Möglichkeiten und Grenzen des Raspberry Pi im Industrieeinsatz

| Autor / Redakteur: Andreas Schlaffer * / Margit Kuther

Developer Kit von Kontron: bestückt mit Raspberry Pi Compute Module 3 Lite sowie einer SD-Card mit Raspbian-Betriebssystem.
Developer Kit von Kontron: bestückt mit Raspberry Pi Compute Module 3 Lite sowie einer SD-Card mit Raspbian-Betriebssystem. (Bild: Kontron)

Eignet sich Raspberry Pi für industrielle Projekte oder nicht. Mit dem Industrial Starterkit von Kontron und dessen zahlreichen Industrieschnittstellen können Entwickler die Industrietauglichkeit des Raspberry Pis für ihr Projekt testen.

Immer wieder stellt sich Entwicklern die Frage: Kann die als Bastler-PC bekannte und als Experimentierplattform weit verbreitete Raspberry-Pi-Platine mit ihrem Billigimage im Vergleich zu hochwertigen Standard-Industrie-PCs tatsächlich punkten? Denn die Anforderungen im industriellen Einsatz hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Langzeitverfügbarkeit sind dort um ein Vielfaches höher als im Labor einer Universität oder im Hobbyraum.

Nach den Erfahrungen von Kontron Electronics, der früheren exceet electronics aus dem österreichischen Ebbs und heute Teil der Kontron und S&T Gruppe, ist der Aufstieg des Raspberry Pi tatsächlich unaufhaltsam. Das hat weniger damit zu tun, dass die PC-Platine technologisch einzigartig ist, vielmehr damit, dass Raspberry Pi bei Berufseinsteigern bekannt und erprobt ist. Es bietet sich der Vergleich mit Microsoft Office oder Adobe-Produkten an: Günstige Einstiegsprodukte sind an Schulen und Universitäten zu Lehrzwecken naturgemäß beliebt. Im späteren Beruf lassen sich dann die Erfahrungen aus der Ausbildung nutzen und man setzt ungerne auf ein unbekanntes Pferd.

Das sind auch die Erfahrungen seit ungefähr fünf Jahren von Kontron Electronics: Von Kunden gelieferte Designs beruhen mittlerweile immer häufiger auf Prototypen auf Basis von Raspberry Pi. Ingenieure und Entwickler auf Kundenseite sind auf der Plattform ausgebildet und kommen schnell zu Ergebnissen. Diese werden vermehrt auf kostengünstigen Plattformen wie Raspberry Pi, Arduino oder Beagle Board geliefert; wobei Raspberry Pi den Löwenanteil einnimmt. An der Entwicklung ist auch Kontron Electronics selbst nicht ganz unschuldig, denn für Bachelor- und Masterarbeiten, die das Unternehmen unterstützt, wird häufig auch Raspberry Pi verwendet.

Anwender auf Kundenseite forderten Raspberry Pi

Kontron Electronics verfügt über langjährige Erfahrung darin, für Kundenanforderungen die passende Embedded-Plattform auszuwählen bzw. einen vorliegenden Designentwurf zur Serienreife zu bringen. Dies führte oft dazu, dass komplette Designs, die auf Basis von Raspberry Pi entstanden waren, hard- und softwareseitig von Grund auf neu entwickelt werden mussten, um einer Industrie-Prozessor- und Board-Plattform für die Serienfertigung zu genügen. Der finanzielle und zeitliche Aufwand für Kunden war entsprechend hoch, die Markteinführungszeiten der Produkte, vom ersten Design bis zur serienreifen Plattform entsprechend lang. Für Kontron Electronics war das Grund genug, sich zu engagieren, Raspberry Pi als Alternative oder vielmehr als Ergänzung zu Standard-Industrieplattformen zu etablieren.

Mittlerweile hat Kontron Electronics die ersten kommerziellen Projekte auf Basis von Raspberry Pi abgeschlossen und kann eine erste Bilanz ziehen. Nicht unerwartet, aber oftmals entgegen der Hoffnungen, steht die Erfahrung, dass der günstige Ausgangspreis für die Plattform nicht den Preis für ein serienreifes Produkt im industriellen Einsatz widerspiegelt. Es zeigt sich, dass auch für Prototypen auf Basis von Raspberry Pi Beratung bei der Umsetzung in ein serienreifes Industrieprodukt notwendig ist. Die daraus entstehende Industrieplattform ist in manchen Fällen nicht günstiger als eine standardisierte Embedded-Plattform. Kontron Electronics kann sogar auf Einsatzfälle verweisen bei denen sich nach der Beratungsphase zeigte, dass industrielle Standardprodukte für den Serieneinsatz in Summe günstiger waren.

Der Preis spricht nicht immer für Raspberry Pi

Oftmals ist aber der Preis nicht das einzig ausschlaggebende Argument: Was bei Rasp-berry Pi manchmal wichtiger ist, ist die Einfachheit der Software-Handhabung. Denn das Raspberry-Betriebssystem Raspbian OS auf Basis von Linux ist sehr einfach zu verwenden. So lassen sich beispielsweise Software-Pakete leicht nachinstallieren, was Zeit spart. Embedded Linux etwa ist deutlich schwerer und aufwendiger zu installieren und zu administrieren. Auch hier liegt der Grund für die Einfachheit darin, dass der Raspberry Pi ursprünglich nur für den Einsatz in Forschung und Lehre gedacht war.

Damit ist auch ein weiterer Grund gegeben, der oft für den Einsatz von Raspberry Pi spricht: der verfügbare Support durch eine weltweite Community von Fans und Spezialisten, wie sie kein kommerziell orientiertes Unternehmen anbieten kann. Insbesondere dadurch, dass sich viele Schüler, Studenten und junge „Maker“ für Raspberry engagieren, ist Offenheit und Hilfsbereitschaft, wie in Social Networks, sehr stark ausgeprägt, davon können auch Unternehmen profitieren. Man spricht sogar davon, dass Raspberry Pi die größte Linux-Support-Community weltweit hat.

Mit Support und Community raus aus der Bastlerecke

Die Größe der Community zeigt noch einen weiteren Vorteil: insgesamt wurde die Rasp-berry-Pi-Plattform über 20 Millionen Mal seit 2012 verkauft. Auf eine vergleichbar große Nutzerbasis kommt kein Standard-Industrie-PC; eine höhere Testabdeckung ist praktisch nicht möglich, dementsprechend ausgereift ist die Plattform, weshalb das „Bastler“-Image nicht so zutreffend ist, wie es oft behauptet wird.

Die Open-Source-Basis des Betriebssystems und vieler Anwendungen dagegen sind nur von eingeschränktem Vorteil für industrielle Anwender. Zwar sind viele Anwendungen unter einer freien Lizenz verfügbar, doch gegebenenfalls angepasster Source Code muss auch wieder unter der freien Lizenz veröffentlicht werden. Dies fällt vielen kommerziellen Unternehmen natürlich schwer, wenn „ihre Software“ wieder kostenlos jedermann verfügbar gemacht werden muss. Nicht viel anders sieht es aus, wenn nur einzelne Module aus bestehenden Applikationen verwendet werden, üblicherweise müssen auch daraus abgeleitet Programme wieder unter freier Lizenz veröffentlicht werden. Wer aber nicht auf Linux angewiesen ist, kann auch Windows IoT Core auf einer Plattform mit Raspberry Pi Compute Module 3 betreiben.

Nachteile müssen berücksichtigt werden

Dennoch gibt es im industriellen Umfeld für den Einsatz von Raspberry Pi auch Nachteile, die nicht unerwähnt bleiben sollten: einer ist die fehlende Standardisierung, verglichen mit Standards wie SMARC, Qseven oder COM Express. Zudem wird der Raspberry Pi nur von der Raspberry Foundation beziehungsweise ihren Distributoren vermarktet. Deshalb gibt es kaum Variantenvielfalt, zum Beispiel in puncto Leistung, Stromaufnahme oder Ausstattung.

Speziell für den Industrieeinsatz sind derzeit nur zwei Prozessorgenerationen als Compute Modules verfügbar: Das Compute Module 1 aus dem Jahr 2014 und das Compute Module 3, das Anfang 2017 vorgestellt wurde. Eine Prozessorauswahl, wie sie etwa Intel, AMD oder NXP für unterschiedliche Anwendungszwecke anbieten, gibt es von Raspberry Pi nicht. Eine garantierte Langzeitverfügbarkeit über sieben Jahre hinaus, wie sie Kontron für viele Standard-Industrie-PCs anbietet, ist für Raspberry Pi nicht erhältlich.

„Industrial Starterkit testet die RPi-Projekttauglichkeit

Diese Nachteile zeigen auch, warum eine generelle Aussage, für welche Anwendungen oder Branchen der Raspberry geeignet ist, nicht zu treffen ist. Es hängt immer vom jeweiligen Einsatzzweck ab. Unternehmen wie Kontron Electronics bieten daher ein „Industrial Starterkit“ an, auf dessen Basis sich sehr schnell ermitteln lässt, ob das Raspberry Pi Compute Module den Anforderungen entspricht. Das Starterkit verfügt über alle in der Industrie verbreiteten Schnittstellen wie Ethernet, CAN-Bus, 1-Wire und RS485/RS232. Das erprobte Schaltungsdesign und der industriell übliche Stromanschluss mit 24 Volt sorgen für eine zuverlässige Einsatzfähigkeit. Weitere industrielle analoge und digitale I/Os erlauben die Integration in vorgegebene Anwendungen. Auf der Basis des Starterkits lässt sich damit der Weg zum Prototyp und anschließend zum fertigen Produkt deutlich verkürzen.

Anwendungsbeispiel: Raspberry Pi im Krankenhaus

Kontron Electronics entwickelte gemeinsam mit einem Kunden eine mobile Lösung zur kontinuierlichen Echtzeiterfassung der Vitaldaten bettlägeriger Patienten. Berührungslos und unsichtbar unter dem Krankenhausbett untergebracht, misst eine Box Vitaldaten und zeichnet sie auf und alarmiert bei gravierenden Abweichungen Schwestern und Ärzte. Für die Aufzeichnung von Herz- und Atemfrequenz sowie Daten zur Dekubitus- und Sturzprophylaxe ist kein direkter Patientenkontakt erforderlich. Durch den Akkubetrieb lässt sich die Box einfach unter jedem Bett installieren.

Bei der Entwicklung der Hardware standen zudem folgende technische Anforderungen im Vordergrund: die Linux-Unterstützung – in dem Fall sollte Yocto Linux verwendet werden; der Support mehrerer Schnittstellen wie WLAN, LAN und Bluetooth; hohe Rechenleistung, die auch Machine Learning erlaubt und die Integration eines zusätzlichen unabhängigen Prozessors für die Gewährleistung der Messergebnisse.

Zertifizierung als Medizinprodukt möglich

Generell sollte das Produkt natürlich für den Einsatz im Klinikumfeld zertifizierbar sein: Es sollte als Medizinprodukt der Klasse 2b anerkannt werden, das entspricht der zweithöchsten Klass, wie auch bei Anästhesie- und Beatmungsgeräten. Außerdem sollte es der EN 60601 genügen, die Sicherheitsanforderungen und ergonomische Forderungen an medizinische elektrische Geräte und in medizinischen Systemen definiert. Daneben war die schnelle Umsetzung, Langzeitverfügbarkeit und natürlich ein gutes Preis-Leistungsverhältnis gefragt.

Gemeinsam mit dem Kunden wurde entschieden, für das Produkt auf das Compute Module 3 zu setzen. Verglichen mit den Anforderungen hatte es zwar Nachteile in puncto Stromverbrauch und Langzeitverfügbarkeit. Die Vorteile bei der Rechenleistung beim Linux-Support, und nicht zuletzt beim Preis-Leistungsverhältnis, machten die Nachteile in dem Fall jedoch wett.

Eine Umsetzung erfolgte sehr schnell auf Basis des Starterkits; bei der Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit, die für die Krankenhausumgebung sehr wichtig ist, überzeugte der Prototyp sofort. Die Schnittstellen ließen sich mit Raspbian OS sehr schnell verifizieren. Probleme gab es lediglich bei der Übertragung des Prototypens auf das geforderte Yocto Linux, hier half teilweise die Community weiter, aber auch die professionelle Kompetenz aus der S&T Gruppe zu der Kontron Electronics gehört.

Lesertipp: Sie interessieren sich für weitere Industriebeispiele mit Raspberry Pi? Dann lesen Sie die Beiträge: Unterbrechungsfreie Stromversorgung für Raspberry Pi samt Akku, Professionelle Automatisierung mit PiXtend, TC-Stromversorgungs-Lösung für Raspberry Pi, So wird Raspberry Pi 3 zum Industrie-Controller und Das beliebteste Raspberry-Pi-Zubehör für Entwickler.

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* Andreas Schlaffer ist Mitarbeiter bei Kontron Electronics

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Hallo Hartmut, danke für deinen Hinweis zum Thema OpenSource. Das ist natürlich richtig und...  lesen
posted am 06.02.2019 um 21:39 von Unregistriert

Hallo, freut mich wenn Ihnen der Artikel gefallen hat. Sie können das Board bei uns Kontron...  lesen
posted am 06.02.2019 um 21:36 von Unregistriert

Apropos Software: Neben Linux als Basisplattform muss man sich auch Gedanken machen, wie man seine...  lesen
posted am 06.02.2019 um 08:52 von Unregistriert

Das Thema Opensource ist schlecht angerissen. Der Zwang, die eigene Applikation selbst wieder open...  lesen
posted am 01.02.2019 um 13:19 von Unregistriert

Wo kann man das Board kaufen?  lesen
posted am 01.02.2019 um 09:50 von Unregistriert


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