Internet der Dinge

Cyber-Physical Systems ganz konkret

Seite: 2/2

Firmen zum Thema

Multifunktionelle Hardware

Die Hardwarebausteine von CPS (Bild 3) sind Embedded-Systemen sehr ähnlich – außer dass sie in den physikalischen I/O-Funktionen und Kommunikationsmöglichkeiten ausgeprägter sind. LabVIEW unterstützt zwei Ansätze: Von Einsteckmodulen im Scheckkarten- oder Briefmarkenformat (Bild 3 links) bis zu kundenspezifischer, integrierter Mikroprozessorhardware (Bild 3 rechts).

Bild 3: Wichtige Hardwarebausteine von CPS sind Rechner im Scheckkarten- oder Briefmarkenformat (links) oder voll integrierte Hardware (rechts). Sie werden mit LabVIEW auf Mikroprozessoren programmiert, sind vernetzt und synchronisiert.
Bild 3: Wichtige Hardwarebausteine von CPS sind Rechner im Scheckkarten- oder Briefmarkenformat (links) oder voll integrierte Hardware (rechts). Sie werden mit LabVIEW auf Mikroprozessoren programmiert, sind vernetzt und synchronisiert.
(Bild: Schmid Elektronik)

Nahezu jeder am Markt verfügbare I/O-Baustein lässt sich an das System anbinden und mit der grafischen Notation ansteuern, etwa über digitales I/O, synchrone (SPI) und asynchrone (UART) serielle Schnittstellen oder parallele High-Speed-Bussysteme. Typische Beispiele sind Analog-I/O bis 5 MHz, PWM, Counter, Encoder und Digital-I/O, USB, UART, Ethernet, Wireless/WLAN, CAN, RFID, GSM/GPRS, GPS, Zigbee, I²C, SPI, Micro-SD und Color-TFT's mit CAP-/Multi-Touch.

Das Anbindungskonzept ist unabhängig von der Rechnerplattform dasselbe: Hardwareentwickler schließen die externen I/O-Bausteine an die Prozessor-Pins an und sorgen für Schutz der fragilen 3,3V-Signale gegenüber der rauen Außenwelt. In der LabVIEW-Umgebung steht für jede dieser Hardwarefunktionen ein Funktionsblock oder Virtuelles Instrument (VI) zur Verfügung (Treiber). Im Serienprodukt können Einsteckmodul und Baseboard in eine kundenspezifische Mikroprozessorhardware integriert und dank flexibler IP-Modelle wirtschaftlich hergestellt werden.

Wie die in diesem Beitrag vorgestellte Entwicklungsmethode schon heute erfolgreich eingesetzt wird, zeigen drei Projektbeispiele aus der Praxis. Ihnen ist gemeinsam, dass sie einen großen Überdeckungsgrad mit der CPS-Karte (Bild 1) haben, mit LabVIEW auf Mikrocontroller/FPGA realisiert wurden, interdisziplinär und komplex sind und der traditionelle Ansatz aufgrund der strikten Terminvorgaben machtlos war.

Das erste Beispiel kommt aus der mobilen Robotik: Entwickler am Forschungsinstitut Nanyang-Polytechnic in Singapur haben einen Roboter entworfen, der lebensrettende Einsätze unterstützen soll. Der kleine mobile Sechsbeiner kann diverse Hindernisse selbständig meistern und so an schwer erreichbaren Orten selbständig nach eingeschlossenen Opfern suchen (Bild 4 links). Der Clou: Dank drahtloser Online-Verbindung kann er komplexe Aufgaben im Roboterteam bewältigen.

Bild 4: Drei konkrete Cyber-Physical Systems, wie sie von kleinen Forschungs- und Entwicklungsteams oder mittelständischen Betrieben bereits heute realisiert werden. Vom teamfähigen mobilen Spinnenroboter (links) über das autononome und zeitsynchronisierte Pipeline-Messnetzwerk (Mitte) bis zur drahtlosen Sensorfusion mit Telemetrie und In-Situ-Monitoring (rechts)
Bild 4: Drei konkrete Cyber-Physical Systems, wie sie von kleinen Forschungs- und Entwicklungsteams oder mittelständischen Betrieben bereits heute realisiert werden. Vom teamfähigen mobilen Spinnenroboter (links) über das autononome und zeitsynchronisierte Pipeline-Messnetzwerk (Mitte) bis zur drahtlosen Sensorfusion mit Telemetrie und In-Situ-Monitoring (rechts)
(Bild: Schmid Elektronik)

Beim zweiten Beispiel handelt es sich um ein autonomes Messnetzwerk, das in Norwegens größtem Industrieprojekt 1000 Meter unter dem Meeresspiegel die Schwingungen von Gaspipelines überwacht (Bild 4 Mitte). Der CPS-Touch: Das Monitoring erfolgt durch Echtzeit-Synchronisierung mehrerer autonomer Messknoten mit akustischen Modems unter Berücksichtigung der Umgebung (Salzgehalt und Temperatur des Wassers) zur Berechnung der exakten Messtimings.

Das dritte Beispiel ist ein telemetrisches mobiles drahtloses Messnetzwerk für die dynamische Fahrzeug- und Reifenanalyse (Bild 4 rechts). Dezentrale Echtzeitkommunikation war Dreh- und Angelpunkt dieser Messaufgabe. In vier Messknoten werden Sensordaten erfasst, drahtlos an eine lokal installierte Blackbox geleitet, dort auf einem Touch-Display visualisiert, auf SD-Card abgespeichert und in Echtzeit zu einem entfernten Empfänger (Tower) geleitet. Gegenwärtig bestimmt zwar noch der Testfahrer als Teil des Systems die Strategie.

Es ist aber angedacht, diesen schließlich durch ein X-by-Wire Steuerungssystem zu ersetzen, um damit in Regressionstests reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten: Nasshaftung von Reifen, Extrembeschleunigungen in Kurven beim Motorsport, Geschwindigkeitsverhalten von 600-PS-Polizeiautos oder blockierende Reifen beim Bremsen (ABS). Gerne schickt der Autor interessierten Lesern Whitepapers und Fachartikel zu diesen CPS-Projekten zu (marco.schmid@schmid-elektronik.ch).

Rendez-Vous der virtuellen mit der realen Welt

Bei Cyber-Physical Systems prallen zwei auf den ersten Blick inkompatible Welten aufeinander: Auf der einen Seite die mathematisch präzise und logische Welt der Bits und Bytes der Computertechnologie, auf der anderen Seite die unvorhersehbaren und mit Rauschen und Nichtlinearitäten behafteten physikalischen Vorgänge mit Atomen und Energieflüssen.

Die klassischen Embedded-Systeme haben versucht, diesen Phänomenen mit Echtzeit-Determinismus und hoher Sensor- und Aktorauflösung zu begegnen. Es gibt dabei Grenzen, die nur mit höherer Robustheit und Adaption gelöst werden können – eben mit Cyber-Physical Systems. Diese werden uns einen komplett neuen Umgang mit physikalischen Vorgängen ermöglichen, so ähnlich wie das Internet die Menschen dieses Planeten zusammengebracht [3] oder das Smartphone unser Kommunikationsverhalten verändert hat.

Literaturhinweise:

[1] Zusammenfassung und Quellen zu Cyber-Physical-Systems : www.cyberphysicalsystems.org

[2] Cyber-Physical Systems, Wayne Wolf, Georgia Tech, IEEE Computer Society, 2009

[3] Cyber-Physical Systems: The Next Computing Revolution, Ragunathan Rajkumar et. al., Carnegie Mellon University, Design Automation Conference 2010, Anaheim, California, 2010

[4] Cyber-Physical Systems: Design Challenges, Edward A.Lee, Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California at Berkeley, Tech Report Nr. UCB/EECS-2008-8.

[5] Embedded-Softwareentwicklung für Cyber-Physical Systems – Kreativität entfesseln, Marco Schmid, Schmid Elektronik AG, iX Developper 2/2014-Embedded-Software.

* Marco Schmid ist Diplom-Ingenieur (FH) für Systemtechnik. Er ist in der Geschäftsleitung der Schmid Elektronik AG in Münchwilen/Schweiz tätig.

(ID:42554953)