Schon in naher Zukunft werden Umwelt, Infrastruktur, Alltagsgegenstände und Fertigungsprozesse bis hin zu vollständigen Wertschöpfungsketten (Stichwort Industrie 4.0, kurz: I4.0) mit- und untereinander vernetzt sein.
Wenn Sie Thinglyfied ausprobieren wollen, können wir Ihnen drei Varianten eines Cloud Connector Kits (CCK) anbieten.
Thinglyfied ist ein IoT-Technologie-Stack, der eine neue Generation vernetzungsfähiger Sensoren ermöglicht. Wir nennen sie "Smart Connected Sensors (SCS)". Dabei gilt für uns folgende Differenzierung:
Sensor: Element zur Messgrößenerfassung mit analogem Ausgang. Aus der physikalischen Messgröße wird ein korrespondierendes analoges Ausgangssignal (Strom, Spannung, Widerstand) erzeugt.
Smart Sensor: Neben dem Sensorelement zur Messgrößenerfassung existiert eine integrierte Signalkonditionierung und ein zusätzlicher Mikroprozessor für die Signalverarbeitung. Der Sensormesswert steht über eine digitale Kommunikationsschnittstelle (z. B. Modbus, CAN, CANopen, IO-Link, Ethernet usw.) zur Verfügung.
Smart Connected Sensor: Smart Sensor mit Verbindung zu einer Cloud-Serviceplattform. Per Cloud lassen sich Zusatzfunktionen realisieren, zum Beispiel der Abgleich der vom Sensor erhaltenen Messgröße mit einer IT-Datenbank, um die Messdaten in einen Anwendungskontext zu setzen und bei Bedarf einen Alarm oder eine Benachrichtigung zu verschicken.
Im "normalen" Internet ist HTTP das am häufigsten benutzte Protokoll. Es basiert auf einem Request/Response-Prinzip. Soll ein Webbrowser den aktuellen Zustand eines auf einem Server gespeicherten Datenelements darstellen, sendet er einen Request an den Server. Dieser antwortet mit einer Response, in der das Datenelement enthalten ist. Ändert sich der Wert des Datenelements zwischen zwei Requests mehrfach, bekommt der Browser das nicht mit.
MQTT (Message Query Telemetry Transport) hingegen ist ein ereignisorientiertes Message-Protokoll, das auf einem Publish/Subscribe-Verfahren basiert. Hier kann der Browser ein bestimmtes Datenelement abonnieren (Subscribe). Bei jeder Änderung schickt der Server dann von sich aus per Server-Push den neuen Wert an den Browser. Das geht schneller, als die permanente Abfrage per Request/Response und es geht auch nichts verloren.
Der Datenverkehr im Netzwerk kann mit Hilfe von SSL/TLS verschlüsselt werden, und zwar unabhängig vom eigentlichen MQTT-Protokoll. Man spricht dann auch von Secure MQTT (kurz MQTTS). Zusätzliche Sicherheit kann außerdem dadurch erreicht werden, dass auch die eigentlichen Daten vor der Übertragung verschlüsselt werden.
MQTT bzw. MQTTS hat sehr gute Chancen, dauerhaft zu einem der wichtigsten Protokolle für das IoT zu werden.
"Thinglyfied" ist der Name für eine Architektur, eine Middleware-Plattform und einen IoT-Technologie-Stack, um Komponenten und Systeme in der Feldebene mit der Cloud zu verbinden.
Praktisch alle innovativen Anwendungen der digitalen Gegenwart und Zukunft basieren auf einer Cloud. Sie bildet sowohl im Internet der Dinge (Internet of Things = IoT) als auch für Industrie 4.0 die zentrale Funktionseinheit. Es gibt aber nicht "die Cloud", sondern im Moment sogar eine unüberschaubare Vielzahl verschiedener Clouds, die zum Teil völlig unterschiedliche Kommunikationsschnittstellen besitzen. Aus Komplexitätsgründen und mit Blick auf die IT-Security kann ein Feldgerät in vielen Fällen nicht direkt mit einer Cloud kommunizieren. Genau hier kommt Thinglyfied als Bindeglied zum Einsatz.
Die Thinglyfied-Architektur weist folgende Kernfunktionen auf:
Abbildung 1: Thinglyfied-Architektur
Das Kernstück der Thinglyfied-Architektur ist der Things Connector, der aus zusammengeschalteten Docker Containern besteht. Jeder von ihnen stellt eine Publish/Subscribe-MQTTS-Schnittstelle zur Verfügung, die es Thinglyfied-Komponenten erlaubt, Informationen über das gesamte Overlay-Netz auszutauschen.
Über MQTTS können Sensoren ihre Istwerte dem TC übermitteln, der sie an verbundene Microservices weiterleitet. Ebenso können aber auch Microservices Sollwerte über den TC an die TNDs verteilen, von wo aus die Werte an die Aktoren weitergereicht werden.
Neben dem beschriebenen Werteaustausch können die TNDs über den TC konfiguriert werden. Die Konfiguration wird vom Things Configuration Docker Container generiert, signiert und verteilt. Dieser Container stellt eine deklarative Weboberfläche bereit, mit der Funktionskomponenten zusammengesetzt und wie in einem Flussdiagramm verknüpft werden können, um die produktspezifische Logik abzubilden.
Thinglyfied verbindet physikalische Dinge mit der virtuellen Welt. Hersteller und Anwender erhalten eine sichere und skalierbare Lösung, die ihre Produkte miteinander verbindet, ohne selbst Entwicklungsarbeit dafür aufwenden zu müssen. Durch die lose gekoppelten Microservices ist die Architektur erweiterbar und ermöglicht somit die Umsetzung aller typischen Anwendungsfälle.
Die in Thinglyfied enthaltene Funktionalität besteht aus Sensor-2-Cloud- und Sensor-2-App-Funktionsbausteinen. Im ersten Fall werden Sensoren als Thing Network Devices über externe Docker Container mit der Cloud verbunden. Der Datenaustausch zwischen Sensor und Cloud wird über eine Benutzeroberfläche, die Things Configuration WebUI, bei der Inbetriebnahme vor Ort oder über eine Internetverbindung aus der Ferne konfiguriert.
Mit Hilfe der Sensor-2-App-Funktionen lässt sich ein Sensor von einer App aus per Bluetooth Smart ansprechen. Die drahtlose Verbindung ermöglicht den Zugriff auf Konfigurationsdaten und aktuelle Messwerte. Die Thinglyfied-App kann darüber hinaus per Internet mit einer Cloud kommunizieren, um Sensordaten weiterzuleiten oder auf die dort gespeicherte Sensorhistorie zuzugreifen. Anwendungsbeispiele sind Füllstands- und Drucksensoren in Behältern, um vollständig automatisierte Logistikprozesse zu schaffen.
Aus Thinglyfied stammt das Kommunikations-Interface (Comm I/F) eines Smart Connected Sensors (SCS). Wie aus der folgenden Abbildung ersichtlich ist, dient diese Schnittstelle zur Weitergabe der Sensordaten an eine Cloud. Es kann sich bei diesem Comm I/F z. B. um eine Ethernet-LAN-Schnittstelle, ein GSM/UMTS/LTE-Mobilfunkmodem, ein Wi-Fi-Funkmodul, eine Bluetooth-Low-Energy-Funkschnittstelle, ein LoRaWAN-Interface oder eine Nahbereichs-Sensor-Netzwerk-Funkverbindung (IEEE 802.15.4, 6LowWPAN o.ä.) handeln.
Abbildung 2: Kommunikations-Interface (Comm I/F) eines Smart Connected Sensors.
Ein SCS mit einem Kommunikations-Interface kann neben der Cloud-Verbindung nicht ohne weiteres eine vor Ort vorhandene Steuerung (z. B. eine SPS) mit Ist-Werten versorgen. Die für die Cloud-Verbindung erforderliche Schnittstelle wird von einer SPS in der Regel nicht unterstützt.
Es wird zukünftig daher auch SCS mit zwei Kommunikations-Interfaces (Comm I/F 1, Comm I/F 2) geben. Die eine (z B. Modbus, CAN, IO-Link) dient dann zur Datenweitergabe an die SPS, die andere für die Cloud-Verbindung. Auch hierfür enthält Thinglyfied geeignete Bausteine.
Abbildung 3: Smart Connected Sensors mit zwei Kommunikations-Interfaces.
Es gibt unzählige Anwendungen für Smart Connected Sensors (SCS). Die meisten kennen wir vermutlich noch nicht einmal. Sie werden sich erst in den nächsten Jahren durch weitere Fortschritte bei Big Data- und Predictive Analytics-Anwendungen ergeben.
Das größte Potenzial für SCS-Anwendungen bietet Monitoring (z.B. Zustandsüberwachung eines Prozesses). Die hier folgende Abbildung zeigt das Grundkonzept einer Monitoring-Applikation mit Smart Connected Sensors:
Abbildung 4: Grundkonzept einer Monitoring-Applikation mit Smart Connected Sensors.
Die Sensoren sind über verschiedene Schnittstellen mit einer Cloud verbunden. In der Cloud existiert eine virtuelle Sensordatenrepräsentanz. Per MQTT sorgt der SCS dafür, dass dem virtuellen Sensorabbild immer die aktuelle Messgröße zur Verfügung steht. Als Frontend für den Benutzer eignet sich eine IT-Monitoring-Software. Die liefert in einem Dashboard eine Ansicht zum aktuellen Zustand der einzelnen Sensoren. Dafür wird beispielsweise eine HTTP(S)-Kommunikation zwischen der Monitoring-Software und der virtuellen Sensordatenrepräsentanz realisiert.
Abbildung 5: Node-RED-Oberfläche.
Liefert ein Sensor einen unzulässigen Messwert (Soll-Wert überschritten, Out-of-Range usw.) an das virtuelle Sensorabbild, ändert sich im Dashboard die Farbe des zugeordneten Objekts. Parallel dazu wird eine SMS und/oder E-Mail als Benachrichtigung verschickt. Dashboard, Benachrichtigung, Eskalationsszenarien usw. sind in der IT-Monitoring-Software konfigurierbar Mit dem Thinglyfied-IoT-Technologie-Stack lässt sich eine solche Monitoring-Anwendung sehr schnell realisieren. Ein Sensor-2-Cloud-Funktionsbaustein sorgt dafür, dass die Daten in die Cloud kommen und dort z.B. in einem JSON-Datenobjekt gespeichert werden. Die Verbindung zur IT- Monitoring-Software erfolgt per Thinglyfied Connector Script.
Für die Konfiguration der Cloud - also der Schnittstelle zwischen Smart Connected Sensor und die IT-Monitoring-Software - ist im IoT-Technologie-Stack die Open Source-Software Node-RED (siehe Abbildung) vorgesehen. Node-RED kommt je nach Sensor-2-Cloud-Funktionsbaustein auch im Sensor selbst zum Einsatz.
Wenn Sie Thinglyfied ausprobieren wollen, können wir Ihnen drei Varianten eines Cloud Connector Kits (CCK) anbieten. Die drei CCKs unterscheiden sich nur hinsichtlich der Hardware, die jeweils als Thing Network Device (TND) zum Einsatz kommt. Wie der Name schon vermuten lässt, ist ein CCK nicht an eine bestimmte Cloud gebunden. Über die beigefügten Beispiele werden daher gleich mehrere Clouds unterstützt.
Thinglyfied Cloud Connector Kits
Diese Modul-Variante mit einem DIL/NetPC richtet sich in erster Linie an Schaltungsentwickler, die neue Feldgeräte planen. Als Schnittstellen zur eigenen Schaltung stehen 3x UART, 1x SPI (Master/Slave), 1x I2C (Master/Slave), 1x CAN und 1x USB mit bis zu 480 Mbps zur Verfügung. Die Cloud-Verbindung erfolgt per 10/100 Mbps-Ethernet-LAN.
Das Thing Network Device (TND) ist ein IGW/935. Mit dieser CCK-Variante können Systemintegratoren z.B. unterschiedliche Maschinen- und Anlagensteuerungen mit einer Cloud koppeln oder durch eine Industrie 4.0-konforme "Verwaltungsschale" ergänzen. Das vorinstallierte Beispiel besitzt Treiber für eine Siemens S7-1200-SPS. Neben einer LAN-Schnittstelle hat das IGW/935 1x RS232 bzw. 1x RS485 (umschaltbar) sowie 1x USB mit bis zu 480 Mbps zu bieten.
Als Hardware wird ein IGW/936-L mit integrierter SIM-Karte geliefert. Neben dem internen LTE-Modem für die Cloud-Kommunikation bietet ein IGW/936-L 1x 10/100 Mbps LAN, 1x 10/100/1000 Mbps LAN, 1x RS232, 1x RS485 sowie 1x USB mit bis zu 480 Mbps. Insgesamt ist dieses CCK ein hoch flexibles IoT-Gateway mit vorkonfigurierten REST-API- und MQTT-Beispielen, um Systemintegratoren in der Automatisierung eine schnelle und einfache Cloud-Anbindungen zu ermöglichen.
Die drei Varianten des Cloud Connector Kits werden mit verschiedenen Beispielkonfigurationen ausgeliefert. Für die Konfiguration zwischen Datenquelle bzw. Datensenke (z. B. Sensor, Aktor oder Steuerung) auf der einen und der Cloud auf der anderen Seite nutzt das Things Configuration WebUI (TCW) die Open Source-Software Node-RED (siehe Abbildung 5).
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