Einfache und flexible Prozessorwahl

Einfache und flexible Prozessorwahl

Basierend auf dem Qseven COM von Congatec kann EXPEMB seine neue LoRa-Gateway-Produktfamilie flexibel und nach Kundenwunsch mit ARM- oder x86-Prozessor ausstatten. Welche Vorteile sich dadurch ergeben erfahren Sie im folgenden Beitrag.

Das LoRa Gateway ist als ARM oder x86-basiertes System mit 
Qseven-Modulen von Congatec bestückt (unter dem Kühlkörper). (Bild: Congatec AG)

Das LoRa Gateway ist als ARM oder x86-basiertes System mit
Qseven-Modulen von Congatec bestückt (unter dem Kühlkörper). (Bild: Congatec AG)

Miteinander verbundene dezentrale Sensor- und Controller-Netzwerke zu Monitoring-, Management- und Wartungszwecken, sind die treibende Kraft hinter dem IoT. Eines der größten Hindernisse ist es, Konnektivität und Datenaustausch mit verteilten Sensoren und Controllern zuverlässig über Distanzen von ein paar hundert Metern bis hin zu mehreren Kilometern bereitzustellen. Hierin steckt gleich eine doppelte Herausforderung: Den Anforderungen eines Ultra-Low-Power-Energieverbrauchs zu entsprechen und gleichzeitig zuverlässigen und kosteneffizienten Datenaustausch zu ermöglichen. Allerdings haben lokale Funktechnologien dafür keine ausreichende Sendereichweite. Auch die meisten Mobilfunktechnologien sind zu teuer und verbrauchen zu viel Strom. Deshalb werden für diese Low-Power-Wide-Area-(LPWA)-Verbindungen sowohl in ländlichen als auch in urbanen Gebieten neue Technologien benötigt. Wobei letztere der maßgebliche Treiber der fortschreitend hohen Wachstumsraten von M2M und IoT-Applikationen sind. Schätzungen zufolge wird die Gesamtzahl der M2M-Verbindungen von fünf Millionen in 2014 auf 27 Millionen in 2024 mit einem CAGR von 18 Prozent anwachsen. Für den LPWA-Markt wird ein Wachstum von bis zu 93 Prozent zwischen 2016 und 2022 erwartet. Bis 2024 geht man davon aus, dass dieser bis zu 14 Prozent der gesamten M2M-Verbindungen darstellt. Heute besitzt Westeuropa den größten Anteil der LPWA-Märkte, da die Informationsysteme dort bereits sehr früh zur Anwendung kamen. Doch gerade große Smart-City-Projekte in China, Singapur und Indien treiben das Wachstum voran.

Aktuell kann das LoRa Gateway mit dem ARM-basierten Conga-QMX6 (links) oder 
dem x86-basierten Conga-QA5 mit Intel Atom Prozessor (rechts) bestückt werden. (Bild: Congatec AG)

Aktuell kann das LoRa Gateway mit dem ARM-basierten Conga-QMX6 (links) oder
dem x86-basierten Conga-QA5 mit Intel Atom Prozessor (rechts) bestückt werden. (Bild: Congatec AG)

Sichere Direktverbindung

LPWA-Verbindungen können durch verschiedene Technologien bereitgestellt werden. Ein Weg basiert auf mobiler Infrastruktur mit Basisstationen ähnlich der Telekommunikation. Beispiele sind Sigfox und Huawei (mobiles IoT), die als offene Netzwerke eingesetzt werden. Die meisten kommerziellen Nutzer bevorzugen jedoch, aufgrund von Sicherheitsbedenken, private Netzwerke. Eine der Technologien für dieses Marktsegment ist LoRa. Sie nutzt eine Sterntopologie für eine bidirektionale Verbindung zwischen Devices wie Sensoren und Aktoren sowie ein oder mehrere Gateways, die – sofern unterstützt – sofort sämtliche Daten via Standard-IP-Technologie auf einen zentralen Cloudserver weiterleiten können. Die Datenrate zwischen Geräten und Gateway liegt zwischen 0,3kBit/s. Alle Daten werden per AES-Verschlüsselungstechnologie verschlüsselt, indem ein 64Bit-eindeutiger Netzwerkschlüssel, ein 64Bit-eindeutiger Anwendungsschlüssel und ein 128Bit-spezifischer Geräteschlüssel verwendet werden. Die Single-Hop-Wireless-Verbindung nutzt das unlizenzierte 868MHz-Frequenzband in Europa und 915MHz in Nordamerika. Dadurch müssen die Betreiber nicht für Infrastrukturen und Lizenzen von Drittanbietern zahlen, was zur Kostensenkung beiträgt.

Das LoRa Gateway zur Geolokalisierung 
für Inhouse-Applikationen von EXPEMB (Bild: EXPEMB)

Das LoRa Gateway zur Geolokalisierung
für Inhouse-Applikationen von EXPEMB (Bild: EXPEMB)

Große Reichweite und lange Akkulaufzeit

Die maximale Kapazität von zugänglichen Endgeräten oder Knoten für ein LoRa-Gateway hängt von der Anzahl der Pakete ab, die das Gateway in einem gegebenen Zeitrahmen verwalten muss. Ein LoRa-Baustein für ein Gateway mit acht Kanälen kann bis zu 62.500 Pakete pro Stunde verarbeiten. Dies entspricht der maximalen Anzahl von Devices, die ein Gateway verarbeiten kann, wenn es darauf konfiguriert ist, nur ein Paket pro Stunde zu senden. Die maximale Reichweite in urbanen Umgebungen ohne direkte Sichtlinie und tiefe Innenabdeckung reicht von 2 bis 10km. In Vororten können bis zu 15 und 40km für Bereiche mit direkter Sichtlinie und wenigen Störungen erreicht werden. Um die Batterielebensdauer und die Signalstärke auszugleichen, verwendet der LoRa-Netzwerkserver einen Adaptive-Data-Rate-(ADR)-Algorithmus, um automatisch die optimale Leistung unter den lokalen Umgebungsbedingungen zu definieren. Der Algorithmus basiert auf Signal Noise Ratio (SNR) und Receive Signal Strength Indication (RSSI) sowie auf verschiedenen Kanälen, um die Signalstärke und den Energieverbrauch für jedes Endgerät individuell zu optimieren. Dadurch können Endgeräte eine Batterielebensdauer von bis zu 105 Monaten mit einer 2000mAh-Batterie erzielen, was etwa zehnmal mehr ist als die aktuellen zellularen Protokolle bieten. Dank der technologischen Aspekte, erhält LoRa große Unterstützung aus der Industrie, was dazu beiträgt, die weltweite Ausbreitung zu beschleunigen. Im Juli 2016 stellte bspw. KPN sein LoRa-Netzwerk in den Niederlanden für IoT-Applikationen zur Verfügung. Auch der LPWAN-Spezialist Actility unterstützt LoRa.

Breites Applikationsspektrum

Dieses Setup macht LoRa zu einer der interessantesten LPWAN-Technologien für viele Applikationen. Profiteure dieser Technik sind vor allem IoT- und M2M-Installationen in smarten Städten und industriellen Anwendungen wie in der Landwirtschaft, Infrastruktur, in Versorgungseinrichtungen und der Logistik. EXPEMB entwickelte für solche LoRa-Netzwerke ein modulares und skalierbares Multiservice-Gateway, das sowohl für kommerzielle als auch für raue Industrieumgebungen konzipiert ist und sich in verschiedenen Applikationen einsetzten lässt – von Schaltschränken in Anlagen über Schaltanlagen in Energienetzen bis hin zu mobilen Basisstationen für Infrastrukturen in smarten Stadt- und Landwirtschaftsprojekten. Das FlexGate Gateway, welches von Actility für ThingPark genehmigt wurde, enthält einen echten LoRa-Konzentrator, der um einen dedizierten Semtech SX1301 Chip gebaut wurde. Mit diesem besteht die Möglichkeit gleichzeitig acht Kanäle zu hören, um mit mehreren tausend verbundenen Knoten zu kommunizieren. Zudem wird eine Anbindung an die zentrale Cloud mit 1GBit Ethernet-Verbindung, WiFi, 3G / 4G und Bluetooth geboten. Alle Verbindungen sind zeitgleich auf dem Gateway verfügbar und ein Fallback lässt sich nach verschiedenen Skripten einstellen. Dieser Ansatz gewährleistet eine zuverlässige Kommunikation unabhängig von der lokalen Topologie. Eine breite Palette von Feld-I/Os wie zwei USB-Ports, einer seriellen Schnittstelle und GPIOs ermöglichen die Anbindung anderer lokaler Geräte mit vernetzter Kommunikation für jeden Geschmack, einschließlich der Modbus-Feldbusunterstützung. Durch die ausschließliche Integration industrieller Komponenten ohne bewegliche Teile wie Lüftern oder Festplatten eignet sich das Gateway für den 24/7-Betrieb. Es wird durch DC oder PoE+ versorgt, wobei letzteres die Verkabelung reduziert. Outdoor-Konfigurationen unterstützen den erweiterten Temperaturbereich und IP67-Schutz mit zugehörigen wasserdichten Steckverbindern. Die applikationsfertigen Plattformen bieten Managementdienste basierend auf einem modularen Linux-Framework, das sich speziell für IoT-Anwendungen eignet. Diese offene Architektur ermöglicht eine einfache Integration aller neuen Dienste. Dienste, die bereits Bestandteil der Standardkonfiguration sind, umfassen gesicherte Kommunikationsschichten sowie einen Open Packet Forwarder, der RF-Pakete, die vom Konzentrator empfangen werden, über eine IP/UDP-Verbindung an einen Server weiterleitet und Pakete ausgibt, die vom Server gesendet werden. Über die umfangreiche LoRa-Netzwerkunterstützung hinaus bietet das Gateway eine flexible Cloud-to-Field-Konnektivität, um die lokale Konfigurationen einfach anzupassen und jeden benötigten Service von der Feldbereitstellung über die operative Überwachung und das Management erleichtern zu können. Zusätzlich werden auch FOTA-Funktionen (Remote Firmware Upgrade) geboten.

Schnell und einfach integriert

Da die Produktlinie alle Anforderungen von LoRa-Gateway-Implementierungen erfüllt, kann die Systemfamilie alle gängigen Prozessortechnologien unabhängig von der Mikroarchitektur integrieren. Damit kann der Integrator seine Technologie in vielen Kundenprojekten anbieten. „Wir wollten unsere LoRa-Kernkompetenz nicht auf eine bestimmte Prozessortechnologie beschränken, da dies unser Marktpotential zu stark einschränken würde. Wir haben daher eine doppelte Architektur entwickelt, die sowohl ARM- als auch x86-Technologien betreiben kann, so dass wir an allen Ausschreibungen teilnehmen können“, erklärt Jean-Christian Rerat, CEO von EXPEMB. Die aktuellen Produkte sind mit einer flexiblen Rechenleistung ausgestattet, die auf zwei Hauptprozessorfamilien basiert: Eine ist die Freescale i.MX6 Low-Power-Multi-CPU-Cores. Die andere ist die Intel Atom E3800 Produktfamilie mit ein bis vier Kernen. Beide flexiblen Architekturen bieten eine Rechenleistung, die aufgrund der breiten Leistungsskalierbarkeit bis hin zu Fog- und Edge-Server Intelligenz leicht an unterschiedliche Applikationsfälle angepasst werden kann. Hardwareplattform als auch Leistungsflexibilität wurden durch die Integration von Qseven Computer-on-Modules ermöglicht, die beide Architekturen, ARM und x86 unterstützen. Durch den Einsatz solcher Module ist es möglich, die beiden Prozessorfamilien auf den neuesten Stand der Technik zu bringen, ohne das Hardwaredesign ändern zu müssen. So kann die Plattform länger als der Lebenszyklus der Prozessoren eingesetzt werden, also 15 Jahre für Freescale und 7+ Jahre für Intel. Darüber hinaus können auch zukünftige Prozessoren wie die nächste Intel Atom Generation implementiert werden.

Fazit

Gerade die persönliche Integrationsunterstützung freute den französischen Embedded-System-Spezialisten am meisten an der Zusammenarbeit mit Congatec. „Wir fühlten uns so gut beraten, als ob wir es mit den Geschäftsführern eines kleinen Ingenieurbüros zu tun gehabt hätten. Sie sind engagiert, sie kennen ihre Produkte und sie haben die Antworten, die das Problem lösen“, lobt J.C. Rerat das Integrations-Support-Team des Unternehmens. Die Herausforderung bestand darin, ein mehr oder weniger identisches funktionales Setup für die verschiedenen Architekturen zu erhalten, um eine effiziente Skalierung unserer Lösungen zu ermöglichen. Zu diesem Zweck bietet der COM-Anbieter perfekte Plattformunterstützung, um einheitliche Familien mit sowohl x86 als auch ARM zu bauen. „Die meisten Standard-Computer-on-Module-Anbieter haben Experten für jede Architektur. Bei Congatec hatten wir den gleichen Experten für beide Architekturen. Das machte die Kommunikation sehr effizient“, schließt JC Rerat.

Ausgabe:
congatec AG
www.congatec.com

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