Kommunikation und Vernetzung

In den allermeisten Fällen sind Embedded Systems vernetzte Geräte; ein Teil davon hat sogar mehrere Schnittstellen für die Kommunikation mit externen Einheiten und zur generellen Vernetzung. Viele eingebettete Systeme sind Komponenten eines größeren Netzwerks und erfüllen ihre eigentliche Funktion nur durch ihre Vernetzung. Durch die Vernetzung einer Vielzahl von Einheiten entsteht das sogenannte »Internet of Things« (IoT), im industriellen Einsatz spricht man vom »Industrial Internet of Things« (IIoT). Beispiele für vernetzte Systeme sind verteilte Smarte Sensoren, die in industriellen Anlagen Prozessdaten erfassen und diese zur weiteren Auswertung, beispielsweise für Condition Monitoring oder Predictive Maintenance, in die Cloud schicken.

Ein weiteres Beispiel sind Sensor-/Aktor-Komponenten in Smart-Home-Systemen oder Telemedizin-Geräten, die Patienten im Rahmen einer Nachsorge zu Hause überwachen und Vitaldaten an den betreuenden Mediziner senden.

Speziell im Bereich der Embedded Systems mit eingebetteter KI ist die Kommunikation mit externen Datenquellen, wie Sensoren oder zum verteilten Lernen enorm wichtig. Hier wird das Training komplexer Aufgaben durch verschiedene kleine Embedded Systeme realisiert.

Auch bei der Verwendung von externen Bedien- oder Konfigurationseinheiten besteht ein erheblicher Bedarf an Kommunikation, genauso wie zum Einspielen von Software-Updates.

Für die Realisierung von Kommunikationsschnittstellen zur Vernetzung von Geräten stehen zahlreiche Technologien und Standards für die unterschiedlichen Anwendungen zur Verfügung, die sich in ihren technischen Daten weitreichend unterscheiden und in ihren Anwendungsbereichen individuell etabliert haben.

Bei der Auswahl einer geeigneten Kommunikationsschnittstelle für ein neues Produkt sind einige Aspekte zu berücksichtigen, die sich durch die Beantwortung folgender Fragen klären lassen:

• Soll die Vernetzung drahtgebunden oder drahtlos funktionieren?
• Welche Datenrate (Bit/s) muss übertragen werden?
• Welche Entfernung muss überbrückt werden?
• Wieviel Energie steht für die Datenübertragung zur Verfügung?
• Hat sich in der Anwendung ein Standard etabliert?
• Ist die Kommunikation durch ein bereits existierendes Netzwerk vorgegeben?
• Gibt es besondere Anforderungen an die Übertragungssicherheit?
• Entstehen Kosten für die Nutzung bestehender Netzwerke?
• Reicht die zur Verfügung stehende Rechenleistung für ein komplexes Kommunikationsprotokoll?

Das Fraunhofer IMS kann seine FuE-Partner bei der Klärung dieser Fragen kompetent unterstützen. Es existieren Erfahrungen aus zahlreichen Entwicklungsprojekten aus den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern und den damit verbundenen Netzwerken sowie den zugehörigen Schnittstellen und Kommunikations-Protokollen:

• Smart Home: LON, Konnex (wired / wireless / Powerline), LAN, WLAN, ZigBee, EIB, BACnet, EEBus
• Industrie:      CAN, LAN, WLAN, LoRaWAN, NB-IoT, IOLink, IOLink Wireless
• Consumer:    LAN, WLAN, USB, Bluetooth
• Automotive: CAN, FlexRay, LIN, Ethernet

Eine spezielle Art der Kommunikation zwischen einem Sensor und der Auswerteeinheit besteht in der RFID-Technologie, bei der neben dem Datenaustausch auch eine Energieübertragung zum Sensor möglich ist. Hierfür gibt es einige Technologie-Varianten, die abhängig von den jeweiligen Anforderungen an Reichweite, Energiebedarf, Mediendurchdringung und Datenrate einsetzbar sind.

Das Fraunhofer IMS entwickelt selbstverständlich auch gerne eine individuelle proprietäre Lösung für die Kommunikation und Vernetzung, falls keiner der etablierten Standards für die Lösung der gestellten Aufgabe geeignet ist.