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CPU-Boards und –Module

Anwendungen mit Ethernet-LAN und Wireless-Interface sowie Gateways

| Autor/ Redakteur: Jörg Neumann* /

Nach dem erfolgreichen Einzug des Ethernets in Industrieanwendungen schwappt seit einiger Zeit auch der Trend zur drahtlosen Netzwerkanbindung in die Automatisierungstechnik über. Ganz gleich, ob per WLAN, Bluetooth oder GSM/GPRS, Anlagendaten sollen möglichst von überall auf der Welt verfügbar sein.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die meisten Automatisierungssysteme und Single Board Computer (SBC) verfügen neben Feldbus- und seriellen Schnittstellen in der Regel lediglich über einen Ethernet-LAN-Anschluss. An ein Wireless Interface hat zum Zeitpunkt der Anschaffung noch niemand gedacht, bzw. war eine drahtlose Geräteanbindung überhaupt blanke Zukunftsmusik. Mit dem Aufkommen neuer Verfahren, wie z.B. drahtlosen Sensornetzwerken (Wireless Sensor Networks – WSN) wird auch der Ruf nach Embedded-System-Plattformen, die beide Welten miteinander verbinden, immer lauter.

Diese Gateways bilden die Schnittstelle zwischen den unterschiedlichen Protokollen des Ethernet-LAN und drahtlosen Netzwerken, wie z.B. ZigBee. Mit ZigBee können unterschiedlichste batteriebetriebene Sensoren realisiert werden. Durch ihren geringen Energieverbrauch erlauben diese Funkknoten einen kabellosen und mobilen Einsatz, was die anfallenden Installationskosten reduziert. Zudem kann ein ZigBee-Gateway neben Konvertierungs- und Filterfunktionen auch Koordinationsaufgaben wahrnehmen, und so u.a. als (Proxy-)Server den Web-basierten Zugriff auf Sensordaten ermöglichen.

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Ein typisches Anwendungsbeispiel für ein Wired-to-ZigBee-Gateway, ist das Condition Monitoring, also die vorausschauende Wartung (Preventive Maintenance). Durch ZigBee-Sensoren ist es mit relativ geringem Aufwand möglich, über kleine batteriebetriebene Mikrorechnersysteme (WSN Nodes) die Temperatur eines Getriebes dauerhaft zu erfassen und per Funk an ein Ethernet-LAN weiterzuleiten. Dort werden die Daten von einer übergeordneten IT-Anwendung entsprechend aufbereitet, auf zu erwartende Probleme analysiert und gespeichert.

Wofür werden Wired/Wireless-Plattformen benötigt?

Interessant bei einer solchen WSN-Lösung ist, dass sie sich auf Grund der Funksensoren auch nachträglich mit relativ geringen Beschaffungs- und Installationskosten in praktisch jede heterogene Fertigungslandschaft integrieren lässt. Dabei werden die WSN Nodes zum Einsammeln der Daten benutzt. Die drahtlosen Übertragungsverfahren sorgen dafür, dass keine zusätzlichen Planungs- und Installationskosten durch aufwändige Kabelverlegungen entstehen.

Das erforderliche Embedded Networking Gateway für eine solche Condition-Monitoring-Anwendung wird z.B. durch die Standardfamilie IEEE 1451 (NIST) spezifiziert. Bild 1 verdeutlicht das zu Grunde liegende Konzept. Der eigentliche Gateway wird gemäß IEEE als NCAP (Network Capable Application Processor) bezeichnet. Er ist auf der einen Seite in ein Ethernet-LAN eingebunden. Die Funkschnittstelle auf der Gegenseite als Verbindung zum Wireless-Sensor-Netzwerk kann nach IEEE P1451.5 durch unterschiedliche PHYs realisiert werden. Gegenwärtig sind hier PHYs für IEEE 802.11 (WLAN), IEEE 802.15.1 (Bluetooth) und IEEE 802.15.4 (ZigBee) spezifiziert. Es ist damit auszugehen, dass ihnen weitere Verfahren folgen werden.

Ein drahtloses Sensornetzwerk besteht aus einer Vielzahl preiswerter Kleinstsensoren (Sensorknoten = Sensor Node), die untereinander im Nahbereichsfunkverfahren des ISM-Bandes kommunizieren. Durch die geringe Sendeleistung, unterliegt ZigBee in der Praxis gewissen Einschränkungen hinsichtlich seiner Reichweite. Die zum Einsatz kommenden Funkverfahren basieren auf selbst konfigurierenden Ad-hoc-Konzepten. Dadurch erkennen die einzelnen Netzwerkknoten automatisch ihre möglichen Nachbarn und schaffen sich so eine dynamische Datenbasis der jeweils zur Verfügung stehenden Kommunikationsbeziehungen. Fällt ein einzelner Sensorknoten aus oder werden weitere Funksensoren hinzugefügt, konfiguriert sich das gesamte Netzwerk neu. Dadurch ist der Installationsaufwand besonders bei nachträglichen Änderungen des Netzwerks gering.

Das Grundkonzept drahtloser Sensornetzwerke

Jeder einzelne Sensorknoten ist in der Regel ein flexibles MCU-System mit geringem Energiebedarf, das auf einer Seite mit einem Prozess oder einem übergeordneten Subsystem als Datenquelle gekoppelt ist. Die andere Seite ist über eine Funkschnittstelle mit dem NCAP als Gateway verbunden. Gleichzeitig besteht allerdings auch die permanente Verbindung zu allen anderen WSN Nodes, die sich jeweils in Funkreichweite befinden. Als Spannungsversorgung dient eine Batterie oder ein Akku. Optional kann auch Energie aus der Umgebung bezogen werden (Solarzellen, Wärmequellen, Rotation usw.).

Der Sensor Node als Funktionseinheit kommt innerhalb einer WSN-Applikation grundsätzlich mehrfach vor. Durch das Zusammenwirken einer Vielzahl solcher drahtloser Sensorknoten als Netzwerkverbund können komplexe Vorgänge analysiert und überwacht werden. Ein WSN bildet somit ein sich selbst organisierendes, verteiltes Messsystem. Jeder einzelne Sensorknoten liefert die Daten über das Funknetzwerk an den zentralen NCAP (den Gateway), der als Server zum Einsatz kommt. Dieser bildet den Datenintegrationspunkt. Er ist in einer typischen WSN-Anwendung nur einmal zu finden. Auf diesem Server kommen – neben der Datenbank zur Datenzusammenführung und -auswertung – je nach Bedarf weitere unterschiedliche Anwendungen zum Einsatz. Die Auswertung der verdichteten Daten erfolgt in einer oder mehreren übergeordneten IT-Anwendungen.

Als Basis für die Entwicklung eigener Embedded Networking Gateways (z.B. NCAPs gemäß IEEE 1451) eignet sich der ADNP/9200 aus der Familie der DIL/NetPCs. Dieses Embedded-Linux-Modul basiert auf einer ARM9-MCU von Atmel (AT91RM9200), die mit 180 MHz betrieben wird. Die Speicherausstattung besteht aus 32 MByte Flash und 64 MByte SDRAM.

Gateway-Module beschleunigen die eigene Entwicklung

Das drahtgebundene Interface des ADNP/9200 bilden zwei 10/100-Ethernet-LAN-Schnittstellen, die unabhängig voneinander in unterschiedliche LANs eingebunden werden können. Diese Schnittstellen besitzen jeweils eigene MAC- und IP-Adressen. Die Funkschnittstelle (Wireless MAC/PHY) wird als eigenständiges Submodul über zwei Steckverbinder als Expansion Sandwich Layer (ESL) hinzugefügt. Die dabei zum Einsatz kommenden Funkmodule besitzen die erforderlichen Zertifizierungen für die jeweiligen ISM-Frequenzbänder. Es sind zurzeit Module für IEEE 802.15.1/Bluetooth und IEEE 802.15.4/ZigBee verfügbar. WLAN und GSM/GPRS folgen in Kürze. Bild 2 zeigt die Blockschaltung des ADNP/9200.

Durch die 32-Bit-Architektur, 180 MHz Takt und die Speicherkapazität steht ausreichend Rechenleistung zur Verfügung, um auch anspruchsvolle Kommunikationsaufgaben – z.B. 2× Ethernet-LAN bei gleichzeitiger SSL-Verschlüsselung sowie Bluetooth- oder ZigBee-konformer Funkdatenkommunikation – zu lösen. Die gesamte Schaltung besitzt die Bauform eines ICs im DIL-Gehäuse. Alle wichtigen Signale des Moduls stehen an einer 128-poligen Steckerleiste zur Verfügung. Über diese Verbindung erfolgt auch die Spannungsversorgung mit 3,3 V DC. Die geringe Stromaufnahme führt zu minimaler Abwärme – somit ist keine besondere Kühlung erforderlich, wodurch sich das Modul besonders für den Einbau in komplett geschlossene Gehäuse empfiehlt.

Über das im Flash-Speicher installierte Embedded-Linux-Betriebssystem stehen Treiber und Protokollstacks für alle relevanten Wired- und Wireless-Verbindungen zur Verfügung. Hierzu zählen auch verschiedene Server (Telnet, SSH, FTP, SFTP, HTTP usw.), um aus einem Ethernet-LAN heraus auf den Gateway-Knoten zuzugreifen. Für die Zusammenführung der aus dem Funknetzwerk gesammelten Daten bietet Linux ebenfalls verschiedene Möglichkeiten. Bei Bedarf kann der ADNP/9200 um einen SD/MMC- oder Compact-Flash-Steckplatz erweitert werden. Dieser kann dann zu einer, von der Versorgungsspannung unabhängigen, Langzeit-Datenspeicherung genutzt werden.

Anwendungen mit Ethernet-LAN und Wireless-Interface nebst den als Bindeglieder erforderlichen Gateways bilden für die meisten Entwickler eine große Herausforderung. Die Auswahl geeigneter Plattformen und Werkzeuge ist daher eine wichtige Voraussetzung, die in vielen Fällen über den Erfolg, bzw. Misserfolg, des eigenen Projektes entscheidet.

*Jörg Neumann betreut das Marketing im Bereich Board-Level- und industrielle Kommunikationssysteme (SBC/COM) bei SSV Software Systems, Hannover.

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