Development Kits vereinfachen IoT-Zugang

Dank einer Vielzahl an Development Kits und Evaluationsmodulen für das IoT ist es heute so einfach wie nie zuvor, Anwendungen zu vernetzen.

Das Internet of Things lässt sich als eine Art Metanetzwerk beschreiben, in dem nicht alle Milliarden enthaltenen „Dinge“ direkt mit dem Internet verbunden werden. Mit der zunehmenden Weiterentwicklung des IoT wird deutlich, dass es eine traditionellere Hierarchie basierend auf lokalen (offenen oder geschlossenen) Netzwerken von „Dingen“ (oder Knotenpunkten) verfolgen wird. Diese umfasst verschiedene Technologien, die wiederum durch eine gemeinsame Plattform mit einem umfassenden Internetzugang verbunden sind: das Gateway. Dies betont eine weitere grundlegende Veränderung in der bestehenden Infrastruktur; die Art und Weise, wie diese Netzwerke zum Gesamtbild beitragen werden. Dies wird immer mehr durch Cloud-Verbindungen geschehen. So gesehen sind das IoT und das Cloud-Computing mittlerweile voneinander abhängig. Die Kombination aus Knotenpunkten, Gateways und Cloud-Verbindungen bietet eine flexible Definition des IoT, die für nahezu jede Anwendung herangezogen werden kann und einem sonst eher figurativen Konzept mehr Substanz verleiht.

Abbildung 1: Die Hierarchie des Internet of Things – Bild: ©Premier Farnell Ltd

Arbeiterbienen

Knotenpunkte sind am Rand des lokalen Netzwerks positioniert und führen innerhalb des IoT verschiedene Aufgaben aus, werden meist jedoch als Sensoren oder Betätiger (oder beides) klassifiziert. Die Datenerfassung wird oftmals als Bestandteil jedes IoT-Anwendungsfalls genannt, da sie in vielen Fällen einen wichtigen Teil von IoT-basieren Leistungsversprechungen (wie z. B. eine verstärkte Automatisierung oder prädikative Wartungsmaßnahmen) darstellt. Der Wert von im kleinen Rahmen eingesetzten Daten, vor allem bei der Nutzung für Analysen auf Makroebene, wird immer deutlicher.

Nahezu jeder Parameter und fast jede physische Eigenschaft kann mithilfe mondernster Sensoren gemessen werden. Die Umgebungsüberwachung liefert wertvolle Einblicke, und gerade Temperatur und Feuchtigkeit sind zwei Faktoren, die regelmäßig in IoT-Anwendungen einbezogen werden. Das HDC1080EVM ist ein sofort einsatzbereites USB-Modul, das für die Evaluierung des relativen Feuchtigkeits- und Temperatursensors der Baureihe HDC1080 von Texas Instruments entwickelt wurde, der wiederum über die grafische Benutzeroberfläche für Sensoranwendungen von TI gesteuert wird.

Die 18 STEVAL-STLK01V1 von STMicroelectronics ist eine Entwicklungsplattform, die integrierbare Sensoren der Produktreihe SensorTile unterstützt. Mit einer Länge von nur 13,5 mm pro Seite vereint das Modul einen Trägheitssensor mit einem Barometer sowie einem MEMS-Mikrofon. Die Firmware auf der Host-MCU unterstützt das Datenlogging auf eine SD-Karte sowie per Streaming über USB.

Zu den weiteren spezifischen Anwendungsbereichen für Sensoren im IoT gehört das Gesundheitswesen. Hier stellt die Referenzplatine der Baureihe MAXREFDES100# die ideale Plattform für die Evaluierung von medizintechnischen und fitnessrelevanten Sensoren von Maxim Integrated dar. Neben Bewegungs- und Hauttemperaturmessungen unterstützt sie Elektrokardiographie und Elektromyographie sowie Fotoplethysmographie-Messungen wie Pulsoximetrie und Pulsschlagmessungen.

Viele IoT-Knotenpunkte erfordern Benutzereingaben, und eine der aktuell vielseitigsten Technologien auf dem Markt, die kapazitive Berührungsmessung. Das CY8CKIT-145-40XX ist ein Development Kit, das für die Evaluierung kapazitiver Berührungstechnologien von Cypress Semiconductor entwickelt wurde. Das Kit baut auf einem PSoC 4000S auf und umfasst zwei kapazitive Platinen mit Tasten und Schiebereglern, die eigene sowie gegenseitige kapazitive Messungen ermöglichen.

Intelligente Knotenpunkte nutzen möglicherweise andere Formen der Erfassung, wie z. B. die Bilderkennung. Das AMG883EK ist ein Evaluationskit für den Panasonic Grid Eye IR-Sensor. Der 8x8-Pixel-Sensor basiert auf MEMS-Technologie und kann Wärme und Temperaturen erkennen sowie die Bewegungsrichtung bestimmen.

Eine vernetzte Umgebung

IoT-Knotenpunkte sind laut Definition auf irgendeine Art und Weise vernetzt; für kleine Geräte wie Sensoren entwickeln sich drahtlose Verbindungen zur vorherrschenden Lösung. Das CC2650STK ist ein Evaluationskit in Form eines Sensortags mit 10 Sensoren sowie mehreren integrierten drahtlosen Kommunikationslösungen. Die TI MCU im Herzen des Tags unterstützt Drahtlosprotokolle für die 2,4-GHz-ISM-Reihe, darunter Bluetooth, 6LowPAN und ZigBee, die alle ideal für IoT-Anwendungen aufgestellt sind.

Entwicklungsarbeiten mit Bluetooth werden mithilfe von Starterkits wie dem SLWSTK6020A von Silicon Labs erleichtert, das auf den drahtlosen SoCs der Baureihe EFR32 Blue Gecko des Unternehmens basiert. Das Kit ist zudem mit Feuchtigkeit- und Temperatursensoren ausgestattet. Ebenso ist das LAUNCHXL-CC2640R2F Teil der LaunchPad Produktreihe von TI. Diese Development Kits ermöglichen einen leichteren Zugriff auf Bluetooth Low Energy-Technologien.

Innerhalb der gleichen Reihe an Development Kits ist das LAUNCHXL-CC1350EU von Simplelink ein Evaluationskit für Anwendungen, die sowohl Bluetooth als auch die drahtlose Sub-1-GHz-Kommunikation verwenden. Das LAUNCHXL-CC2650 geht sogar so weit, Bluetooth mit ZigBee und 6LowPAN zu kombinieren.

Für Knotenpunkte, die noch mehr Verbindungsmöglichkeiten erfordern, ist das Development Kit der Baureihe B-L475E-IOT01A1 von STMicro die richtige Lösung. Es verfügt über Bluetooth Low Energy, Sub-1-GHz und NFC mit Wi-Fi-Anschlussmöglichkeiten und unterstützt eine direkte Verbindung mit Cloud-Services (weitere Informationen zu Cloud-Services im IoT, s. unten). Es umfasst zudem zwei omnidirektionale Mikrofone und einen Feuchtigkeits-/Temperatursensor, ein 3-Achsen-Magnetometer, einen 3D-Beschleunigungsmesser und Gyroskopsensoren sowie Lichtlaufzeit- und Gestenerkennungssensor.

Als etablierte Technologie wird Wi-Fi eine wichtige Rolle im IoT einnehmen. Für Entwickler, die mögliche Lösungen evaluieren möchten, ist das CC3200-LAUNCHXL von TI ein LaunchPad-Kit, das speziell auf Wi-Fi-Verbindungen ausgelegt wurde. Das RN2483-I/RM101 hingegen ist ein Transceivermodul, das sich speziell am aufstrebenden LoRa-Standard orientiert. Diese energiesparende Lösung kann IoT-Knotenpunkte selbst über größere Entfernungen hinweg zuverlässig vernetzen.

Abbildung 2: Optionen für drahtlose Protokolle – Bild: ©Premier Farnell Ltd

Stromversorgung von IoT-Knotenpunkten

Im Herzen eines jeden Knotenpunkts befindet sich eine kleine, energiesparende und gleichzeitig hochgradig integrierte MCU. Die Produktreihe STM32 Nucleo von STMicro ist für das IoT gut aufgestellt. Es umfasst Geräte, die sowohl für Sensor- als auch für Betätigeraufgaben geeignet sind und wird durch eine Reihe an Development Kits unterstützt. Eine der verbreitetsten Architekturen bei MCUs für das IoT ist natürlich die ARM Cortex-M. Hier bietet die Cortex-M4F zahlreiche interessante Funktionen, zu denen auch die Möglichkeit der Fließkommaeinheit gehört. Die Entwicklungsplatine der Baureihe MAX32625MBED# von Maxim Integrated legt den Fokus auf eben diese Funktionen, vor allem bei der Entwicklung von Wearables.

Viele IoT-Knotenpunkte werden an abgelegenen Standorten angebracht, wo sie über mehrere Jahre ohne einen Batteriewechsel auskommen sollen. Ein gutes Power-Management ist hier entscheidend. Die STEVAL-LDO1V1 ist eine Evaluationsplatine für vier Hochleistungs-LDOs von STMicro, die es auf praktische Art und Weise ermöglicht, die richtige Lösung für jede Anwendung zu finden.

Für Knotenpunkte, die mit Akkus arbeiten, bietet das MAX77650EVKIT# eine einfache Möglichkeit, die vielen Funktionen des besonders stromsparenden PMIC der Baureihe MAX77650 von Maxim Integrated zu evaluieren, darunter die Abwärts-/Aufwärtsregelung, die lineare Regulierung und die intelligente Akkuaufladung.

Gateways

Während einige Knotenpunkte direkt an das Internet angeschlossen werden können, werden viele höchstwahrscheinlich über ein zentrales Gateway funktionieren. Das Gateway funktioniert dabei fast wie ein lokaler Server und hat mehr mit herkömmlicher Internettechnologie gemeinsam als die meisten IoT-Knotenpunkte. Aus diesem Grund wird es wahrscheinlich mit einem Betriebssystem wie Linux betrieben, das Unterstützung für die im IoT und darüber hinaus gängigen Internetprotokolle bietet.

Ein zentrales Gateway kann Hunderte oder sogar Tausende Knotenpunkte koordinieren und nutzt hierfür alle bisher genannten Protokolle für drahtlose Verbindungen (und vielleicht sogar mehr) sowie kabelgebundene Anschlüsse falls erforderlich. Das Gateway bietet die Sicherheit, die für den Schutz der Knotenpunkte und der von ihnen erzeugten Daten erforderlich ist, und hält ungebetene Besucher aus dem lokalen Netzwerk heraus.

Dementsprechend nutzen Gateways eher Anwendungsprozessoren als nur eine MCU. Bei einigen Geräten werden jedoch beide zum Einsatz kommen, so z. B. bei der Produktreihe NXP i.MX 7Solo, die mit einem ARM Cortex-A7-Prozessorkern und einer ARM Cortex-M4-Architektur ausgestattet ist. Diese Geräte sind als heterogene Multicore-Prozessoren bekannt. Das i.MX 7Solo ist auch in der Entwicklungsplatine WaRP7 enthalten, die eine Tochterkarte mit Unterstützung für Wearables umfasst. Andere Einplatinencomputer wie der BeagleBone Black Wireless und der Raspberry Pi stellen die ideale Plattform für die Entwicklung eines Gateways dar.

In die Cloud

Während Knotenpunkte lokal arbeiten, werden ihre Daten über Gateways höchstwahrscheinlich an Dienste innerhalb der Cloud weitergeleitet. Die Cloud-Anbindung ist heutzutage ein wichtiger Bestandteil des IoT, da hier ein Großteil der rechenintensiven Verarbeitung stattfindet.

Eine Verbindung mit der Cloud kann mithilfe einer proprietären Lösung erreicht werden, erfolgt jedoch immer häufiger über Anbieterplattformen wie Microsoft Azure, Amazon AWS oder die IBM Watson IoT-Plattform.

Das Pi3 IBM IoT Einsteigerkit umfasst ein Raspberry Pi 3 Model B, ein Sense HAT und ein HAT-Gehäuse sowie eine offizielle Raspberry Pi-Stromversorgung. Es wurde speziell für die Anbindung an die IBM Watson IoT-Plattform entwickelt. Das The Things Network vereint alle Aspekte des IoT mithilfe von LoRaWAN-Technologie über ein offenes Netzwerk in einem Kit. Mit der Nutzung dieses Kits wird der Benutzer Teil des offenen Netzwerks und kann somit eine virtuelle Cloud-Plattform erstellen. Für Entwickler, die das Potenzial von Cloud-Services nutzen möchten, empfiehlt sich das BCM4343W IoT-Starterkit . Es wurde speziell auf eine Anbindung an die Cloud ausgerichtet und ist mit einem SDK ausgestattet, das einen direkten Zugriff auf die Amazon Web Services (AWS) und die IBM Watson IoT-Plattform ermöglicht. Für Knotenpunkte, die direkt an Cloud-Services angebunden werden sollen, könnte das OM13086UL Cloud Connectivity Kit eine gute Einstiegslösung darstellen. Es umfasst APIs, die dem Kit die Arbeit mit Cloud-Services bei minimaler Software-Entwicklung ermöglichen. Die Verbindung erfolgt dabei über Wi-Fi, um den Knotenpunkt direkt mit der Cloud zu vernetzen. Basierend auf der LPC43S6x MCU von NXP bietet es eine sichere Datenbereitstellung und -verarbeitung.

Das DM990004 von Microchip basiert auf einer PIC32MZ EF, die über die für eine Verbindung mit dem AWS IoT-Service erforderliche Firmware verfügt. So nimmt das Kit das industrielle IoT über eine kabelgebundene (Ethernet-)Verbindung in Angriff.

Zusammenfassung

Das IoT ist eine Art virtuelle Plattform bestehend aus mehreren Technologien, die die Grundlage für neue Geschäftsmodelle und Wertangebote schaffen. Es kombiniert neue Möglichkeiten zur Bedienung der Nachfrage in allen vertikalen Bereichen und könnte einige von ihnen möglicherweise völlig neu erfinden. Zudem unterstützt das IoT ein beispielloses Maß an Kreativität, das Erfindergeist und Innovation fördert.

Die Grundbausteine des IoT sind Knotenpunkte, Gateways und eine Cloud-Anbindung. Der Zugriff auf verschiedenste Development Kits und Evaluationsmodule ermöglicht es Herstellern, diese neue globale Plattform, in der viele eine neue industrielle Revolution sehen, für sich zu entdecken.