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.

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.

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