IOT-FUNKSENSOREN RICHTIG EINSETZEN UND NUTZEN - KLAUS-DIETER WALTER SSV SOFTWARE SYSTEMS GMBH
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IoT-Funksensoren richtig einsetzen und nutzen Klaus-Dieter Walter SSV Software Systems GmbH kdw@ssv-embedded.de 26.03.2021
Agenda …
• Grundsätzliches: Keine Produktvorstellung, kein Einblick in Kundenprojekte, keine
Werbeaussagen bzw. wirtschaftlichen Aspekte (z. B. Anwendernutzen) …
• Welche Funktechnologien gibt es? (IoT Wireless Technologies in a Nutshell) …
• Wie erfolgt das Zusammenspiel zwischen Funksensorik und KI? (Sensordaten in
Merkmalsvektoren zusammenfassen und mit Machine Learning-Algorithmen
analysieren) …
• Warum sind Over-The-Air (OTA) Updates unbedingt erforderlich?
• Fragen aus dem Chat, Antworten von mir für alle …
1
Grundlagen: Einfache Topologien …
Punkt-zu-Punkt …
Sternförmig (Star) …
Kommunikationsendpunkt (Device) …
Netzwerkkoordinator (Coordinator Device) …
Sensing Endpoint Gateway Functions
Application Application
Kommunikationsendpunkt (Device) …
Wireless Sensor Wireless Sensor
Communication Netzwerkkoordinator (z. B. Wi-Fi Access Point). Besitzt in der Regel einen jeweils
Communication
Protocols vollständigen Funktionsumfang
Protocols
der zum Einsatz kommenden Technologie …
Kommunikationsendpunkt. Benötigt nur einige (wenige) Teilfunktionen der zum Einsatz
kommenden Technologie … 2
Grundlagen: Maschenförmige Netzwerke …
Maschenförmig (Mesh) …
Netzwerkkoordinator …
Kommunikationsendpunkt …
Sensing Endpoint Gateway Functions
Application Application
Kommunikationsendpunkt mit Spezialaufgaben …
Full Function Device (FFD): Besitzt in der Regel einen jeweils vollständigen Funktionsum-
Wireless Sensor
fang der zum Einsatz kommenden
Wireless SensorTechnologie. Eine FFD kann als Netzwerkkoordinator
Communicationoder als Repeater eingesetzt werden …
Communication
Protocols Protocols
Reduced Function Device (RFD): Besitzt nur einige Teilfunktionen, um mit einem FFD zu
kommunizieren. Die RFD (typischerweise ein Sensor) kann die meiste Zeit in einem
besonders stromsparenden Zustand verweilen (für den Batteriebetrieb geeignet) … 3
Grundlagen: Frequenzen und Kanäle …
Der „Sub-GHz-Bereich“: Reichweitenvorteile – besonders in Gebäuden, weltweit uneinheitliche Regularien,
geringe Bandbreite (z. B. 20 kbps für 868 MHz, 40 kbps für 915 MHz beim IEEE 802.15.4-Standard) …
• Wie werden die Bits übertragen (Modulationsverfahren)?
• Zugriff auf den Funkkanal (z. B. Carrier sense multiple access, collision avoidance CSMA-CA)
• Gibt es einen Handshake oder wird mit Datagrammen gearbeitet?
Sensing Endpoint
• Welche Sendeleistung, welche Gateway Functions
Empfängerempfindlichkeit ist möglich?
Application Application
Wireless Sensor Wireless Sensor
Communication Communication
Der „2.4-GHz-Bereich“:
Protocols Geringere Reichweite, deutlich mehr Bandbreite (z. B. 250 kbps beim IEEE 802.15.4-
Protocols
Standard) , weltweit relativ einheitliche Regularien, aber sehr viele andere 2.4-GHz-Anwendungen …
Bildquellen: ZigBee / IEEE 802.15.4 https://slideplayer.com/slide/4960956/
Siehe auch: https://cnds.jacobs-university.de/page/talks/2010-utwente-6lowpan-rpl-coap.pdf 4
Grundlagen: Vom Sensor zur Cloud …
Gateway
Wireless Sensors …
Internet
Sensing Endpoint Gateway Functions
Application Application
Wireless Sensor Wireless Sensor
Communication Communication
Protocols Protocols
5
Grundlagen: Sensor, Cloud + Edge AI …
Software Updates Software and ML Model Updates
Sensor Data Sensor Data, Inference Outputs
Sensing Endpoint Gateway Functions Cloud Endpoint
Security = Herausforderung … Security = Standard (siehe TLS) …
Machine Learning (ML) Inference Machine Learning (ML) Model Building
Application Application
Wireless Sensor Wireless Sensor
Communication Communication
Protocols Protocols
6
Technologieübersicht: Wireless für IoT-Sensoren …
Technologie PHY + MAC Reichweite Datenrate Mesh-fähig Energiebedarf
LoRaWAN LoRa SDU Server
bis 15km bis 50kbit/s nein niedrig
Zigbee IEEE802.15.4 bis 100m bis 250kbit/s ja niedrig
Thread IEEE802.15.4 bis 100m bis 250kbit/s ja niedrig
BLE (BT5.0) BLE bis 100m bis 2Mbit/s nein niedrig
BLE Mesh (BT5.0) BLE bis 100m bis 2Mbit/s ja niedrig
Wi-Fi IEEE802.11n bis 100m bis 150Mbit/s nein hoch
Sub-GHz 6LoWPAN IEEE802.15.4 bis 500m bis 200kbit/s nein niedrig
Sub-GHz 6LoWPAN + RPL IEEE802.15.4 bis 500m bis 200kbit/s ja niedrig
Hardware, IoT Embedded O/S, Protokollstack IoT-Sensor für industrielle
plus anwendungsbezogenen Firmware … Anwendungen, ab Stückzahl 1
Spannungsversorgung, Gehäuse, Mechanik, Rapid Prototyping,
Zertifizierungen für internationale Märkte … 7
Testplatz für IoT-Funksensor-HF-Messungen …
Rohde & Schwarz ZNL6
SDU Server
Pre-Compliance-Messungen, um sicherzustellen dass die Grenzwerte
der entsprechenden Normen eingehalten werden. Z. B. Conducted-
Messung der Ausgangsleistung, Signalbandbreite, Einhaltung der
Grenzwerte zu Nachbarkanälen bzw. Oberwellengrenzwerte …
Einhaltung der Grenzwerte zu Nachbarkanälen und Bandgrenzen … 8
Grundlagen: IoT-Sensorik …
Sensing Data Analytics Decision Acting
• Fitness Tracker ./. Production Line Performance Monitor: quality-based or quantity-based results …
Signal: Physikalische Größe variiert im Zeitbereich …
Time Domain Frequency Domain
• Data analytics for business IT ./. Production Line Performance Monitor: data base files ./. signal sources …
Signal + Noise Filter Clear Signal
9Grundlagen: IoT-Sensorik …
Messgröße erfassen (physikalische Größe wie Spannung,
Strom, elektrischer Widerstand usw. im Zeitbereich) …
Analoges Signal in digitale Werte umwandeln
…
Input
Signalkonditionierung (z. B. Add/ Sub von Offset-Spannungen) …
Noise, Bias
Cutoff frequency (-3 dB)
Tiefpassfilter (LPF): Schnitt zwischen Durchlassbereich dB
und Sperrbereich (fungiert als Anti-Aliasing-Filter)
Passband
Stopband
f 10Grundlagen: IoT-Sensorik …
MEMS Inertial Measurement Unit (Microchip) A
mit 3D-Accelerometer und 3D-Gyroscope …
… integriert in einen Sensors mit digitaler
Kommunikationsschnittstelle
t
3D-Beschleunigungsdaten für eine bestimmte
Aktivität (z. B. Treppensteigen [aufwärts]) …
MEMS-Sensor liefert 3D-Beschleunigungs-
Cloud- oder
daten imEdge-basiert
Zeitbereich …
Die Funktionen für digitale Signalverarbeitung und
Informationsgewinnung aus dem Sensor in eine IT-
Umgebung verlagern …
11KI, ML, Deep Learning und Co. …
[1] Siehe Wikipedia MNIST database
SDU Server
Merkmalsvektor …
.9 .9 0 0 0 Convolutional Neural Network
.8 0 0 0 0 (CNN) mit 784 Eingängen,
0 0 0 0 0 Fehlerquote gemäß [1]: 0,17%
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 Mapping Function mit 10 Ausgängen … 12KI, ML, Deep Learning und Co. …
[1] Siehe Wikipedia MNIST database
Merkmalsvektor für eine Maschine oder Anlage, enthält die Daten mehrerer
Sensoren (Sensorfusion) …
SDU Server
Merkmalsvektor …
.9 .9 0 0 0 Convolutional Neural Network
.8 0 0 0 0 (CNN) mit 784 Eingängen,
0 0 0 0 0 Fehlerquote gemäß [1]: 0,17%
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 Mapping Function mit 10 Ausgängen … 13KI und Co.: Vorgehensweise, Methoden …
Outlier
Class A
x2 = Amplitude
Das Thema benennen, z. B. Predictive Maintenance/Condition Monitoring, dann die Technik-
bausteine
Z. B. eine Edge-basierte auf den Tisch packen und die Funktion der durchgängigen Kommunikation (vom
Mapping
Sensor bis…in die Cloud) mit einem Dashboard nachweisen, reicht nicht mehr aus …
Function für Sensordaten
Class B
Expertenregelwerk …
x1 = Frequency
1.1 Develop a suitable algorithm … 2.1 Gathering labeled data …
Idea for the algorithm Training data Mathematisches Modell …
1.2 Coding the algorithm … 2.2 Build the model (Training) …
Algorithm implementation Training data ML algorithm ML model
1.3 Algorithm deployment in applications ... 2.3 Model deployment in applications (Inference) ...
Use the algorithm ML model 14KI und Co.: Vorgehensweise, Methoden …
x[0:20] …
y = mx + b
y[0:20] …
Das Thema benennen, z. B. Predictive Maintenance/Condition Monitoring, dann die Technik-
Wie entsteht ein bausteine auf den Tisch packen und die Funktion der durchgängigen Kommunikation (vom
mathematisches
Beispiel: y = (x1 *Sensor
m1) + bis
(x2 in
* m2) + b mit einem Dashboard nachweisen, reicht nicht mehr aus …
die Cloud)
Modell?
Slope m und Intercept b lassen sich aus den Daten erlernen …
m = 0,08 b = 1
m = 0,06 b = 1
m = 0,02 b = 4
Ein mathematisches Modell lässt sich aus „gelabelten Daten“
(Trainingsdaten → Lernen aus Daten) ableiten …
15KI und Co.: Vorgehensweise, Methoden …
TensorFlow ist ein Framework zur datenstromorientierten Program-
mierung. Populäre Anwendung findet TensorFlow im Bereich des
maschinellen Lernens. Der Name TensorFlow stammt von Rechen-
operationen, welche von künstlichen neuronalen Netzen auf mehr-
dimensionalen Datenfeldern, sog. Tensoren, ausgeführt werden.
y = mx + b
m= ? b=?
Lernfähige Parameter (Trainable Parameters) …
b
x w y
Σ
16KI und Co.: Vorgehensweise, Methoden …
Lernfähige Parameter iterativ ver-
ändern. Qualität per Verlustfiunk-
tion (Loss Function) bestimmen …
Gradient Descent als (iterative) Optimierungsfunktion …
>> Loss
b
X
w
Lernfähige Parameter (Trainable Parameters) …Over-The-Air (OTA) Updates …
Sensor Data Sensor Data, Inference Outputs
Software Updates Software and ML Model Updates
Cloud Endpoint Gateway Functions Sensing Endpoint
Sensing Endpoint Gateway Functions
Update
Gateway
Maintainer
Workstation Target Device(s)
(MTWS)
18Over-The-Air (OTA) Updates …
Sensor Data Sensor Data, Inference Outputs
Software Updates Software and ML Model Updates
Gateway
Cloud Endpoint Gateway Functions 868 MHz-Funkmodul
Sensing Endpoint
MODRF212B
Sensing Endpoint Gateway Functions
IEEE 802.15.4 OTA PoC für 868 MHz OTA Broadcast-Protokoll …
• Update-Module auf der MTWS erstellen …
• Updates signieren …
• Updates zum SDU Server im Internet hochladen …
• Gateway prüft in einstellbaren Intervallen, ob ein Update auf dem „Sensor“
Server vorliegt … Update
Gateway
• Gateway lädt Updates aus dem Internet und verteilt Updates per
Maintainer
Broadcast an alle Sensoren … Target Device(s)
Workstation
(MTWS)
19Zusammenfassung und Ausblick …
• Überblick zur IoT-Funksensorik. Es gibt weitere Herausforderungen in der Praxis: z.
B. der Batteriebetrieb, das Deployment …
• Bitte den Sensorpart (z. B. die digitale Signalverarbeitung) nicht unterschätzen …
• KI im Gateway oder direkt im Sensor ermöglicht neue innovative Anwendungen …
• OTA Updates lassen sich relativ sicher realisieren …
20Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. 26.03.2021 21
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