IIOT-DATENINTEGRATION PER DOCKER UND BLUETOOTH-FUNKSENSORIK - BEAM-VERLAG
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
IoT/Industrie 4.0
IIoT-Datenintegration per Docker und
Bluetooth-Funksensorik
Anwendungssoftwareentwicklung.
Ein einfacher Single-Board-Compu-
ter aus der Maker-Welt kann inzwi-
schen den gleichen Docker-Contai-
ner oder Kubernetes-Cluster aus-
führen, der ursprünglich für einen
High-End-Cloud-Einsatz entwickelt
wurde. Dadurch lässt sich beispiels-
weise nicht nur eine dateninten-
sive Objekterkennung mit hochauf
lösenden Bilddaten, die eigentlich in
der Cloud laufen sollte, direkt in die
Kamera-Hardware vor Ort einbet-
ten, sondern auch jede andere in-
dustrielle IoT-Sensoriklösung. Damit
wäre grundsätzlich eines der wohl
größten akuten Probleme in der
Automatisierungstechnik, der Man-
gel an Softwareentwicklern, zumin-
dest teilweise lösbar: Ein erfahrener
Entwickler aus dem IT-Umfeld kann
nun beispielsweise auch Condition-
Monitoring-Anwendungen erstellen,
die direkt auf einem Edge-Gateway
an einer Maschine ablaufen und
darüber hinaus z. B. eine Bluetooth-
basierte Funksensorik einbindet.
Bild 1: Industrielle IoT-Anwendungen verteilen sich in der Regel über vier Schichten. Um eine durchgängige Bluetooth als
Datenintegration softwaretechnisch zu bewerkstelligen, sind Docker-basierte Konzepte eine gute Wahl. Problemlösung
Zwei sehr große Herausforde-
Die Automatisierungstechnik hat
Docker verbinden. Durch diese rungen beim industriellen Con-
Docker-Container schon vor einiger
Datenintegration stehen im Docker dition Monitoring sind die Daten
Zeit als sinnvolle Funktionserweite-
kontinuierliche Signale zur Verfü- qualität und die Investitionskosten
rung für bestimmte Produkte ent-
gung, die sich mit Hilfe des maschi- durch die Installation zusätzlicher
nellen Lernens und einer entspre-
deckt. Mit dieser Virtualisierungs- Maschinendatensensoren. Man
chenden Docker-Software perma-
technologie lassen sich aber noch kann hier sogar so etwas wie eine
viel größere technische Herausfor-
nent auswerten lassen. Damit wären Kosten-Nutzen-Falle erkennen:
derungen bearbeiten, z. B. durch-
Fehler erkennbar, bevor sie auftre- Auf der einen Seite benötigt eine
gängige Datenintegrationen und ten und z. B. eine Produktionslinie hochwertige Monitoringlösung viele
eine effizientere Anwendungsent-
vollständig ausfällt. Ein typisches Daten aus unterschiedlichen Sen-
wicklung. Anwendungsbeispiel wäre eine KI- soren für ein möglichst vollständiges
basierte Condition-Monitoring-Sen- Gesamtbild sowie einen messbaren
Die Problematik sorik, die unterschiedliche Maschi- Anwendernutzen (gerade KI-basierte
Durch den Einsatz eines Daten nenzustände durch eine Machine- Lösungen erfordern in der Regel
integrations-Dockers lassen sich im Learning-Modell-Inferenz erkennt mehrdimensionale Sensordaten für
direkten Umfeld von Maschinen und und über eine API als kategori- das Deep Learning mit neuronalen
Anlagen unterschiedliche Aufga- ale Variable zur Verfügung stellt. Netzen). Andererseits verursachen
ben lösen (siehe Bild 1). Zum einen Dadurch können übergeordnete die Sensoren selbst und besonders
könnten alle vorhandenen Steue- Anwendungen, die ebenfalls als der Installationsaufwand für kabel-
rungen, die geeignete Schnittstel- Docker implementierbar wären, eine gebundene Lösungen erhebliche
len haben (beispielsweise Modbus, bedarfsgerechte Wartung für Pro- Einstiegskosten.
CAN, Profinet, OPC UA, IO-Link duktionsanlagen und ganze Stand- Mit Hilfe eines Datenintegrations-
usw.), mit einem solchen Docker orte realisieren. Dockers lässt sich beispielsweise
gekoppelt werden. Darüber hinaus relativ kostengünstige IoT-Senso-
Autor: lassen sich über zusätzliche Sen- Relativ plattformunabhängig rik in eine Condition Monitoring-
Klaus-Dieter Walter, CEO soren auch Baugruppen und Kom- Die Docker-Technologie erlaubt Anwendung einbinden, um ein
SSV Software Systems GmbH ponenten ohne entsprechende Kom- unter bestimmten Rahmenbedin- hochwertiges Datenbild der jewei-
https://ssv-embedded.de munikationsfähigkeiten mit einem gungen eine plattformunabhängige ligen Automatisierungslandschaft zu
150 PC & Industrie 3/2022
IoT/Industrie 4.0
block zusammengesetzt. Dabei wird
eine Sequenznummernprüfung der
SSB-Daten durchgeführt, um mehr-
fach empfangene SSB-Fragmente
auszufiltern bzw. Replay-Attacken
zu erkennen und zu verhindern.
Im Anschluss daran erfolgt über
den zum jeweiligen SSB Device
gehörenden 128-Bit Data Key eine
Datenauthentisierung. Ist diese Prü-
fung erfolgreich, werden die einzel-
nen Sensordatenelemente extrahiert
und das ausgangsseitige Sensor-
JSON-Objekt erzeugt, das anderen
Anwendungen zur Verfügung steht.
SSB Agent
Ein SSB Agent ist ein Schnittstel-
len- und Datenwandler. Auf der einen
Seite hat er eine 2,4-GHz-BLE-Funk-
Bild 2: Mit Hilfe eines Datenintegrations-Dockers und einer relativ kostengünstigen Bluetooth Low Energy (BLE) IoT- schnittstelle für die Verbindung zu
Sensorik lassen sich Condition Monitoring-Anwendungen realisieren, um ein hochwertiges Datenbild der jeweiligen den SSB Devices in Funkreichweite.
Automatisierungslandschaft zu erhalten. Die gegenüberliegende Seite bildet
ein WLAN- oder Ethernet-LAN-Inter-
e rhalten. Besonders geeignet sind (SSB ADV Data). Da Advertising SSB Collector face. Sie dient als MQTT-Client-Ver-
Bluetooth-Low-Energy- (BLE-) Bea- Broadcasts auf Grund der Blue- Der SSB Collector ist ein zentraler bindung zum SSB Collector. Daten-
con-Lösungen, wie z. B. die Secure- tooth-Standard-Spezifikationen nur Datensammelpunkt für die sternför- technisch wandelt der SSB Agent die
Sensor-Beacon- (SSB-) Technik von bis zu 31 Bytes Nutzdaten enthal- mige Architektur eines SSB-Sensor- empfangenen Advertising-Broadcast-
SSV. Sie ist ohne Funk-Spezial ten können, verteilt das SSB-Pro- netzwerks. Er empfängt über eine Fragmente des SSB-Protokolls (SSB
kenntnisse relativ einfach in einer tokoll die Sensordaten bei Bedarf 2,4-GHz-BLE-Funkschnittstelle ADV Data) in SSB-JSON-Objekte
Automatisierungsumgebung ein- auf mehrere Advertising-Fragmente, die einzelnen Advertising-Broad- (SSB JSON) um und überträgt diese
setzbar (siehe Bild 2), sehr robust die über eine Sequenznummer mit- cast-Fragmente des SSB-Proto- JSON-Objekte per MQTT an den
gegenüber Störungen und unter- einander verkettet werden. Neben kolls (SSB ADV Data) aller SSB SSB Collector. Funktional dient der
stützt darüber hinaus auch eine GAP ist ein SSB Device optional Devices in Funkreichweite, extra- SSB Agent zur Vergrößerung der
Datenauthentifizierung. auch für GATT-Funktionen nutzbar hiert die Nutzdaten und erzeugt BLE-Funkreichweite in einer SSB-
(GATT = Generic Attribute Profile, daraus zunächst ein JSON-Objekt Anwendung. Durch eine integrierte
Beispiel: Secure Sensor ein weiterer standardkonformer (SSB JSON). Neben der BLE-Funk- mDNS-Funktion (mDNS = Multicast
Beacon (SSB) BLE-Dienst). Dabei entsteht eine schnittstelle hat der SSB Collector DNS: spezieller Dienst, um an Hand
Eine BLE-basierte SSB-Anwen- Client-Server-Verbindung für den auch einen direkten MQTT-basier- eines Hostnames die IP-Adresse
dung besteht aus den drei elemen- bidirektionalen Datenaustausch ten Dateneingang für SSB-JSON- eines Rechners zu ermitteln) fin-
taren Funktionsbausteinen Device, zwischen dem SSB Device als Objekte. Diese JSON-Daten mit den det ein SSB Agent den SSB Coll-
Collector und Agent. Diese Bau- Peripheral und einem sogenann- SSB-Fragmenten werden anschlie- ector in einem WLAN- bzw. LAN-
steine übernehmen innerhalb einer ten Central Device. ßend zu einem vollständigen Daten- Netzwerk automatisch.
Applikation eine vordefinierte Rolle:
SSB Device
Das SSB Device bildet einen Date-
nendpunkt mit einer 2,4-GHz-Blu-
etooth-Low-Energy- (BLE-) Funk-
schnittstelle. Im einfachsten Fall
werden von einer solchen Funkti-
onseinheit lediglich Sensordaten
per Broadcast verschickt (also an
alle, die sich in Funkreichweite
befinden und zuhören). In dieser
GAP-basierten Betriebsart (GAP =
Generic Access Profile, ein spezi-
eller BLE-Dienst gemäß Bluetooth-
Standard) führt das SSB Device
periodisch Messungen mit der
jeweils zur Verfügung stehenden Bild 3: Die von einem BLE-Sensor erhaltenen Sensordaten werden vom Datenintegrations-Docker mittels einer
Sensorik durch und verschickt die Datenauthentifizierung geprüft. Sender (Sensor) und Empfänger (Docker) haben einen gemeinsamen geheimen
Messdaten als BLE-Advertising- Schlüssel k (128-Bit Data Key). Mit diesem Schlüssel wird für die Sensordaten x vor dem Versand eine Prüfsumme m
Datenpakete per SSB-Protokoll (HMAC) errechnet und zusammen mit x per Funk verschickt.
PC & Industrie 3/2022 151
IoT/Industrie 4.0
Aufgabenbezogene
Anpassungen
Das SSB Device wird in der Regel
hardware- und softwareseitig an die
jeweilige Aufgabenstellung ange-
passt. Die primäre Ursache dafür ist
in erster Linie die jeweils benötigte
Sensorik. Um verwertbare Ergeb-
nisse zu erzielen, müssen die Sen-
sorrohdaten schon so genau wie
möglich zu einer bestimmten Auf-
gabenstellung passen. In der Praxis
Bild 4.1: Im Idealfall (z. B. einer Anwendung im Freien) ist die Funkreichweite die Entfernung in Metern zwischen wird für das KI-basierte Condition
zwei Baugruppen. In der Praxis verursachen Hindernisse aus Glas, Holz, Metall oder Beton usw. eine Dämpfung der Monitoring an einem Motor daher
Funkwellenausbreitung und somit eine Reichweitenreduzierung. eine andere Sensorik als an einer
Pumpe benötigt. Teilweise werden
Sensorrohdaten aus den elektrischen
Strömen in der Versorgungsleitung
gewonnen. In anderen Fällen kommt
ein Beschleunigungs- bzw. Vibra-
tionssensor zum Einsatz. Um bei-
spielsweise einen Frequenzumrichter
in das datentechnische Gesamtbild
einzubeziehen, sind unter Umstän-
den durch das SSB Device CAN-
Nachrichten auszulesen, zu BLE-
Beacon-Nachrichten zusammen-
zufassen und per SSB-Protokoll
an den SSB Collector des Daten-
integrations-Dockers zu übermit-
teln. Teilweise sind vor dem BLE-
Beacon-Versand mathematische
Datenvorverarbeitungen erforder-
Bild 4.2: Bei der Installation einer SSB-Funksensorik sollte für jedes SSB Device am Standort des Empfängers (z. B. lich, z. B. um Wartungszähler für
am SSB Collector) die Empfangsstärke des Funksignals (Received Signal Strength Indication, RSSI) gemessen und einen Elektromotor (Betriebsstun-
bewertet werden. Für eine stabile Funkverbindung sind RSSI-Werte größer -95 dBm erstrebenswert. den, Startvorgänge usw.) zu bilden,
die dann in das Condition Monito-
ring einfließen.
Sicherheits-Upgrade
Per Datenintegrations-Docker
lässt sich auch die Cybersecurity
(also die IT-Sicherheit) in vernetzten
Automatisierungsanwendungen
erheblich verbessern. Viele Sicher-
heitsfunktionen, die in der IT-Welt
schon längst Stand der Technik sind,
gibt es im Umfeld von Sensoren,
Maschinen und Anlagen nur rela-
tiv selten, vielfach sogar überhaupt
nicht. Dazu gehören beispielsweise
durch eine Publik-Key-Infrastruktur
(PKI) gesicherte Ende-zu-Ende-
Verbindungen mit digitalen Signa-
turen oder Sensordatenauthentifi-
zierungen per Hash-based Message
Authentication Codes (HMACs).
Bild 3 illustriert die Zusammen-
hänge des SSB-HMACs, der mit
Hilfe eines BLAKE2s-Hash-Algo-
Bild 4.3: Um die Funkreichweite einer SSB-Anwendung zu vergrößern, können beliebig viele SSB Agenten rithmus plus einem 128-Bit-Schlüs-
hinzugefügt werden. Sie empfangen per BLE die Funkdaten eines SSB Device und leiten sie über ein Backbone- sel für die BLE-Sensordaten direkt
Netzwerk an zuständigen den SSB Collector weiter. Als Backbone-Netz wird in der Regel ein bereits vorhandenes im Sensor gebildet und im Docker
WLAN- oder Ethernet-LAN-Netzwerk genutzt. authentifiziert wird. ◄
152 PC & Industrie 3/2022
Sie können auch lesen
