Internet der Dinge Cyber-Physical Systems ganz konkret

Autor / Redakteur: Marco Schmid * / Franz Graser

Eine neue Generation smarter, dezentraler und vernetzter Embedded Systems erfordert neue Denkweisen und Entwicklungsmethoden.

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Bild 1: Cyber-Physical-Systems «CPS» stützen auf den drei CCC-Kerntechnologien ab und sind eins mit ihrer Umgebung: Informationen aus physikalischen Vorgängen gewinnen, in Echtzeit berechnen, dynamische Regelprozesse steuern und per Netzwerk überall verfügbar machen.
Bild 1: Cyber-Physical-Systems «CPS» stützen auf den drei CCC-Kerntechnologien ab und sind eins mit ihrer Umgebung: Informationen aus physikalischen Vorgängen gewinnen, in Echtzeit berechnen, dynamische Regelprozesse steuern und per Netzwerk überall verfügbar machen.
(Bild: National Instruments)

Was ist der Unterschied zwischen bisherigen Embedded-Systemen und Cyber-Physical Systems (CPS)? Warum überhaupt dieser Wechsel? Was kommt als Embedded-Entwickler Neues auf mich zu? Wie lassen sich die Herausforderungen meistern? Welches sind die Anwendungsbereiche?

Aus Forschungssicht betrachtet werden im Zusammenhang mit CPS primär komplexe Systeme wie das landesweite Smart Grid genannt [1].

Ziel dieses Artikels ist es, das heute noch abstrakte Thema anfassen zu können und bei praxisorientierten Aufgaben zu bleiben, denen sich typischerweise kleine Forschungs- und Entwicklerteams oder industrielle KMU's zu stellen haben. Drei konkrete Beispiele zeigen Möglichkeiten und Nutzen dieser neuen Liga von Embedded-Systemen.

Warum überhaupt Cyber-Physical Systems? Als Einstieg soll eine Analogie aus dem Geschäftsalltag dienen: Das klassische Embedded-System entspricht dem Sachbearbeiter, der eine vom Chef erhaltene, klar definierte Aufgabe innerhalb seines Verantwortungs- und Kompetenzbereichs zu einem bestimmten Zeitpunkt abzuliefern hat.

Das CPS-Szenario entspräche dem gegenüber eher einem strategischen Meeting, bei dem sich mehrere Entscheidungsträger, die sich persönlich nicht kennen und aus verschiedenen Ländern kommen, über eine Videokonferenz verbinden, um gemeinsam eine bestimmte Aufgabe zu lösen, ohne dass der Weg dazu bekannt ist.

Klassischen Embedded-Systemen kommen meistens klare Mess-, Steuer- und Regel-aufgaben zu. Diese erfüllen sie als Black Box im rauen Industriebetrieb zuverlässig und in Echtzeit, meistens auf einem Mikroprozessor mit limitierten Ressourcen. Schwerpunkte bei der Entwicklung liegen hier bei Hardwareschnittstellen, Gerätetreibern, RTOS's, Multitasking, Memorymanagement und Code-Optimierung. Die Aufgaben eines Cyber-Physical Systems gehen in Bezug auf Funktionalität, Robustheit, Adaption, Intelligenz und Vernetzbarkeit deutlich weiter [2].

Bild 2: Ein mit dem Internet vernetztes CPS auf Basis von Mikroprozessoren kann dank LabVIEW und Schmid Elektroniks ZBrain-SDK von einem NIST-Zeitserver sehr einfach das Datum und die Zeit auslesen (Beispiele siehe : http://tf.nist.gov/tf-cgi/servers.cgi#)
Bild 2: Ein mit dem Internet vernetztes CPS auf Basis von Mikroprozessoren kann dank LabVIEW und Schmid Elektroniks ZBrain-SDK von einem NIST-Zeitserver sehr einfach das Datum und die Zeit auslesen (Beispiele siehe : http://tf.nist.gov/tf-cgi/servers.cgi#)
(Bild: Schmid Elektronik)

Was ist anders bei Cyber-Physical Systems?

In den letzten Jahren hat sich der Aufgabenbereich der Embedded-Systeme zunehmend erweitert, denkt man nur an verteilte, dezentrale intelligente Knoten, die in einem Messnetzwerk verbunden sind und sogar global verfügbare Internet-Dienste nutzen können. Speziell die Smartphones und Tablets haben einen Umbruch ausgelöst, indem Bediener ihre Erwartungshaltung vom privaten Umfeld ins Geschäftliche übertragen haben. Um diese neue Liga von klassischen Embedded-Systemen zu differenzieren, wurde kurz vor der Jahrtausendwende an der California University von Berkeley, USA, der Begriff Cyber-Physical Systems, kurz CPS, geschaffen.

Im Zentrum stehen Informationen: Aus physikalischen Vorgängen gewonnen, in Echtzeit berechnet, via Netzwerk überall verfügbar und Teil dynamischer Regelprozesse. Von einem CPS kann dann gesprochen werden, wenn die meisten Merkmale der CPS-Karte (Bild 1) erfüllt sind. Nach [3] fließen bei CPS Embedded-Systeme, Echtzeitsysteme, verteilte (etwa drahtlose) Sensornetzwerke und Regelsysteme zu einem System der Systeme zusammen.

Die treibenden Kerntechnologien sind Computing, Kommunikation und Echtzeitregelung. Wegen der Nähe zu physikalischen Prozessen sind Dynamik, Parallelität und Timing zentrale Anforderungen an ein CPS. Dies macht es interdisziplinär und deutlich komplexer als ein klassisches Embedded-System. [1] zeigt eine sehr umfassende Mindmap mit Eigenschaften und Beziehungen der Komponenten eines CPS. Sie diente als Basis des hier vereinfachten Modells eines Cyber-Physical Systems in Bild 1.

Welches CPS-Entwicklungswerkzeug ?

Tabelle 1: Was erfordert ein Cyper-Physical System (links) und welche konkreten Lösungen bietet die Entwicklungsplattform LabVIEW (rechts)?
Tabelle 1: Was erfordert ein Cyper-Physical System (links) und welche konkreten Lösungen bietet die Entwicklungsplattform LabVIEW (rechts)?
(Quelle: Schmid Elektronik)

Sowohl Ragunathan Rajkumar [3] als auch Edward A. Lee [4] sind sich einig, dass die Softwareentwicklung von Cyber-Physical Systems eine weitere Abstraktion und vor allem Timing in der Sprachsemantik [4] erfordern. An anderer Stelle [5] hat der Autor beschrieben, warum sich die Entwicklungsumgebung LabVIEW mit der grafischen Programmiersprache G sehr gut zur Bewältigung von CPS-Problemen eignet. Erstens werden die Vorteile einer visuellen, abstrahierenden Sprache mit dem Strukturierenden der Programmiersprache C kombiniert.

Zweitens dient G quasi als Hirnverstärker, da das Kreative in uns effektiver genutzt werden kann. Und drittens bringt LabVIEW die nötige Timing-Semantik [4] und Hardwarekompatibilität mit, die bei einem Cyber-Physical System so wichtig sind. Die Tabelle 1 stellt den Anforderungen an ein CPS (CPS-Karte in Bild 1) die entsprechenden Merkmale von LabVIEW gegenüber.

(ID:42554953)