Bereit für das Internet der Dinge Konzepte für eine vernetzte Zukunft mit Embedded Java

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Gert Vogel
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1 Bereit für das Internet der Dinge Konzepte für eine vernetzte Zukunft mit Embedded Java Kaspar von Gunten Ergon Informatik AG Agenda Vortrag (30 ) Komponentenbasierte Entwicklung für eingebettete Systeme Ein Beispiel aus der Praxis: Belimo Energy Valve Entwicklungsumgebung für komponentenbasierte Entwicklung Erkenntnisse und Empfehlungen Herausforderungen des Internet of Things (IoT) Was ist wichtig? Wohin geht die Reise? Demos : Ganztägig am Ausstellertisch der Ergon Informatik AG verfügbar 2 1

Valve Entwicklungsumgebung für komponentenbasierte Entwicklung Erkenntnisse und Empfehlungen Herausforderungen des Internet

Die Ergon Informatik AG wurde 1984 gegründet und hat heute 195 Mitarbeiter.

2 Vorstellung Kaspar von Gunten forscht und entwickelt für die "Mobile & Industry Solutions"-Abteilung der Ergon Informatik AG. Er ist seit über zehn Jahren als agiler Java-Entwickler tätig. Die Ergon Informatik AG wurde 1984 gegründet und hat heute 195 Mitarbeiter. Ergon fokussiert auf die Herstellung von individuellen Softwarelösungen und Softwareprodukten, getreu dem Motto: Smart people Smart software. 3 Ein Beispiel aus der Praxis Belimo Energy Valve 4 2

3 Belimo Energy Valve Das Belimo Energy Valve ist ein smarter Ventil-Stellantrieb, der weltweit für effizientes Heizen und Kühlen von Gebäuden eingesetzt wird. Das Ventil optimiert den Wasserfluss lokal und unabhängig von der Leitstelle. Kann dank Ethernet-Anschluss über Web-Interface parametrisiert werden. Belimo ( Belimo entwickelt, produziert und vertreibt seit 1975 elektrische Antriebe für Luftklappen und Armaturen für die Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK) und ist in diesem spezifischen Markt international an der Spitze. Die Firma hat ihren Hauptsitz in Hinwil und beschäftigt weltweit etwa 1200 Mitarbeiter

4 Charles Hayden Bibliothek (MIT) Dank Retrofitting mit Belimo Energy Valve kann das MIT rund 1.5 Millionen Dollar pro Jahr sparen. 7 IDE für Embedded Software 8 4

5 Shared Logic Die Steuerungs-Software des Energy Valve wurde mit einer generischen, Java-basierten Entwicklungsumgebung für Embedded Devices erstellt. Erweiterbare Komponentenbibliothek Grafischer Editor für die visuelle Modellierung der Steuerungssoftware Ausführungslogik (Engine) läuft auf dem Embedded Device 9 Modellentwicklung Shared Logic ermöglicht Rapid Development im Embedded System-Bereich. Modell bearbeiten Lokal simulieren und testen Deployen auf Embedded Device 10 5

Erweiterbare Komponentenbibliothek Grafischer Editor für die visuelle Modellierung der Steuerungssoftware

6 Entwicklungs- und Laufzeitumgebung Simulation Controlling and Maintenance Configurations Web- Browser Building Automation Control BacNet Component Library SL Designer Ethernet SL Engine Field Bus Aktor HLK Entwickler Sensor Web Pages Sensor Development Test Cases Installation 11 Komponenten 12 6

Library SL Designer Ethernet SL Engine Field Bus Aktor HLK Entwickler

7 Komponenten Komponenten sind ein zentrales Konzept in der klassischen SW-Entwicklung. Modularität vereinfacht Erweiterung, Anpassung, Wiederverwendung, Testen und Unterhalt von Applikationen. Modulare Entwicklung für eingebettete Systeme Komponentenbibliothek für Hardware, Kommunikation und Funktionen Anwendung = Kombination und Konfiguration von Fertigbausteinen IDE mit Unterstützung für modulare Entwicklung, Deployment und Debugging 13 Erweiterbares Modell Sensoren und Aktoren können durch neue Treiber-Komponenten eingebunden werden Transformationen und Berechnungen werden durch neue Funktions-Komponenten hinzugefügt Teile eines existierenden Modells können zu wiederverwendbaren Compound-Komponenten zusammengefasst werden Compounds können in Bibliotheken gesammelt werden Für Compounds können Unit Tests erstellt werden S S D D C F A F F D 14 7

modulare Entwicklung, Deployment und Debugging 13 Erweiterbares Modell Sensoren und Aktoren können durch neue Treiber-Komponenten eingebunden werden Transformationen und Berechnungen werden durch

8 Geräteverbund (M2M / IoT) Kollaborative Multi-Knoten-Logik durch Kommunikation über Ethernet Einzelne Knoten agieren als Vermittler für Sensoren und Aktoren in lokalem Feld Field Bus 15 Entscheidende Vorteile Schnelle und robuste Entwicklung auf der Basis von Standardkomponenten. Einfache Anpassung und Ausbau von existierender Firmware. Rapid Prototyping für Forschung und Entwicklung. 16 8

Entscheidende Vorteile Schnelle und robuste Entwicklung auf der Basis von Standardkomponenten.

9 Herausforderungen 17 Herausforderung 1: Robustheit und Stabilität 24/7 Laufzeit, angenommene TTL 20 Jahre Problem: Erfordert extensive Tests für Langzeitverhalten und -Nebeneffekte Einrichten von Regressionstests und Langzeittests auf End-HW Einsatz von SWE best-practices um hohe Qualität zu garantieren Verwendung von stabilen und etablierten OS und JVM Problem: Geräte müssen nach Fehlfunktion oder Stromausfall selbstständig in stabilen Zustand zurückfinden (Selbstheilung) Watchdog Services überwachen Systemzustand und lösen Reset aus 18 9

best-practices um hohe Qualität zu garantieren Verwendung von stabilen und etablierten OS und JVM Problem: Geräte müssen nach

10 Herausforderung 2: Unterhalt Problem: Nach Verbauung sind Geräte oft schwer (oder gar nicht) zugänglich Einrichten von Remote Monitoring und Software Patching Problem: Eingebettete SW erfordert Langzeitsupport für jeden Release. Alle je erstellten SW-Artefakte müssen jederzeit zugänglich sein Rückwärtskompatibilität der IDE für Modelle (Featurelock) Nur etablierte Technologien verwenden 19 Herausforderung 3: Limitierte Hardware 64 MB RAM, 64 MB Flash Memory, 200 MHz CPU Problem: Abwägung zwischen Speicherverbrauch und Antwortzeit. Speicherverbrauch beobachten Saubere Konfiguration von OS, FS und JVM Problem: Wechsel von Hardware erfordert teure EMC Tests. Defensive HW Upgrades Electromagnetic compatibility 20 10

Alle je erstellten SW-Artefakte müssen jederzeit zugänglich sein Rückwärtskompatibilität der IDE für Modelle (Featurelock) Nur etablierte Technologien verwenden 19 Herausforderung

11 Erkenntnisse 21 Erkenntnis 1: Kosten vs. Flexibilität Einfache dumme HW wird nie komplett verschwinden, dafür ist sie zu billig. Aber Rasche Entwicklung neuer Anwendungen Verbessertes Monitoring und Datensammlung Bessere Interoperabilität 6 Gründe, warum sich smarte Embedded Devices lohnen Hardware- Abstraktion Flexibilität für spätere Anpassungen Unabhängigkeit von zentralem Leitsystem 22 11

Aber Rasche Entwicklung neuer Anwendungen Verbessertes Monitoring und Datensammlung Bessere

Erhöhte Software-Komplexität verlangt nach modularem Design.

12 Erkenntnis 2: Erhöhte Software-Komplexität Die zunehmende Intelligenz von eingebetteten Systemen bringt ein Verlagerung der Wertschöpfung von Hardware zu Software. Erhöhte Software-Komplexität verlangt nach modularem Design. Ein adäquater SW Entwicklungsprozess ist eine zentrale Anforderung. Entwickler von Embedded Devices müssen zunehmend in Software-Engineering Praktiken geschult werden. 23 Wie geht es weiter? 24 12

13 Das Internet der Dinge ist nah! Immer mehr Dinge werden mit dem Internet verbunden SW-Intelligenz rückt zusehends näher zu Sensoren und Aktoren Als Konsequenz davon wird unsere Umwelt immer smarter Zugriff und Steuerung erfolgen nicht mehr lokal sondern global Quelle: Cisco 25 Charakteristika Die Cloud ist Dreh- und Angelpunkt des Internet of Things Alles kann mit allem kommunizieren und zusammenarbeiten Geräte und Zugriff werden entkoppelt Big Data und Offline-Anwendungen Zugriff über verschiedenste Dienste und Anwendungen Sehr dynamisches Umfeld Grosse Heterogenität der beteiligten Geräte Cloud Services Device Side User Side 26 13

smarter Zugriff und Steuerung erfolgen nicht mehr lokal sondern global Quelle: Cisco 25 Charakteristika Die Cloud ist Dreh- und Angelpunkt des Internet of

14 Was wird sehr wichtig? Embedded System mit 20 Yr TTL und Anschluss ans Netz + Axiom: Alles ist hackbar = End-to-End-Security + Remote Software Updates / Patching 27 Was erwartet uns? Geräte sind über Cloud nur noch lose integriert + Schnelllebiger Markt mit viel Innovation = Wertschöpfung zunehmend über Software + Offenheit und Standards sind Trumpf + Flexibilität in Entwicklung und Produktion ist entscheidend 28 14

Remote Software Updates / Patching 27 Was erwartet uns?

Modulares Software-Modell Vielen Dank. kaspar.vongunten@ergon.ch www.

15 Demos am Ergon-Stand - Cerbot Roboter mit STM32 und MicroEJ JVM - End-to-End Java IoT-Showcase Cloud 29 - Smarte Klimasteuerung - Modulares Software-Modell Vielen Dank. kaspar.vongunten@ergon.ch twitter.com/ergonag Copyright 2013, Ergon Informatik AG, Zürich 15

5 Mio CHF Umsatz (2012) Umsatz pro Sektor Finanz Öffentliche

16 Facts & Figures Ergon Informatik AG Gegründet 1984 ~200 Angestellte, 7 Lehrlinge 90% mit Hochschulabschluss 32.5 Mio CHF Umsatz (2012) Umsatz pro Sektor Finanz Öffentliche Hand Industrie Telekommunikation Private Aktiengesellschaft Standort Zürich 31 16

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