IoT-fähigen Embedded-Prozessoren Intelligenz „on the edge” für IoT- und Industrie-4.0-Anwendungen

Die Menge an IoT- und Industrie-4.0-Daten wächst exponentiell. Daher wird immer mehr Rechenleistung an den Netzwerkrand verlagert. Jetzt muss die Intelligenz „on the edge“ noch effizienter werden.

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Für mehr Intelligenz und Effizienz an den äußersten Rändern des Netzwerks sorgen standardisierte Computer-on-Module (COM) und Single-Board-Computer (SBC), zusammen mit Edge- und Fog-Technologien und entsprechender Middleware. Kontron, ein weltweit führender Anbieter von IoT und Embedded Computer Technologie, setzt neben COM Express und Qseven Modulen mit x86 Architekturen von Intel und AMD insbesondere auch auf die kompakten, nur 82 x 50 mm großen SMARC 2.0-Module mit ARM-Technologie von NXP für stromsparende Applikationen. Die Modul-Palette auf den verschiedenen Standards deckt die gesamte Bandbreite der neuesten Internet of Things (IoT)-fähigen Embedded-Prozessoren für individuelle Steuerungs-, Visualisierungs- und Kommunikationsaufgaben ab.

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SMARC-Module mit i.MX-Prozessoren von NXP

Zu den neuesten Industrie-4.0-Lösungen von Kontron im Rahmen der Entwicklungszusammenarbeit mit NXP zählen die i.MX- und Layerscape-basierten SMARC 2.0-Module. Ein breites Leistungsspektrum deckt beispielsweise das SMARC-sAMX6i Modul für den industriellen Temperaturbereich von -40 bis 85°C mit Single-, Dual- und Quad-Core Varianten der ARM Cortex-A9-Architektur und dem Cortex-M4-Kern für Echtzeit-Anwendungen ab. Bei nachfolgenden i.MX-Generationen ist dies Standard. Umfassend erprobt in Industrie-Anwendungen, unter anderem bei intelligenten Industrie-Kontrollsystemen und HMI, eignet sich das Modul auch für allgemeine Embedded-Anwendungen wie zum Beispiel in der Gebäudeautomation.

Als erster Embedded-Hersteller brachte Kontron NXP i.MX7-basierte Module auf SMARC- und Qseven-Standards auf den Markt. Die i.MX7 Prozessoren benötigen nur ein Drittel des Leistungsbedarfs der i.MX6-Prozessoren. Sie eignen sich damit vor allem für Anwendungen mit niedriger Komplexität und geringem Stromverbrauch, wie sie etwa in mobilen Geräten oder in Edge-Routing- und Gateway-Produkten im industriellen IoT-Umfeld zum Einsatz kommen.

Die NXP i.MX8X-Prozessoren in der Dual- oder Quad-Core Variante sind die Grundlage des SMARC-sAMX8X mit bis zu vier Cortex-A35-Kernen und einem zusätzlichen Cortex-M4-Kern für Echtzeitaufgaben. Die i.MX8-Serie kann bis zu drei Displays gleichzeitig steuern und bietet mehrere Optionen für Hochgeschwindigkeitsschnittstellen. Mit seinem hohen Integrationsgrad und dem geringen Stromverbrauch eignet sich das Modul insbesondere für industrielle Automatisierung, Industriesteuerungen, HMI und Robotertechnik.

Neues SMARC-Modul mit TSN-fähigen Ethernet-Ports

Mit dem SMARC-sAL28 auf Basis des NXP Layerscape LS1028 bietet Kontron erstmalig ein SMARC-Modul an, das bis zu fünf integrierte TSN-fähige 1GB Ethernet-Ports und einen integrierten Switch direkt aus dem Controller verfügt. Das hochintegrierte Modul erfüllt die Spezifikationen des Time Sensitive Networking-Standards IEEE 802.1 TSN und ist derzeit die kostengünstigste Lösung zur Implementierung von TSN-fähigen IoT-Gateways. Daneben bietet Kontron für TSN eine PCIe Einsteckkarte für Systeme sowie ein TSN Starterkit für den Einstieg in die TSN Technik an.

TSN zusammen mit OPC UA für die sichere Datenkommunikation von der Feldebene bis zur IT/Cloud ist der Schlüssel für die Realisierung von deterministischen Ethernet-basierten und damit „echten“ Industrial-IoT-Systemen. Die verschiedenen TSN-Substandards stellen zudem Mechanismen für eine Vielzahl weiterer Anwendungen bereit, zum Beispiel für die Bereiche Automotive und allgemeine Audio- und Video-Anwendungen.

Das Modul basiert auf einem NXP Dual Cortex A72 LS1028 Prozessor sowie einer 3D GPU und bietet eine Vielzahl von Schnittstellen, wie Dual Channel LVDS für HDMI- oder DP-Displays, und für die industrielle Kommunikation und I/Os einen CAN Anschluss, bis zu sechs USB 2.0 Ports, einen USB 3.0 Port, vier serielle und zwölf GPIO Schnittstellen an.

Für IoT-Anwendungen und Edge Computer im Mittel- und Hochleistungsbereich eignen sich die COM Express Module von Kontron mit skalierbarer x86 Leistung von Intel Atom über Intel Core i3, i5, i7 Prozessoren bis hin zu Intel Server Class Prozessoren für Server, KI, Machine Learning oder Hochleistungs-CNC-Steuerungen. Wird hohe Rechenleistung für die Steuerung gepaart mit höchster Grafikleistung für die Visualisierung oder Bildbearbeitung benötigt, dann kommen COM Express Module mit dem Intel Core i7 Prozessor der 8. Generation oder der AMD Ryzen V1000 QC zum Einsatz.

Vom Sensor bis in die Cloud: das IoT-Software-Framework SUSiEtec

Die Steuerung von Industrie-4.0-Architekturen mit Edge Computing bringt eine Fülle neuer Aufgaben mit sich. Sensoren, Edge-Knoten und andere IoT-Geräte müssen untereinander und mit Cloud-Frameworks verbunden werden. Edge-Geräte sollten auch aus der Ferne bereitgestellt, verwaltet und aktualisiert werden können.

Diese Herausforderungen adressiert Kontron mit dem IoT-Software-Framework SUSiEtec, der Schwesterfirma S&T Technologies innerhalb der S&T Gruppe. SUSiEtec schafft die softwareseitige Voraussetzung für die sichere Verbindung der Komponenten untereinander sowie die Anbindung an die Cloud. Das IoT-Software-Framework fungiert als „Middleware“ des IIoT: Es übernimmt die komplette Vernetzung, einschließlich Private-/On-Premise-, Public- oder Hybrid-Cloud-Einbindung sowie Hosting, wandelt Protokolle um, sammelt, filtert und analysiert Steuerungs- und Sensordaten direkt vor Ort. Im Industrie-4.0-Umfeld unterstützt SUSiEtec den „From Edge to Fog to Cloud“-Ansatz von Kontron, wonach Unternehmen ihre Daten genau dort auswerten können, wo es erforderlich ist. Das Framework ist komplett in die Kontron IoT-Edge Gateways, Fog-Computing- und Server-Plattformen integriert.

Industrie-Computer-Plattform für Edge-Gateway-Anwendungen

Die Kontron Computer-on-Module, SBCs und Motherboards kommen auch in den eigenen Industrie-Computer-Plattformen zum Einsatz, beispielsweise in der Kontron KBox-Familie. Die IoT-fähigen Standard und kundenspezifischen KBox Embedded Box PCs eignen sich für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen. Sie können als Controller-Plattform für anspruchsvolle Steuerungs- und Visualisierungsaufgaben genutzt werden, aber auch als intelligentes Gateway für datenintensive IoT-Edge-Anwendungen. Die KBox A-Serie basiert auf dem SMARC 2.0-Standard und 3,5-Zoll SBCs, die KBox B-Serie auf Mini-ITX und die KBox C-Serie auf COM Express Standard.

Bei der mit einem Intel Atom x5-E3930 Prozessor ausgestatteten KBox A-203 handelt es sich um ein intelligentes IoT-Gateway für Edge Analytics, Datenerfassung und Remote Monitoring. Die zahlreichen Schnittstellen ermöglichen die Anbindung an verschiedene Kommunikationsebenen.

Die Kontron KBox C-102 Serie basiert auf COM Express Modulen und wurde speziell für den Einsatz in Schaltschränken im Automatisierungsumfeld konzipiert. Sie sind mit leistungsstarken Prozessoren der Intel Core i3/i5/i7 Prozessorreihe bestückt, für höchste Performance-Anforderungen bei Steuerungs- und Visualisierungsaufgaben wahlweise auch mit Intel Xeon Prozessoren. Alle KBox Systeme können über mPCIe-Karten mit den gängigen Feldbussen erweitert werden und die KBox C-102 ist auch die Basis für den Kontron TSN Starterkit.

Fazit: Skalierbarkeit und TSN für Industrial IoT

Vordefinierte, skalierbare Embedded-Module spielen eine zentrale Rolle, wenn es darum geht, die in IoT- und Industrie-4.0-Umgebungen benötigte Intelligenz am Netzwerkrand effizient bereitzustellen und die Steuerung von Edge Computing-Architekturen zu vereinfachen. Um den Anforderungen von Next-Generation-IoT-Implementierungen für Cloud und Edge Computing zu entsprechen, setzt Kontron auf den TSN-Standard.

IoT-Plattform

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