Warum SBCs und Development Kits so wichtig für das IoT sind
Entwicklungsplattformen – dazu gehören auch Development Kits und Single-Board Computer (SBCs) – haben sich in den vergangenen Jahren zum Motor für Entwurf und Entwicklung von integrierten Lösungen entwickelt, die das Rückgrat des Internet der Dinge („Internet of Things“, kurz IoT) bilden werden.
Die Bedeutung von Entwicklungsplattformen liegt darin begründet, dass Entwicklungsplattformen zu einem wesentlichen Bestandteil der ersten Stadien des Entwurfsprozesses geworden sind. Mithilfe von Entwicklungsplattformen können Entwickler ihre Entwürfe schnell und kostengünstig testen und einen Proof of Concept vorlegen. Problemlos und gebrauchsfertig verfügbare und in vollem Umfang getestete Kits befreien die Entwickler von der Pflicht, ihre Einfälle und Konzepte anhand von Development Kits und SBCs zu verifizieren – nun können die Entwickler diese direkt in ihre Entwürfe einfließen lassen.
Ein weiterer Grund dafür, dass diese Entwicklungsplattformen eine so entscheidende Rolle bei der Entwicklung von IoT-Systemen spielen, ist der, dass diese Plattformen mittlerweile erschwinglich und äußerst kompakt daherkommen und wortwörtlich mit Leistung, Performance und integrierter Konnektivität vollgepackt sind – allesamt Grundvoraussetzungen für Geräte, die vorgeben, IoT-kompatibel zu sein.
Miniaturisierung und immer kleinere Formfaktoren, zusammen mit dieser enormen Leistungsstärke in so kleinen Baugruppen, haben diese Entwicklungsplattformen zur Serienreife geführt. Dank der massenhaften Verfügbarkeit von Entwicklungsplattformen können Entwickler nun viel einfacher IoT-Gateways entwickeln als je zuvor und das bei Einhaltung der immer kürzeren Terminvorgaben in dieser vorwärtsdrängenden Technologie.
Entwickler können die modernsten Development Kits nicht nur als Ausgangsentwurf für Weiterentwicklung ihrer Kreationen nutzen, sondern sogar Kleinserien gleich anhand dieser Boards realisieren. Diese Möglichkeit zu einer raschen Prototypenfertigung durch Plug-and-Play hat sich als kraftvolles Werkzeug erwiesen, mit dem Entwickler neuer IoT-Produkte die Zeit bis zur Marktreife drastisch verkürzen können.
Das Internet of Things
Bevor wir uns weiter mit diesem Thema befassen, lohnt es sich kurz zu beleuchten, was wir eigentlich unter dem „Internet of Things“ verstehen – mit der Bitte um Nachsicht an all diejenigen, denen das IoT bereits zur Selbstverständlichkeit geworden ist. Im Wesentlichen ist das IoT ein Mittel, um so gut wie alle physischen Objekte, die mit Embedded-Technik wie Sensoren oder sonstigen Funktionsmodulen ausgestattet sind, über das Internet miteinander zu verbinden und auf diese Weise diesen Objekten Abfragen und Kommunikation untereinander zu ermöglichen.
Wo kam dieses IoT-Ökosystem her? Einfach ausgedrückt, handelt es sich um das Ergebnis der Evolution, von Internet, Mikrosystemtechnik und Drahtloskommunikation. Es gibt Stimmen, die der Auffassung sind, dass wir im Jahr 2020 in einem gewöhnlichen Haushalt ungefähr 50 Geräte finden werden, die über das IoT zu einem interaktiven Smart Home-Netzwerk miteinander verbunden sind. Viele Geräte wie Fernseher und Heizungssysteme sind bereits in ein solches Netzwerk eingebunden und können aus der Ferne bedient und überwacht werden. Wir gehen davon aus, dass es in gerade mal drei Jahren weltweit, grob geschätzt, 25 bis 100 Milliarden in das IoT eingebundene Geräte geben wird.
Die Auswirkungen dieser Möglichkeit, eine extrem breite Vielfalt von unterschiedlichsten Geräten und Objekten mit ihren ganz eigenen Betriebssystemen und Softwarepaketen miteinander verbinden zu können, wird zum allergrößten Teil von Cloud-basierenden Plattformen, Open-Source-Hardware und anwenderfreundlichen Entwicklungswerkzeugen abhängen. Wenn wir Verwaltung und Steuerung einer riesigen Anzahl ausschlaggebender Geräte dem IoT überlassen, müssen die elektronischen und elektromechanischen Komponenten und Netzwerkelemente, die über das Gateway miteinander interagieren und mit der Cloud oder einem übergeordneten System kommunizieren zwei wesentliche Kriterien erfüllen – diese Komponenten und Elemente müssen enorm zuverlässig sein und dürfen nicht viel kosten.
Development Kits
Wir haben festgestellt, dass bei zukunftsweisenden IoT-Projekten Development Kits und Single-Board Computer die erfolgversprechendsten Mittel für Entwurf und Entwicklung der verlangten Lösungen darstellen.
Eines liegt auf der Hand: Je einfacher diese Kits in der Handhabung sind, desto besser. Schließlich weist das IoT offensichtlich das Potenzial auf, extrem komplex und daher für Entwickler eine echte Herausforderung zu sein. Embedded-Software, Drahtlos-Konnektivität, Cloud-Plattformen, blitzschnelle und akkurate Datenanalyse … Der Prozess der Entwicklung von Geräten und Systemen, die in dieser facettenreichen und extrem bewegten Echtzeit-Umgebung miteinander verbunden werden und kommunizieren können, muss so simpel wie möglich gehalten werden.
Noch vor 10 Jahren dienten Development Kits als Plattform für das Testen von Mikrocontrollern auf Funktionsfähigkeit. Mittlerweile haben diese Development Kits einen langen Entwicklungsweg zurückgelegt. Heutzutage sind viele dieser Development Kits darauf ausgelegt, Entwicklern ein preisgünstiges, anwendungsspezifisches und dennoch leistungsstarkes und einfach zu handhabendes Werkzeug für die Entwicklung von IoT-Lösungen in die Hand zu geben. Andererseits stehen heutzutage SBCs in sehr kleinen Baugrößen und mit enormer Funktionalität und Konnektivität zur Verfügung und das zu einem erschwinglichen Preis. Dadurch werden SBCs zu produktionsreifen Lösungen, mit denen Anbieter ihre Produkte schneller auf den Markt bringen können.
Aufgrund der immer höher werdenden Verfügbarkeit von SBCs zu einem immer günstigeren Preis ergab sich bei der Suche nach Entwicklungswerkzeugen für das IoT, die von einer möglichst großen Zahl von Entwicklern genutzt werden können, dass Development Boards nun nicht mehr anwendungsspezifisch und teuer sind und sämtliche Möglichkeiten eines bestimmten Chips oder Geräts repräsentieren. Das gilt insbesondere für MCUs (Microcontroller Units), MPUs (Microprocessor Units), DSP (Digitale Signalprozessoren) und FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays).
Abbildung 1: Anatomie eines typischen Boards
Selbstständige Entwickler vereinfachen mit Single-Board Computern die IoT-Prototypenerstellung
Heutzutage findet sich eine Vielzahl von SBCs auf dem Markt, die sich für die Prototypenfertigung von IoT-Geräten anbieten, und die Vielfalt ist möglicherweise verwirrend. Das beständige Anwachsen der Anzahl von – zu immer günstigeren Preisen – angebotenen Boards wurde von preisbewussten Entwicklern und Start-Ups vorangetrieben. Dadurch wurden diese Boards immer billiger, und das bei ständig steigender Funktionalität und Leistungsfähigkeit. Von diesem Wachstumssektor können wir wirklich sagen, dass er den Markt auf ein völlig neues Level gebracht und uns die Welt des IoT eröffnet hat. Einen deutlichen Schub erhielt dieser Markt mit der Einführung des extrem preisgünstigen und weltweit geschätzten Raspberry Pi SBC – an den so typische PC-Plug-In-Peripheriegeräte wie Maus, Monitor und Tastatur angeschlossen werden können.
Der Raspberry Pi – auf dem ein speziell zugeschnittenes Debian Linux mit dem Namen „Raspbian“ ausgeführt wird und für eine hervorragende Anwenderfreundlichkeit sorgt – gab zwar den Anstoß für die Evolution der SBCs zu enorm leistungsstarken und kostengünstigen Lösungen für eine breite Palette von allgemeinen Anwendungen, der Markt jedoch hat sich bald einer Reihe anderer SBCs zugewandt.
Eines dieser Boards ist das BeagleBone, ein durchgängig auf Open Source basierendes Development Board, das sich ebenfalls durch eine hohe Leistungsfähigkeit zu einem günstigen Preis auszeichnet. Dem BeagleBone wird nachgesagt, dass es den Entwicklern Android, Ubuntu und weitere Linux-Möglichkeiten in die Hand gibt und so eine schnelle Überleitung in die Produktion ermöglicht, ohne viel Theater, ohne hohe Kosten und ohne riesige Beschaffungsmengen. Wie der Hersteller des Boards sagt: „Beagles sind nette kleine, auf Open-Hardware und Open-Software basierende Computer, die an so ziemlich jedes Gerät im Haus angeschlossen werden können.“
Ein weiterer sehr beliebter SBC ist die WaRP7 Entwicklungsplattform. Diese Plattform ist auf Flexibilität und schnell umsetzbare Entwicklungsprojekte für das IoT und für den Markt der Wearables ausgelegt. Dieser SBC, eine der kleinsten, funktionsreichsten Plattformen für Wearable-IoT-Anwendungen, weist den Vorteil auf, dass er bereits produktionsreif ist. Der WaRP7 mit seinen hervorragenden Eigenschaften bezüglich Konnektivität, Lebensdauer der Batterie und Formfaktor erleichtert Entwicklern die Arbeit enorm. Aufgrund des Open Source-Konzepts bei Hard- und Software können Entwickler ihre Innovationen realisieren, ohne durch Lizenzbedingungen eingeschränkt zu werden. Dadurch kann die Zeit bis zur Marktreife verkürzt werden und Entwickler können Produkte hervorbringen, die auf dem immer komplexeren und härter umkämpften IoT-Markt hervorstechen.
Neben Single-Board Computers stehen uns heute auf Mikrocontroller basierende Boards, System-on-Chip Boards und Boards zur Verfügung, die für einen ganz konkreten Zweck entwickelt und hergestellt werden. Alle Development Boards verfügen über eine Reihe von Möglichkeiten für Drahtlos-Konnektivität – wie Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee und LoRa. Anhand dieser Funktionalitäten können LPWANs (Low-Power Wide Area Networks) für IoT-, Maschine-Maschine-, Smart City- und Industrieanwendungen generiert werden. Natürlich haben diese Boards auch noch einen Anschluss für ein Ethernet-Kabel.
IoT-Development Kit
Zu den sonstigen Entwicklungsplattformen auf dem Markt zählen auch die von einer Reihe von Herstellern angebotenen Development Boards, die ebenfalls für IoT-Anwendungen unabdingbare Kommunikationsmöglichkeiten aufweisen.
Dazu gehören die mit SimpleLink Wi-Fi Prozessoren ausgestatteten Texas Instruments CC3100 und CC3200 LaunchPad Wi-Fi als Ausgangsplattform für eigene Entwürfe. Diese Kits sind für Maschine-Maschine-Anwendungen in der Industrie sowie für Smart Energy, Smart Home, Sicherheitsgeräte und -einrichtungen und Multimediageräte vorgesehen.
Der auf die „dramatische Vereinfachung der Implementierung von Internet-Konnektivität“ ausgerichtete CC3100 ist mit einem Wi-Fi-Netzwerk-Prozessor und einem Subsystem für das Power-Management mit Wi-Fi „Internet-on-a-Chip“ ausgestattet. Dieses Produkt realisiert alle Protokolle für Wi-Fi und Internet, wodurch sich die Anforderungen an die Software der Host-MCU deutlich verringern.
Der CC3200 verfügt über eine Drahtlos-MCU mit einem mit 80 MHz betriebenen ARM Cortex-M4 Hochleistungs-Core. Mit diesem Produkt können Anwender die gesamte Anwendung anhand eines einzigen integrierten Schaltkreises (IC) entwickeln. Aufgrund des On-Chip-Wi-Fi, Internet und robusten Sicherheitsprotokollen verkürzt sich die Entwicklungszeit enorm, auch für mit Wi-Fi weniger erfahrene Anwender.
Die LaunchPad Boards sind zudem äußerst kompakt gestaltet. Dadurch eignen sich diese Boards besonders gut für IoT-Anwendungen, bei denen ein möglichst geringer Platzbedarf an oberster Stelle steht.
Ebenfalls zu erwähnen ist die NXP i.MX 6 Baureihe von Anwendungsprozessoren für allgemeine Anwendungen in Kfz-Elektronik, Unterhaltungs- und Haushaltselektronik und Industrie. Diese Multicore-Plattform umfasst Single-, Dual- und Quad-Core-Baureihen, basierend auf der ARM Cortex Architektur. Es finden sich auch auf dem Cortex-A9 basierende, auf einer Kombination Cortex-A9 + Cortex-M4 sowie auf dem Cortex-A7 basierende Lösungen.
Auch bei der i.MX 7 Baureihe handelt es sich um einen integrierten Anwendungsprozessor. Mit dieser Baureihe lassen sich Systeme mit geringer Leistungsaufnahme und somit sichere IoT-Anwendungen für tragbare und ortsveränderliche Geräte realisieren. Auch bei dieser Plattform handelt es sich um eine Multicore-Plattform mit ARM Cortex-A7 Core und ARM Cortex-M4 Core. Ebenfalls nochmals hier erwähnenswert ist die Entwicklungsplattform WaRP7, mit einem CPU-Mainboard von 2 cm x 4 cm eines der kleinsten Entwicklungssysteme überhaupt.
Weitere auf dem Markt verfügbare IoT-Lösungen sind die Microchip PIC32 Development Boards. Diese Boards sind mit verschiedenster On-Board-Peripherie für die Entwicklung von Geräten mit PIC32 Hochleistungs-MCUs. Das „Curiosity“ PIC32MZ EF Development Board ist auf die Vereinfachung der Einbindung von Produkten in die Cloud ausgerichtet, insbesondere bei der Entwicklung von auf Amazon FreeRTOS basierenden IoT-Anwendungen für Amazon Web Services (AWS). Bei diesem Bord handelt es sich um eine integrierte 32-Bit-Entwicklungsplattform, die u. a. über zwei mikroBUS Erweiterungssockel verfügt und so problemlos um spezielle Funktionen und Fähigkeiten erweitert werden kann.
Mit dem STMicroelectronics Nucleo Development Kit für IoT-Node-Wi-Fi können Systeme Sensordaten über Wi-Fi an die Cloud übertragen und Befehle von Cloud-Anwendungen empfangen. Das Development Kit besteht aus einem Nucleo-64 Development Board mit Cortex-M4F MCU, einem Wi-Fi-Erweiterungsboard, einem Erweiterungsboard für Mikrosysteme und Umweltsensoren und einem Erweiterungsboard für dynamische NFC-Tags. Die Embedded Software umfasst ein STM32 ODE-Funktionspaket für IoT-Node mit Wi-Fi, NFC und Sensoren mit Verbindung zur Microsoft Azure IoT-Cloud. Es gibt zudem ein STM32 ODE-Funktionspaket für IoT-Node mit Wi-Fi, NFC und Sensoren für die Schwingungsanalyse. Dieses Paket ist mit der IBM Watson IoT-Cloud verbunden.
Ebenfalls von STMicroelectronics sind die STM32 „Discovery“ Development Boards und Development Kits. Diese Systeme sind speziell als kostengünstige Lösung für eine Evaluierung der Fähigkeiten von STM32 MCUs vorgesehen. Diese Kits ermöglichen eine flexible Entwicklung von IoT-Nodes und unterstützen eine Vielzahl von Low-Power-Wireless Standards und Wi-Fi und beinhalten Bewegungs-, Gesten- und Umweltsensoren, die sich bei anderen Kits so nicht finden. Zudem verfügen die Kits über einen integrierten Debugger/Programmer und Erweiterungsanschlüsse, die den Zugriff auf fast alle der Eingänge und Ausgänge des Geräts und dadurch das Anschließen von Add-on-Hardware ermöglichen.
Zusammenfassung
Mit der mittlerweile eingetretenen Verfügbarkeit von äußerst preisgünstigen und enorm leistungsstarken Entwicklungsplattformen mit praktischen Formfaktoren und Funktionalität auf hohem Niveau wurden Entwickler in die Lage versetzt, IoT-Gateways schneller und kotengünstiger zu entwerfen und entwickeln, als das früher der Fall war.
Diese Development Kits, zu denen auch Singleboard-Computer gehören, werden eine entscheidende Rolle bei der rasanten Verbreitung des Internet of Things spielen. Durch diese Development Kits wird das IoT genau zu der Realität werden, die uns Entwerfer und Entwickler schon seit Jahrzehnen voraussagen.
Mobile Kommunikation und mobile Konnektivität sind in unserer Zeit wesentliche Bestandteile im Leben der meisten Menschen. Fast alle von uns nutzen bereits täglich Technologien wie Wi-Fi, Bluetooth, 4G, NFC und GPS. Auch ist heute eine unüberschaubare Vielzahl von Heimnetzwerken, regionalen Netzwerken und WANs (Wide Area Networks) in Betrieb und weltweit werden immer mehr Cloud-Speicherdienste in Anspruch genommen. Durch diese Entwicklungen wurde der Grundstein für das Internet of Things gelegt. Jedoch erst mit dem Aufkommen von kostengünstigen SBCs und Development Boards nimmt die Implementierung von IoT so richtig Fahrt auf. Dadurch wird sich das IoT zu etwas entwickeln – wie das Smartphone und das Internet auch – von dem sich die nächste Generation fragen wird, wie sich die Welt einst ohne diese Selbstverständlichkeit überhaupt drehen konnte.
Dank dieser Entwicklungsplattformen wird das Internet of Things zu einem wesentlichen Bestandteil unseres täglichen Lebens werden, und das wohl schon viel früher, als sich seine Erfinder realistischerweise überhaupt vorstellen konnten.
Warum SBCs und Development Kits so wichtig für das IoT sind Datum der Veröffentlichung: 15. Januar 2018 von Farnell