Open-Source-Betriebssysteme, wie beispielsweise Linux und Zephyr, plus unzählige weitere Softwarebausteine mit identischen Nutzerlizenzen bilden inzwischen den Mainstream bei der Konzeption einer Embedded-Systems-Lösung. Im Hardwarebereich sieht es noch völlig anders aus: hier dominieren rechtlich geschütztes Intellectual Property für Halbleiterchips sowie Embedded-Computing-Module den Markt. Für den Halbleitermarkt ist dieser Zustand auf Grund hoher Investitionen für Know-How-Bildung, Entwicklungswerkzeuge und Fertigungskosten nachvollziehbar. In der Embedded-Module-Lieferkette hingegen nicht. Teilweise werden hier nur eine Handvoll Microchips gemäß den Vorgaben einer Microcontroller-Applikationsschrift auf eine kleine Leiterplatte gesetzt, die mit den gleichen Methoden und CAD-Werkzeugen entwickelt wird, wie die Elektronikbaugruppe des Modulanwenders. Auch der Fertigungsprozess und der dafür genutzte Maschinenpark sind in der Regel identisch. 

Von externen Partnern angebotene Computer-on-Moduls (CoM), Embedded System Moduls (ESM) oder auch System-on-Moduls (SoM) schaffen für den Anwender zahlreiche Abhängigkeiten. Einige davon waren während der Lieferkettenkrise der vergangenen Jahre sehr deutlich wahrnehmbar. Um solchen Herausforderungen zu begegnen, bietet SSV im Rahmen eines „Deeply Embedded System“-Produktkonzepts nun die CAD-Datenquellen für verschiedene SoM-Schaltungen und PCBs inklusive einem angepassten Software-Stack mit Debian-Linux und Firmwarefunktionen zur Integration in eigene Elektronikbaugruppen an. Der Anwender erhält damit sowohl in Bezug auf die aktiven und passiven Hardwarebausteine als auch hinsichtlich der Softwarekomponenten (SBoM, Software Bill of Materials) die Kontrolle über die vollständige Stückliste. Er wird dadurch in die Lage versetzt, während des gesamten Produktlebenszyklus eigenständig auf erforderliche Veränderungen reagieren zu können, also beispielsweise bei EMV-Problemen geeignete schaltungsbezogene Maßnahmen zu ergreifen, einen schwer beschaffbaren Microcontroller auszutauschen oder Software-Updates durchzuführen.    

Mit dem eDNP/8331 steht nun die erste praxistaugliche virtuelle SoM-Alternative zur Verfügung. Den Anwendungsschwerpunkt für dieses quelloffene integrierbare Embedded System sieht SSV im Bereich der IoT Connectivity und IoT Security. Daher unterstützen die zur Verfügung stehende Hardware und Firmware schwerpunktmäßig Wireless Wide Area-Netzwerkverbindungen per Mobilfunk (von NB-IoT über LTE-M bis LTE-A) sowie Low Earth Orbit (LEO) IoT-Satellitenverbindungen. Zur Optimierung der Cybersicherheit wird darüber hinaus eine Bedrohungsanalyse gemäß IEC 62443-4-1 als Dienstleistung angeboten, um die potenziellen Gefahren für die Schnittstellen einer Anwenderschaltung zu modellieren und geeignete Schutzmaßnahmen zu bestimmen. 

Website: www.ssv-embedded.de
LinkedIn: www.linkedin.com/…

Unzählige industrielle Elektronikbaugruppen basieren auf System-on-Module (SoM)-Konzepten. Die Spannungsversorgung wird üblicherweise zusammen mit den jeweils erforderlichen I/O-Funktionen auf einer Trägerleiterplatte realisiert und das jeweilige SoM bei der Inbetriebnahme in einem speziellen Steckplatz montiert. Das SoM dient in der Regel als Laufzeitumgebung für die gesamte Firmware der Baugruppe. Abgesehen von den SoM-Beschaffungskosten ist die Abhängigkeit vom jeweiligen Hersteller nicht unkritisch, wie gerade die aktuelle Situation der Zulieferketten verdeutlicht hat.

Mit dem eDNP/8331 bietet SSV nun ein 32-bit-SoM auf Arm-Basis inklusive Debian-Linux-Betriebssystem und Firmware-Funktionen für headless Embedded Gateways im Rahmen eines Lizenzmodells als Intellectual Property an. Die SoM-Schaltung wird als Schematic- und PCB-Snippet für die weitverbreitete Entwicklungsumgebung für Leiterplatten „Altium Designer“ zur Verfügung gestellt. Das Snippet des eDNP/8331 lässt sich im Rahmen eigener Altium-Projekte um die benötigten Addon- und I/O-Funktionen erweitern und vollständig auf einer einzigen kostenoptimierten Leiterplatte integrieren. Eventuelle Mehrkosten und EMV-Probleme durch Steckverbinder werden dadurch deutlich reduziert. Zum Lieferumfang gehört auch eine Backend Function Library mit einem Docker-basierten Update Server, digitalen Zwilling sowie PKI-Sicherheitsbausteinen.

Einen Anwendungsschwerpunkt für Baugruppen mit dem eDNP/8331 sieht Jürgen Fitschen, der für das Produktkonzept zuständige F&E-Manager bei SSV, bspw. im Bereich intelligenter Geräte in der Gebäudetechnik. Dezentrale Energieerzeugung, die Überwachung von Energieflüssen oder das Management von Energiespeichern erfordern seiner Ansicht nach nicht nur sichere Kommunikationskonzepte mit drahtlosen IoT-Sensoren und Aktoren, sondern auch Geräte-interne Laufzeitumgebungen mit intelligenten Algorithmen, die den Energiebedarf und die Energienutzung automatisch optimieren.

Sie finden SSV auf der embedded world 2023 in Halle 3 auf Stand 3-528.

Als Hilfestellung hinsichtlich der komplexen Anforderungen bietet SSV nun ein adaptives Bausteinkonzept für industrielle IoT-Anwendungen an. Der zentrale Funktionsbaustein ist eine Hardware-agnostische Firmware für Edge-Gateways. Sie hat einen anpassbaren Funktionsumfang und lässt sich sowohl auf verschiedenen Embedded-Plattformen als auch in Docker-Containern einsetzen. Für die Sensorik stehen die Bausteine des SFS-Baukastens (Smart Factory-Sensor) im Zusammenspiel mit dem SSB-Protokoll (Secure Sensor Beacon) zur Verfügung. KI-Funktionen werden per TensorFlow und TinyML in die Firmware integriert. In Bezug auf die Cybersecurity sind verschiedene Sicherheitsstufen möglich, die sich an der Richtlinie IEC 62443-4-1 orientieren.

Ein praktisches Beispiel stellt SSV auf der SPS 2022 mit einem virtuellen IoT-Serviceassistenten für Maschinen und Anlagen vor, der z. B. eine hochqualifizierte Online-Hilfe im Störungsfall ermöglicht. In dieser Beispielanwendung liefern verschiedene Maschinenkomponenten und Sensoren diverse Betriebsdaten ereignisgesteuert an einen digitalen Zwilling. Damit lässt sich der aktuelle Gesamtzustand bspw. über eine Webseite jederzeit visualisieren. Direkt an der Maschine werden außerdem periodisch BLE-Beacons mit Zustandsinformationen verschickt, die per Smartphone-App vor Ort empfangen und dem Benutzer angezeigt werden können. Die App erzeugt des Weiteren automatische Anfragen an einen Cloudservice, der nach einer Datenanalyse werthaltige kontextbezogene Nutzerhinweise, z. B. Wartungsinformationen, an das Smartphone zurückschickt.

Die Bausteine werden von SSV im Rahmen einer Lizenzvereinbarung für industrielle IoT-Projekte weitergegeben. Dazu gehört außerdem noch ein individuelles Angebot an Unterstützungsleistungen zur Implementierung und zum Test aller Funktionen, dem Praxiseinsatz sowie den damit verbundenen Lebenszyklusphasen.

Sie finden SSV auf der SPS 2022 in Halle 6 auf Stand 6-150G.

DevOps sind eine Sammlung unterschiedlicher Technologien und Methoden, um die Zusammenarbeit zwischen den Entwicklern und den Anwendungsverantwortlichen eines IT‑Systems in Bezug auf die Software-Maintenance zu organisieren. Solche kontinuierlichen Entwicklungs- und Maintenance-Prozesse lassen sich mit einer angepassten Methodik auch in die Welt der eingebetteten Systeme übertragen. Allerdings spielen hier neben den limitierten Ressourcen und den speziellen Schnittstellen auch die zum Teil sehr extremen Einsatzumgebungen eine große Rolle. Insofern geht es bei IoT-Anwendungen vielfach um eine Wartung der Cybersecurity (Security-DevOps). Dafür sind entsprechendes Expertenwissen und spezielle Testmethoden notwendig. Enthält eine Embedded-Software darüber hinaus auch Machine-Learning-Modelle, ist zusätzlich ein MLOps-Workflow erforderlich. Er dient in der Regel dazu, die Zusammenarbeit zwischen einem Data-Science-Team und den Anwendungsverantwortlichen bzgl. der Machine-Learning-Modell-Maintenance zu organisieren.

Der neu entwickelte Funktionsbaukasten eDO/8331 von SSV stellt das automatisierte Remote-Software-Deployment für Embedded-DevOps-Prozessketten in den Mittelpunkt. Dafür enthält der Baukasten einen Docker-basierten Update Server, ein Embedded Gateway DNP/8331 mit einem anwendungsbezogenen Debian-Linux-Betriebssystem, eine Client-Software für Maintainer sowie PKI-basierte Sicherheitsbausteine. Den DNP/8331 gibt es in unterschiedlichen mechanischen Formfaktoren funktionsbereit zur Steckplatzintegration in Anwendersysteme oder als Altium-CAD-Funktionsblock, der sich von den Lizenznehmern in eigene Schaltungen einbetten lässt. Für das Debian-Linux-Betriebssystem des DNP/8331 stellt SSV über ein eigenes Repository aktuelle Sicherheits-Updates zur Verfügung, um eine Langzeitverfügbarkeit zu garantieren.

Mit Hilfe einer Entwicklungs-Roadmap verfolgt SSV das Ziel, den eDO/8331-Baukasten für vollständige IoT-Cyber-Resilienzlösungen zu erweitern. Dazu werden sowohl für den Update Server als auch den DNP/8331 verschiedene Softwarefunktionen realisiert, die eine industrielle IoT-Anwendung kontextbezogen vor Cyberangriffen schützen, potenzielle Angriffe an Hand bestimmter Verhaltensmuster erkennen und ein automatisches Recovery nach einer Cyberattacke durchführen.

Sie finden SSV auf der embedded world 2022 in Halle 5 auf Stand 357.

Sensorikanwendungen mit Bluetooth Low Energy (BLE) in industriellen Umgebungen bieten viele Vorteile. Etwas hinderlich ist allerdings die relativ geringe Funkreichweite von Bluetooth. Diese Herausforderung hat SSV nun mit Hilfe lokaler 5G-Mobilfunknetzwerke gelöst. Dadurch sind Anwendungen mit Secure Sensor Beacon (SSB) mit einigen Tausend BLE-Datenpunkten und großer räumlicher Ausdehnung möglich.

SSB wurde mit dem Ziel entwickelt, hochauflösende Datenbilder von Maschinen, Anlagen und Gebäuden zu schaffen, aus denen sich mittels künstlicher Intelligenz hochwertige Informationen gewinnen lassen. Insofern sind intelligente, unternehmensweite Monitoringanwendungen ein Einsatzbereich, für den sich die SSB-Technologie im Zusammenspiel mit einem 5G-Campusnetz hervorragend eignet. Dabei wird mit Hilfe einer Ende-zu-Ende-Security die Authentizität und Integrität jedes einzelnen Datenpunkts sichergestellt.

Auf der Hannover Messe präsentiert SSV das Zusammenspiel des Bluetooth-Low-Energy-basierten SSB-Protokolls und der 5G-Technik erstmals der Öffentlichkeit. Dabei werden die Sensordaten einer Evaluierungsbaugruppe für Smart-Factory-Sensoren per Bluetooth an ein 5G-Industrial-Gateway als SSB Agent gesendet und von dort aus über ein Campusnetzwerk an den SSB Collector übertragen. Dort stehen die Daten anderen Systemen über eine standardisierte Anwendungsschnittstelle (API) zur Verfügung.

Nach der Hannover-Messe am 30. Juni veranstaltet SSV ein kostenloses Webinar. Darin geht es um die technischen Eigenschaften des Secure Sensor Beacon-Protokolls inklusive der Datenintegration in Backbone-Netzwerke, wie z. B. 5G. Außerdem werden Deployment- und Sicherheitsaspekte größerer IoT-Sensorikanwendungen mit den erforderlichen Werkzeugen allgemeinverständlich vorgestellt und an Hand einer Demo erläutert.

Sie finden SSV auf der Hannover Messe 2022 in Halle 5, Stand D16.

Weitere SSB-Details:

Eine technische Beschreibung zum SSB-Protokoll ist unter www.github.com/… zu finden.

SSV hat eine Protokollerweiterung für Bluetooth Low Energy (BLE) entwickelt, um IoT-Sensorik in Steuerungsanwendungen einzubinden. Die Neuentwicklung trägt den Namen „Secure Sensor Beacon (SSB)“. Sie dient in erster Linie zur Bluetooth-basierten Datenübertragung von physischen und virtuellen Sensordaten an Speicherprogrammierbare Steuerungen. SSV/SSB unterstützt neben der Sensordatenfragmentierung über mehrere BLE-Beacon-Datenpakete eine nachprüfbare Datenintegrität sowie die Senderauthentifizierung per Message Authentication Code (MAC). Für den einfachen Praxiseinsatz steht darüber hinaus eine Smartphone-App zur Verfügung, die ein optionales SSB-Sicherheits-Pairing zwischen Sender und Empfänger ermöglicht.

Auf der SPS 2021 vom 23. bis 25. November in Nürnberg wird in Halle 6, Stand 150J das SSB-Protokoll mit einem Demonstrator für IoT-Sensorik-Retrofit erstmals der Öffentlichkeit präsentiert. Mit diesem Demonstrator werden die Sensordaten einer Evalulierungsbaugruppe für Smart Factory Sensoren – dem SFS/BE1 – per Bluetooth an einen SSB-Kollektor gesendet und vor dort aus per LAN und RFC1006 an eine marktübliche Siemens-Steuerung übertragen.

Direkt nach der SPS am 2. Dezember veranstaltet SSV ein kostenloses Webinar. Darin geht es um die technischen Aspekte des Secure Sensor Beacon-Protokolls inklusive der Bluetooth-Datenintegration in gängige Steuerungs- und Edge-Gateway-Systeme. Im Rahmen dieses Webinars werden auch die Sicherheitsaspekte der SSV-Protokollerweiterung mit den kryptographischen Funktionen allgemeinverständlich vorgestellt und in einer Live-Demo ausführlich erläutert.

Weitere SSB-Details:

Eine technische Beschreibung zum Secure Sensor Beacon-Protokoll ist unter https://github.com/SSV-embedded/Secure-Sensor-Beacon-Protocol_SSB zu finden.

Sensordaten für Smart-Factory-Digitalisierungsaufgaben benötigen einen deutlich höherwertigeren Informationsgehalt als z. B. in klassischen Ablaufsteuerungsanwendungen. Mittels einer zur Aufgabe passenden Auswahl an Sensorelementen, Sensorfusionen zur Verknüpfung verschiedener Messwerte und KI-Algorithmen werden die Sensorrohdaten in den SSV-Sensoriklösungen zu werthaltigen Informationen, die sich für unterschiedliche Aufgaben in der Prozessoptimierung, Maschinen- und Anlagenwartung sowie Intralogistik nutzen lassen.

Mit der auf einem Baukastensystem basierenden Smart-Factory-Sensorik-Produktfamilie, bietet SSV ab sofort Retrofit-Sensoren mit einem anwendungsspezifischen Datenausgang. Dafür werden Gehäuse, Sensorelemente, Signalverarbeitung, Spannungsversorgung sowie die Daten- und Konfigurationsschnittstelle an die Aufgabe angepasst. Als Zubehör wird zu jedem Sensor ein Support-Docker mit verschiedenen auf den jeweiligen Sensor abgestimmten Funktionen ausgeliefert. Dazu gehören neben Node-RED-Funktionen auch ein TensorFlow-Lite-Inferenzinterpreter für die Echtzeitanalyse der Sensordaten mit Hilfe zuvor trainierter neuronaler Netzwerke, um die gewünschten Informationen zur Weitergabe an übergeordnete Systeme, wie z. B. ein MES, zu schaffen.

Passend zum Thema veranstaltet SSV während der SENSOR+TEST 2021 am 6. Mai von 11:00 bis 12:00 Uhr das Webinar „IoT-Funksensorik für Machine-Learning-Anwendungen“. Darin geht es um die technischen Aspekte der Sensordatenaufbereitung und Informationsgewinnung mit künstlichen neuronalen Netzwerken. Im Anschluss an dieses Webinar besteht die Möglichkeit eines interaktiven Hands-on mit virtueller Anleitung, bei dem jeder Teilnehmer am eigenen Rechner Live-Sensordaten per Google Colab vorverarbeiten und mit TensorFlow analysieren kann.

Embedded-Systems-Applikationen der relativ neuen „Intelligent Endpoint“-Kategorie benötigen ne-ben einer dem Stand der Technik entsprechenden Connectivity und Security auch hochentwickelte in-tegrierte KI-Algorithmen für das Real-Time Decision Making ^[2], z. B. künstliche neuronale Netzwerke auf der Basis von TensorFlow. Dadurch entstehen verschiedene völlig neue Aufgaben: Für die Machine-Learning-Modellbildung werden größere Datenmengen aus der Anwendungsumgebung benötigt; das jeweilige Modell ist von Zeit zu Zeit an veränderte Umgebungsbedingungen anzupassen; systematische Fehlentscheidungen müssen erkannt und die Ursachen schnellstmöglich abgestellt werden usw. Um diesen vielfältigen Herausforderungen zu entsprechen, eignen sich Docker-basierte Systemkonzepte. Dabei werden Unterstützungsfunktionen als Micro Services implementiert, die in der Edge oder Cloud zum Einsatz kommen.

Externe Referenzen

^[1] Now quantum computing will impact IoT security. Thomas Poeppelmann, Infineon, April 2020: https://www.embedded.com/…

^[2] New demand, new markets: What edge computing means for hardware companies. McKinsey & Company, November 2018: https://www.mckinsey.com/industries/technology-media-and-telecommunications/our-insights/new-demand-new-markets-what-edge-computing-means-for-hardware-companies#

Unzählige IoT-Sensoranwendungen streamen Rohdaten in die Cloud, um die dort vorhandenen Möglichkeiten der Datenverarbeitung zu nutzen. Neben den Sicherheitsbedenken hat dieser zentrale Lösungsansatz im industriellen Umfeld auf Grund der Bandbreiten-, Latenzund Verfügbarkeitsprobleme aber auch funktionale Nachteile. Ein Cobot Voice/Gesture Interface für die Zusammenarbeit zwischen Menschen und Robotern, Qualitätssicherung per Machine Vision, Condition Monitoring mit Echtzeit-Anomalieerkennung und fahrerlose Transportsysteme (FTS) lassen sich mit einer einfachen Sensor-to-Cloud-Verbindung nicht realisieren. Hier ist zusätzlich auch eine Datenauswertung vor Ort erforderlich.

Um die Entwicklung KI-basierter Funksensor-Edge-Anwendungen zu vereinfachen, hat SSV mit dem WSEI/154A den weltweit ersten Ende-zu-Ende Technologie-Stack mit einer 868 MHz-Funktechnik gemäß IEEE802.15.4 entwickelt. Als Sensing Endpoint gehört ein Evaluation Board mit einem ARM Cortex M0+ SoC und integriertem Sub-GHz-Funktransceiver sowie RIOT als Embedded-Betriebssystem zum Lieferumfang. Die zahlreichen Gateway-Softwarefunktionen sind auf ein Debian-Linux abgestimmt. Sie werden durch eine vorzertifizierte Funkhardware als Auflötmodul ergänzt. Für den Cloud-Einsatz gehören verschiedene Jupyter-Notebooks zum Technologie-Stack. Sie unterstützen die MQTT-Kommunikation mit dem Gateway sowie das Training neuronaler Netze mit TensorFlow. Die dabei erzeugten Machine-Learning-Modelle lassen sich im Edge-Inferenzbetrieb auf einer Ressourcenlimitierten Gateway-Hardware nutzen.

Der WSEI/154A ermöglicht OEMs die Realisierung hochwertiger Daten-basierter Lösungen mit Funksensoren, verschiedenen Kommunikationsprotokollen, Machine Learning, PKI-basierter Cybersecurity inklusive Authentifizierung sowie sichere Software-Updates Over-The-Air (OTA) bis in den Sensor, ohne zuvor tiefgehende Spezialkenntnisse in den einzelnen Themenbereichen aufbauen zu müssen. Der WSEI/154A-Technologie-Stack ist ab Ende März 2021 lieferbar. Um OEMs bei der Integration in eigene Produkte und Lösungen zu unterstützen, bietet SSV darüber hinaus diverse Customizing-Services sowie On-Demand-Webinare in deutscher und englischer Sprache an.