Verwendung von Einplatinen-Computern zur Erstellung einer IIoT-Edge-Computing-Plattform

Cloud-basierte Rechenzentren sind wichtige Ressourcen für das industrielle Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT), da sie skalierbare Massenspeicher, Verarbeitung, Analyse, regelmäßige Aufmerksamkeit für die Sicherheit und kontinuierliche Funktionalitätsaktualisierungen bieten; sich bei allem auf die Cloud zu verlassen, hat jedoch mehrere Nachteile. Beispielsweise kann die Latenzzeit zwischen der Cloud und dem Netzwerkrand für unternehmenskritische Funktionen wie Prozess- und Bewegungssteuerung zu lang sein. Darüber hinaus können Daten Hackern ausgesetzt sein, und große Datentransfers können die Kommunikationsressourcen schnell belasten. Die Lösung für diese Probleme besteht darin, so viel Verarbeitung und Analyse wie möglich am Netzwerkrand durchzuführen.

Für diese IIoT-Randverarbeitung bieten Computerplattformen auf der Basis von Einplatinencomputern (SBCs, Single-Board-Computer) den Entwicklern eine wachsende Zahl kostengünstiger und gut unterstützter Lösungen. Hersteller von eingebetteten Systemen adressieren diesen neuen Markt mit 64-Bit-Prozessor-SBCs mit Hochgeschwindigkeitsspeicher, Unterstützung für Solid-State-Massenspeicher und mehrere Betriebssysteme, hohen Sicherheitsstufen, Dutzenden von Pins für GPIO und vielen anderen Funktionen.

In diesem Artikel werden die Notwendigkeit von SBCs am Rand und ihre Auswahl und Integrationsüberlegungen für das IIoT-interne Edge-Computing diskutiert. Anschließend werden anhand von Beispielen SBCs von Advantech, Digi, UDOO und VersaLogic sowie Raspberry Pi vorgestellt und gezeigt, wie Designer diese zur Erstellung von Computerlösungen verwenden können, die auf die IIoT-Edge-Umgebung zugeschnitten sind.

Warum SBCs für IIoT verwenden?

Ein bedeutender Vorteil von SBCs für IIoT-Designer ist die Flexibilität bei der Konfiguration der Gesamtplattform und die Möglichkeit, nur das auszuwählen, was jetzt benötigt wird, und gleichzeitig die Möglichkeit der Skalierung zu bieten - ohne die gesamte Plattform zu verschrotten, wie es bei einem speziell angefertigten PC der Fall sein könnte. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Entwickler, nachdem sie das System von Grund auf neu entworfen haben, Kenntnisse erworben haben, die in Zukunft von wesentlicher Bedeutung sein werden, da der Bedarf an mehr Computerressourcen steigt.

SBCs sind so vielfältig wie die Anwendungen, für die sie konzipiert sind. Verteidigungs- und Luft- und Raumfahrtsysteme beispielsweise basieren häufig auf SBCs in den Formfaktoren 3U und 6U und basieren in der Regel auf dem offenen VPX-Standard. Ihre Host-Prozessoren sind in der Regel High-End-Prozessoren von Intel und enthalten FPGAs aus der Xilinx Virtex-Familie oder Grafikverarbeitungseinheiten (GPUs) als Hardware-Beschleuniger sowie 12- und 16-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADCs) und Digital-Analog-Wandler (DACs) mit viel DDR4-Speicher. Außerdem bestehen ihre Backplanes aus vielen Lanes von PCIe Gen 4 und Switch Fabrics wie Rapid IO und PCIe. Die Funktionen sind natürlich mit Kosten verbunden.

Am anderen Ende der Skala stehen Hobby- oder "Maker"- SBCs, die dank der enormen Popularität von Raspberry Pi, Arduino und anderen Plattformen weltweit millionenfach verkauft werden. Obwohl es viel kostengünstiger ist, ist es immer noch möglich, eine Gruppe von Sensoren an den SBC anzuschließen, ein bescheidenes Maß an Verarbeitung durchzuführen und das Ergebnis an einen Vor-Ort- oder Edge-Computer zu senden, der auf einem oder mehreren leistungsstarken SBCs basiert. Auch wenn dies natürlich die Stückliste eines Systems erweitern würde, könnte es gerechtfertigt sein, da es einem Cluster von Edge-Sensorgeräten Intelligenz verleiht und es ermöglicht, einige Entscheidungen sowohl direkt am Netzwerkrand als auch lokal mit Hilfe von Edge-Computern zu treffen.

Zwischen Verteidigung/Luft- und Raumfahrt und Heimwerkerbedarf liegen SBCs für industrielle Anwendungen, die möglicherweise auch Raspberry Pi und Arduino unterstützen, aber mit Host-Prozessoren, die Mitglieder der Arm® Cortex®-Familie oder Mittelklasse-Intel-Core-Modelle sind, eine weitaus bessere Leistung und robuste Umwelteigenschaften aufweisen. Sie können eine Leistung liefern, die der eines Laptops der Mittelklasse bei einer Platinengröße von weniger als 6 Quadratzoll (Zoll ²) entspricht, und werden entweder mit DDR3- oder DDR4-Speicher oder einem Speicher nach Wahl des Designers geliefert.

Zu den weiteren Standardfunktionen gehören die Unterstützung von SPI und SPX, Gigabit-Ethernet, LVDS (Low-Voltage Differential Signaling) und PCIe, mehrere Arten von Sicherheit einschließlich eines Trusted Platform Module (TPM), Audio- und Video-Ein- und Ausgänge, 8 bis 12 USB-Ports sowie die Unterstützung von zwei- und vierkanaligem SATA 3.0-Speicher. Typisches Zubehör umfasst verschiedene Arten von Befestigungsteilen sowie Kühler und Kabel. Viele akzeptieren auch Tochterkarten, die Kommunikationsstandards enthalten, die nicht im Board enthalten sind, und in einigen wenigen Fällen auch 4G-Mobilfunkkarten. Ihre Hersteller stellen auch beträchtliche technische Ressourcen wie Entwicklungsboards und Prototyping-Kits zur Verfügung.

Der Advantech AIMB-581WG2-00A1E ist ein gutes Beispiel für einen Intel-basierten SBC (Abbildung 1). Das 9,6in²-Board wird von Intel-Prozessoren bis zum Xeon E3-1275 und Core i7-2600 angetrieben und unterstützt bis zu 32 Gigabyte (GByte) DDR3-Speicher. Ein weiteres Beispiel ist UDOOs SC40-2000-0000-C0-V, ein 4,72in²-Board, das auf einer AMD Quad-Core Ryzen Embedded-CPU V1605B für 2 Gigahertz (GHz) basiert und durch AMDs Grafikbeschleuniger Radeon Vega 8 mit acht GPUs ergänzt wird. Er kann bis zu 32 Gbytes DDR4-2400-Speicher und verschiedene Massenspeicheroptionen unterstützen.

Abbildung 1: Der AIMB-581WG2-00A1E SBC von Advantech ist repräsentativ dafür, wie SBCs signifikante Funktionalität und Erweiterungsmöglichkeiten auf einer sehr kleinen Grundfläche integrieren. (Bildquelle: Advantech)

Im Gegensatz zu vielen anderen industriellen SBCs verwendet der Liger VL-EPM-43SCP-08 von VersaLogic sowohl das Windows-Betriebssystem als auch Linux (Abbildung 2). Es entspricht dem PC/104-Plus-Formfaktor 4,2 x 3,7 Zoll, der durch Stapeln von Karten zusätzliche Funktionalität bietet, und im Gegensatz zu früheren PC/104-Versionen unterstützt es sowohl den PCI-Bus als auch ISA. Der VL-EPM-43SCP-08 basiert auf einer 2,8 GHz Intel Core i7-7600U CPU, die von 8 Gbytes DDR3-Speicher (erweiterbar auf 16 Gbytes) und SATA 3.0-Massenspeicher unterstützt wird. Weitere Schnittstellen sind ein microSD-Steckplatz, eine I²C-Schnittstelle, wählbare RS-232, RS-422 und RS-435, zwei Mini-DisplayPorts, ein HDMI-Ausgang und eine Anzeigeauflösung von bis zu 4096 x 2304. Das Board erfüllt auch die Anforderungen der MIL-STD-202G für Schock und Vibration.

Abbildung 2: Der VersaLogic VL-EPM-43SCP-08 SBC läuft unter Windows und Linux und entspricht dem PC/104-Plus-Formfaktor. (Bildquelle: VersaLogic)

Digi verfolgt einen etwas anderen Ansatz und verwendet sein System-on-Modul ConnectCore 6, das auf der i.MX6UL-2-Prozessorlinie von NXP Semiconductors basiert, die einen Anwendungsprozessor mit einem Arm Cortex-A7-Kern in einem einzigen Gerät integriert (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das System-in-Modul (SIM) ConnectCore 6 integriert fast die gesamte Funktionalität eines SBC in einem einzigen Gerät und basiert auf dem Anwendungsprozessor iMX6UltraLite von NXP. (Bildquelle: Digi)

Die CC-SB-WMX-J97C-Version der ConnectCore 6-SIM misst 4,7 Zoll ², bietet Bluetooth 4 und Wi-Fi, das Digi XBee-Funkgerät des Unternehmens (basierend auf dem IEEE 802.15.4-Standard) und optionale Mobilfunkverbindungen sowie Gigabit-Ethernet und Unterstützung für mehrere Bildschirme, eine Kamera und Erweiterungsanschlüsse (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die SIM-KarteCC-SB-WMX-J97C unterstützt viele Wireless-Standards sowie das XBee-Funkgerät des Unternehmens und misst 4,7 Zoll. ². (Bildquelle: Digi)

Überlegungen zur SBC-Auswahl

Bei bestehenden IIoT-Systemen besteht der erste Schritt des Designprozesses darin, den aktuellen Bedarf des Unternehmens am Rande zu bewerten und zu ermitteln, wie stark dieser in Zukunft wahrscheinlich steigen wird. Letzteres ist eher eine Annahme als eine Tatsachenbehauptung, da es unmöglich ist, genau zu wissen, wie schnell Ressourcen benötigt werden. Die Erfahrung der meisten Unternehmen, die das IIoT implementiert haben, zeigt jedoch, dass die Bedürfnisse zunächst unterbewertet sind, so dass man am besten davon ausgeht, dass die Anforderungen mit der Zeit wachsen werden.

Der nächste Schritt besteht darin, die grundlegenden Ressourcen zu bestimmen, die erforderlich sind, einschließlich der drahtgebundenen und drahtlosen Konnektivität, der Unterstützung von Massenspeichern und der Ein- und Ausgänge, die für die Ansteuerung einer Anzeige, von Audio- und Videogeräten, der Tafelbeleuchtung, eines Lautsprechers und anderer Elemente erforderlich sind. Dies ist in der Regel nicht schwierig, da SBCs mit der für das IIoT erforderlichen Leistung in der Regel über all diese Fähigkeiten verfügen.

Ein weiterer Faktor, der zu berücksichtigen ist, ist die Fähigkeit eines Boards, Funktionalität durch Erweiterungsboards hinzuzufügen. Obwohl beispielsweise Wi-Fi- und Bluetooth-Transceiver im Allgemeinen auf dem Board integriert sind, verwenden viele IIoT-Systeme Zigbee und möglicherweise andere drahtlose Standards mit kurzer Reichweite sowie LPWAN-Technologien (Low-Power Wide Area Network) wie LoRaWAN, Sigfox oder Narrowband-IoT (NB-IoT), die von Mobilfunkanbietern angeboten werden.

Auf der Softwareseite gibt es viele verschiedene Betriebssysteme, von denen die meisten entweder auf Raspberry Pi's offiziellem Raspbian oder auf verschiedenen Versionen von Linux basieren. Die integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) von Arduino unterstützt Windows, MacOS und Linux. Windows 10 ist wegen seiner Inkompatibilität mit Raspberry Pi ein Ausreißer, und erst in jüngster Zeit ist das Interesse an diesem Betriebssystem für IIoT gestiegen.

Schließlich müssen die Umgebungsbedingungen, unter denen das System installiert werden soll, berücksichtigt werden, was möglicherweise ein robustes Gehäuse erfordert, das möglicherweise wasserdicht und widerstandsfähig gegen Schmutz, Stöße und Vibrationen ist.

Umzug zu SBC-Clustern

So nützlich diese SBCs auch sein mögen, es gibt Grenzen für das, was Designer mit einem einzigen Board erreichen können. Mit der Größenordnung der Anträge können jedoch auch die Boards skalieren. Cluster von SBZ wurden vom Los Alamos National Laboratory und der NASA sowie von anderen Institutionen aufgebaut, um Mikro-Supercomputer zu schaffen. Auch SBC-Cluster sind nicht außerhalb der Reichweite von IIoT-Designern, wie ein Raspberry Pi 3 Modell Bs-Cluster mit 40 Knoten zeigt (Abbildung 5). Dieser Cluster mit 40 Knoten basiert auf 40 Raspberry Pi 3 Modell Bs, verfügt über 20 Gbytes Speicher, kann bis zu 12 Terabyte (Tbytes) Massenspeicher unterstützen, misst aber nur 9,9 x 15,5 x 21,8 Zoll.

Abbildung 5: Dieser 40-Knoten-Cluster auf der Basis von 40 Raspberry Pi 3 Modell Bs verfügt über 20 Gbytes Speicher, kann bis zu 12 Tbytes Massenspeicher unterstützen, misst aber nur 9,9 x 15,5 x 21,8 Zoll. (Bildquelle: LikeMagicAppears!)

Systeme wie diese sollten die Aufmerksamkeit der Entwickler eingebetteter Systeme erregen und zeigen, wie sie auf Raspberry Pi sowie auf anderen Architekturen aufbauen können, um leistungsfähige, skalierbare SBC-Cluster für IIoT-Edge-Computing zu schaffen. Für diese Anwendung ist das Raspberry Pi Modell 3B+ ein guter Ausgangspunkt. Im Vergleich zu traditionellen Clustern sind SBC-Cluster viel kleiner und preisgünstig und verbrauchen nur wenig Strom, so dass sie sich gut für die Grenzbedingungen des Netzwerkrands eignen.

Es wurde eine Vielzahl von Ansätzen demonstriert, um auf engem Raum eine sehr hohe Leistung zu erzielen. Bei der Pi-Stack-Technik wird beispielsweise Gleichstromleistung von einem einzigen Punkt aus in den Cluster eingeführt, wobei die Leistung über den gesamten Cluster verteilt wird (Abbildung 6). Dadurch wird die Verkabelung reduziert und es passen mehr Raspberry Pi-Boards in eine bestimmte Grundfläche. Die Kommunikation zwischen den Knoten erfolgt über die vom SBC bereitgestellten Ethernet-Schnittstellen.

Abbildung 6: Ein SBC-Cluster, der nach dem Pi-Stack-Konstruktionsansatz gebaut wurde, vorgestellt von Philip Basford et al. (Bildquelle: Computersysteme der zukünftigen Generation)

Das vielleicht Bemerkenswerteste an SBC-Clustern ist ihre Fähigkeit, mit kostengünstigen, handelsüblichen SBCs zusammen mit Netzteilen und verschiedenen Peripheriegeräten eine extrem hohe Leistung zu erbringen. Für das Edge-Computing für das IIoT ist dieses Konzept relativ neu, aber eine ernsthafte Überlegung wert.

Fazit

Die zunehmende Anzahl von SBCs, die für IIoT-Anwendungen entwickelt wurden, bieten sehr attraktive Lösungen für Designer, die mit dem Aufbau einer Edge-Computing-Plattform beauftragt sind. In Kombination mit einem Netzteil, einem Gehäuse und einigen Peripheriegeräten können sie kosteneffizient auf die Anforderungen einer Vielzahl von Betriebsumgebungen zugeschnitten und skaliert werden, und das bei sehr geringem Platzbedarf.