuell eingestellt werden. Eine breite Palette von Schnittstellen in Richtung Feld, zum Beispiel zwei USB­Ports, eine serielle Schnittstelle, GPIO und Modbus­Feldbusunterstützung, ermöglicht zudem die Anbindung weiterer lokaler Geräte und Netze. Das Gateway basiert auf einem Modul von Congatec und ist skalierbar mit ARM­ oder x86er­Prozessoren. Die Entwickler dieses Systems bieten demnach viele Kombinationsmöglichkeiten, der Fokus liegt allerdings auf „LoRa“. Auch Lösungen mit anderen Spezialisierungen sind in großem Maß verfügbar: Einige Hersteller binden viele serielle Schnittstellen ein, andere sind individualisierbar, wie das Congatec­IoT­Gateway (Bild 2).
Extrem individualisierbar
Das Congatec­IoT­Gateway bietet ein hohes Maß an Flexibilität, unter anderem bei der Prozessorleistung und Softwareintegration. Es kann mit bis zu acht Funkantennen bestückt werden, die über drei Mini­PCI­Express­Slots und sechs interne USB­Steckplätze für drahtlose oder drahtgebundene Kommunikationsmodule angebunden werden. OEM, die die Congatec-IoT­Gateway­Plattform einsetzen, profitieren von einem vorkonfigurierten, vorzertifizierten IoT­Gateway, mit dem eine große Bandbreite heterogener Sensoren und Systeme einfach an cloudbasierte Services angebunden werden kann. Das System ist somit universell einsetzbar. Die benötigten Interfaces sind bedarfsgerecht auslegbar. Auch die Prozessormodule können bedarfsgerecht konfiguriert werden. So bieten die integrierten Qseven­Module eine skalierbare Rechenleistung, die von NXP­Singlecore-„i.MX6“­Prozessoren bis hin zur Quadcore-Intel­Pentium­CPU reicht. Neben den beiden genannten IoT­Gateways gibt es noch viele weitere Lösungen. Dazu zählen beispielsweise der Box­PC „TeNUC­100“ von Technagon oder der NUC1­E8000­SK­1 von Iesy (Bild 2), die ebenfalls beide auf Qseven basieren und als IoT­Gateways genutzt werden können.
Die Software macht das Gateway
Was aber macht aus all diesen Hardwaredesigns ein IoT­Gateway? Es kann nur die Firmware bzw. Middleware sein, die es OEM ermöglicht, die Daten aus dem industriellen Feld bedarfsgerecht zu empfangen, sie zu analysieren und an die entsprechenden weiteren Instanzen zu verteilen. An diesem Punkt hört die Austauschbarkeit von Embedded­Computer­Technologie auf, denn es gibt bislang keine standardisierten API für die Kommunikation mit den Sensoren und Clouds. Genau diese Lücke will Congatec mit seinem Cloud­API für IoT­Gateways schließen. Das Ziel der Standardisierung ist es, unterschiedliche Hardware softwareseitig stets gleich anbinden zu können, damit Entwickler beim Wechsel vom einen IoT­Gateway zum anderen ihre Software nicht mehr anpassen müssen (Bild 3).
Die wesentlichen Softwarekomponenten des Cloud­API für IoT­Gateways sind die verschiedenen Cloud­API­Funktionsmodule sowie die Demo­ und Testmodule für betreiberunabhängige IoT­Clouds (Bild 1). Die Sensor­Engine des Congatec­Cloud­API für IoT­Gateways sorgt für eine protokollunabhängige Kommunikation mit den lokalen Sensoren und Aktoren. Zudem normiert sie die Messwerte auf frei definierbare physikalische Einheiten und prüft sie auf Sinnhaftigkeit. Die Congatec­CGOS­Bibliothek bindet zusätzlich relevante Systemparameter des Gateways ein, wie Systemtemperaturen, CPU­Auslastung oder Einbruchsdetektion. Über die Rule Engine initiiert das Gateway lokal Warnungen und automatisierte Aktionen, wenn bestimmte Werte überschritten wurden oder drohen, einen definierten Grenzwert zu überschreiten. Die Communication Engine standardisiert schließlich die verschlüsselte und betreiberunabhängige Cloud­Kommunikation über drahtlose oder drahtgebundene Verbindungen. In Richtung Cloud hat Congatec in einer Beispielapplikation die Microsoft Azure Cloud­Angebunden. Es lassen sich aber auch andere 3rd­Party­Cloud­Angebote integrieren, ebenso wie On­Premise Clouds beim OEM oder beim Endanwender. Die Evaluierungssoftware für die IoT­Cloud bietet Entwicklern alle erforderlichen Werkzeuge, um Sensordaten in der Cloud zu konsolidieren. Zusätzlich lassen sich hier auch zentrale Melde­ und Steuerungsregeln für angebundene IoT-Applikationen anlegen, weitere Eskalationsszenarien definieren sowie Dashboards für Remote­Clients bereitstellen.
Nutzen unterschiedliche Pattformen das identische API, erhalten Entwickler die ideale Grundlage zur Austauschbarkeit von IoT­Gateways. Die Standardisierung solcher API liefert damit auch eine gute Grundlage für die Migrationsstrategien von OEM. So müssen Entwickler IoT­Applikationen nur einmal entwickeln und können sie anschließend auf andere Hardwareplattformen für neue Applikationen installieren, ohne den Applikationscode ändern zu müssen. Eine solche Portierbarkeit ist wichtig, da die Anforderungen an Gateways je nach Einsatzgebiet unterschiedlich sind: So sind die Anforderungen an ein Gateway, das vor Ort Feldbusse anbindet und dann über WLAN kommuniziert andere als an ein solches, das vor Ort via WLAN Daten sammelt und sie dann via 3G/4G an die Cloud schickt. Ein Universal­Gateway gibt es nicht, aber es können modulare Optionen geschaffen und deren Applikationsanbindung standardisiert werden. So lassen sich individuelle Anforderungen mit applikationsfertigen Bausteinen einfach umsetzen.
Fazit und Ausblick
Die Softwaremodule des Cloud­API für IoT­Gateways werden im C++­Quellcode zur Verfügung gestellt. Dadurch wird die Einbindung des API in eigene IoT­Applikationen für Linux und Windows auf Basis dieses applikationsfertigen Referenzdesigns vereinfacht. Da das aktuelle Could API zudem nicht alle Anforderungen von Anfang an erfüllen kann, stellt Congatec auch weitere Softwaredienstleistungen für die Erweiterung der Cloud­API­Funktionen und die Cloud-Anbindung bereit, sodass der Funktionsumfang des Cloud-API mitwachsen wird. Die herstellerübergreifende Standardisierung trägt ihr Übriges dazu bei, dass Funk tionsumfang und Einsatzmöglichkeiten des standardisierten Cloud­API für IoT­Gateways weiter steigen wird. (ih)

Zeljko Loncaric ist Marketing Engineer bei der Congatec AG in Deggendorf. info@congatec.com

Zeljko Loncaric ist Marketing Engineer bei der Congatec AG in Deggendorf. info@congatec.com