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2019 | Buch

Internet of Things und Industrie 4.0 Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Embedded Systems für IoT

verfasst von: Prof. Dr. Felix Hüning

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch


Intelligente Systeme und Komponenten sind die zentralen Elemente des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT). Die Realisierung dieser Komponenten erfordert detaillierte Kenntnisse sowohl der zugrunde liegenden Hardware als auch der dazugehörigen Software. In dem Buch werden alle wesentlichen Aspekte der Hard- und Software von Embedded Systems für IoT dargestellt: von Integrated Solution Development Environment (ISDE) über Board Support Package (BSP), Mikrocontroller, Software-Schichten, Hardware Abstraction Layer (HAL) und Real-Time Operating System (RTOS) bis zu Framework and Functional Libraries, Middleware und Connectivity.Die Komplexität der Systeme als auch der Hard- und Software nimmt von Jahr zu Jahr zu und stellt Anwender vor immer neue Herausforderungen. Damit Leser trotzdem den Überblick behalten und ihnen die Verknüpfung von Theorie und Praxis gelingt, verwendet der Autor ein durchgehendes Praxisbeispiel. Anhand der Renesas SynergyTM Platform beschreibt er den generellen Aufbau der Hard- und Software von eingebetteten Systemen. Diese Plattform dient dann auch als Ausgangsbasis für den praktischen Teil des Buchs. Aufbauend auf einem Renesas SynergyTM StarterKit können Leser einer Schritt-für-Schritt-Anleitung für die Entwicklung einer eigenen IoT-Anwendung aus dem Bereich Smart Home folgen. Auf diese Art und Weise werden Leser in die Lage versetzt, ihr theoretisches Wissen direkt anzuwenden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Internet of Things und Industrie 4.0
Zusammenfassung
Das erste Kapitel beinhaltet eine grundlegende Motivation und Einführung in das Thema Industrie 4.0 bzw. IoT und ordnet diese Begriffe in den wirtschaftlichen und technischen Zusammenhang ein. Dabei wird vermittelt, was sich unter diesen Schlagwörtern verbirgt und was wichtige Aspekte sind. Dabei wird insbesondere auf die revolutionäre Entwicklung der Automatisierungstechnik eingegangen, die durch die zunehmende Vernetzung und Integration von leistungsfähiger Software und künstlicher Intelligenz in die Systeme getrieben wird und so völlig neue Möglichkeiten und Geschäftsmodelle ermöglicht.
Felix Hüning
Kapitel 2. Eingebettete Systeme
Zusammenfassung
Zur Realisierung der im Kap. 1 vorgestellten Industrie 4.0 und IoT Anwendungen werden zumeist eingebettete Systeme eingesetzt. Die Grundidee dieser Systeme sowie deren genereller Aufbau wird dargestellt und in den Zusammenhang eingeordnet. Der Aufbau mit den wesentlichen Komponenten wird dargestellt. Dabei wird der Fokus auf die zentrale Recheneinheit und deren Realisierungsmöglichkeiten gelegt, da dies auch Inhalt der weiteren Kapitel sein wird. Sensoren und Aktoren als Schnittstelle zum Grundsystem werden daher nur kurz behandelt.
Felix Hüning
Kapitel 3. Mikrocontroller
Zusammenfassung
Mikrocontroller sind bei weitem die programmierbaren ICs mit der größten Verbreitung und finden sich in unzähligen Applikationen und Systemen in allen möglichen Anwendungsbereichen. Auch für eingebettete Systeme stellen sie meist die zentrale Recheneinheit dar. Nach einer allgemeinen Einführung in Mikrocontroller wird insbesondere auf wichtige Peripheriemodule eingegangen, die viele Funktionen eines Mikrocontrollers implementieren. Auf eine wichtige CPU-Architektur, die ARM®-Architektur, wird gesondert eingegangen, weil sie sehr weit verbreitet ist und von zahlreichen Mikrocontrollern eingesetzt wird, so auch von dem im Folgenden beschriebenen Synergy Mikrocontrollern.
Felix Hüning
Kapitel 4. Hardware und Starter Kits
Zusammenfassung
Technisch werden eingebettete Systeme durch Steuergeräte und damit durch eine eingebettete Hardware realisiert, die als Plattform für die Software dient, die dann Schlussendlich die Funktionen des Systems darstellt. Daher wird in diesem Kapitel kurz auf die Entwicklung von Hardware sowie deren Herausforderungen eingegangen. Als schnelle Startmöglichkeit, z. B. für Prototypen oder erste Schritte mit einem Mikrocontroller oder einer Entwicklungsumgebung, werden Starter Kits, insbesondere das Renesas Synergy Starter Kit S7G2, vorgestellt. Dieses S7G2 Starter Kit wird auf im Praxisprojekt eingesetzt, mit dem die theoretischen Konzepte und Methoden direkt in einem eigenen Projekt umgesetzt werden sollen.
Felix Hüning
Kapitel 5. Entwicklungsumgebung
Zusammenfassung
Zentraler Punkt eines jeden eingebetteten Systems ist dessen Programmierbarkeit. Daher weist jedes eingebettete System ein programmierbares Bauteil wie einen Mikrocontroller auf, der entsprechend programmiert werden muss. Für die Programmierung, vom Schreiben des Codes über das Flashen einer debug-fähigen Software, das eigentliche Debuggen bis zum Erstellen des Seriencodes, werden daher passende und mächtige Entwicklungswerkzeuge benötigt, die den Entwickler möglichst komfortabel und vollständig unterstützen, um die Funktionsentwicklung des Systems so zügig, zuverlässig und effizient zu gestalten wie möglich. Die unterschiedlichen Entwicklungswerkzeuge werden in sogenannten Entwicklungsumgebungen (IDE) zusammengefasst.
Felix Hüning
Kapitel 6. Board Support Package
Zusammenfassung
Die grundlegende Konfiguration eines Mikrocontrollers ist ebenso wichtig und entscheiden wie lästig. Daher werden Konzepte wie ein Board Support Package eingesetzt, um diese grundlegenden Arbeiten so einfach und zuverlässig wie möglich zu machen und gleichzeitig eine erste Abstraktionsebene von der Hardware zu bilden. Dazu wird eine grafische Oberfläche eingesetzt und der Initialisierungscode kann automatisch generiert werden. Das Konzept des BSP wird anhand des Renesas Synergy BSP vorgestellt und verdeutlicht.
Felix Hüning
Kapitel 7. Hardware-Abstraktionsschicht
Zusammenfassung
Die Hardware-Abstraktionsschicht stellt den nächsten Level an Abstraktion der Hardware dar. Nach einer kurzen Einführung in den Aufbau von Software, insbesondere der modularen Software, wird das Konzept des HAL eingeführt und wiederum am Beispiel der HAL der Renesas Synergy Platform erläutert. Die Vorteile und Herausforderungen dieses Ansatzes werden dargestellt, sodass der Leser das Konzept im Praxisprojekt direkt anwenden und erfahren kann.
Felix Hüning
Kapitel 8. Echtzeitbetriebssystem
Zusammenfassung
Ein wichtiges Kriterium von eingebetteten Systemen stellt neben der funktionalen Korrektheit das zeitliche Verhalten dar. Dabei steht insbesondere das deterministische Zeitverhalten im Sinne der Echtzeit im Fokus. Daher wird dem Begriff der Echtzeit viel Platz eingeräumt. Zuvor wird kurz beschrieben, was ein Betriebssystem macht und wie es in einem Mikrocontroller zum Einsatz kommt. Im Folgenden werden die Konzepte des Betriebssystems und der Echtzeit kombiniert, um zum Echtzeitbetriebssystem (RTOS) zu kommen. Dieses wird mit seinen wesentlichen Eigenschaften, Vor- und Nachteilen eingeführt und wiederum an Hand der Lösung von Renesas Synergy konkret vorgestellt.
Felix Hüning
Kapitel 9. Frameworks und Functional Libraries
Zusammenfassung
Der Fokus von Entwicklern von eingebetteten Systemen liegt in der Regel auf der Entwicklung von Anwendungen und Applikationen und damit auf einer hohen Abstraktionsebene, nicht auf der Programmierung auf einer hardwarenahen Low-Level-Ebene. Dazu wird das Konzept der modularen Software derart erweitert, dass zusätzliche Funktionalitäten und Module in Form von Frameworks und Libraries verwendet werden, um dem Entwickler den Fokus auf die Anwendung zu ermöglichen, ohne dass er sich selber in die Tiefen der Programmierung von komplexen Algorithmen, z. B. aus der digitalen Signalverarbeitung, begeben muss.
Felix Hüning
Kapitel 10. Middleware
Zusammenfassung
Auch Middleware stellt dem Anwender zusätzliche Module und Funktionalitäten zur Verfügung, die er einfach für die Anwendungsentwicklung nutzen kann. In der Middleware werden dabei oft verwendete Anwendungen zusammengefasst, die in zahlreichen eingebetteten Systemen zu finden sind, z. B. das Dateimanagement oder die Ansteuerung von grafischen Benutzeroberflächen. Dabei wird dargestellt, welchen konkreten Nutzen der Einsatz von geprüfter und zertifizierter Middleware hat.
Felix Hüning
Kapitel 11. Vernetzung
Zusammenfassung
Die Abkürzung IoT drückt es schon aus – beim Internet der Dinge steht die Vernetzung von Systemen, oft von eingebetteten Systemen, im Vordergrund. Da die Vernetzung nicht auf da Internet beschränkt ist, wird das Thema allgemein eingeführt und der generelle Aufbau von Bussystemen zur Vernetzung und deren wichtigsten Eigenschaften dargestellt. Wichtige Bussysteme wie CAN oder Ethernet werden vorgestellt sowie deren Realisierungsmöglichkeiten, konkret wiederum am Beispiel der Renesas Synergy Vernetzungslösungen.
Felix Hüning
Kapitel 12. Entwicklung und Test von eingebetteten Systemen
Zusammenfassung
Je komplexer und sicherheitskritischer eingebettete Systeme werden, desto wichtiger werden zuverlässige Entwicklungsprozesse und ein durchgehendes und passendes Testkonzept. Daher werden im folgenden Kapitel ein verbreitetes Entwicklungsmodell, das V-Modell, sowie Grundlagen des Testens vorgestellt, inkl. in-the-loop Tests, die im Rahmen der modellbasierten Entwicklung eine wichtige Rolle spielen.
Felix Hüning
Kapitel 13. Praxisprojekt
Zusammenfassung
Neben den theoretischen Teilen und Einführungen ist es wichtig, die gelernten Konzepte und Methoden möglichst auch direkt anzuwenden. Durch die Anwendung werden viele Aspekte, auch Schwierigkeiten, erfahrbar und das theoretische Wissen wird vertieft. Zudem soll durch das Praxisprojekt der erste Schritt in Richtung eigener Projekte gemacht werden, und das anhand eines Beispielsysteme, das den aktuellen Stand der Technik repräsentiert und in industriellen Anwendungen und Systemen weit verbreitet ist. Schritt für Schritt wird der Leser durch die ersten Anfänge wie der grundlegenden Installation der Entwicklungsumgebung bis zur Programmierung einer eigenen kleinen Anwendung geführt.
Felix Hüning
Backmatter
Metadaten
Titel
Embedded Systems für IoT
verfasst von
Prof. Dr. Felix Hüning
Copyright-Jahr
2019
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-57901-5
Print ISBN
978-3-662-57900-8
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-57901-5

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