Einführung in Cyber-physische Systeme

Bei einem cyber-physischen System ist die reale (= physische) mit der virtuellen Welt verbunden. Es handelt hierbei um Systeme, bei denen informations- und softwaretechnische Komponenten mit mechanischen bzw. elektronischen Komponenten verknüpft sind. Ein CPS zeichnet sich durch eine starke Vernetzung aus, die nicht nur zum Datenaustausch, sondern auch zur Steuerung und Kontrolle genutzt werden kann. CPS findet man inzwischen in fast allen Bereichen des Lebens. So sind die als „Smart Home“ bezeichneten Automatisierungslösungen typische Vertreter eines cyber-physischen Systems. Auch Fahrer-Assistenzsysteme und autonome Fahrzeuge sind Beispiele für solche Systeme. In der Industrie sind häufig stationäre Maschinen, Anlagen, mobile Einrichtungen und Roboter Teil eines cyber-physischen Systems.

Das Funktionsprinzip eines CPS basiert auf dem Zusammenspiel von Sensoren, vernetzter Software und Aktoren. Hierfür sind zahlreiche verschiedene Komponenten und Technologien notwendig. Die nachfolgende Liste gibt einen Überblick über wichtige Bestandteile eines CPS:

• Sensoren
• Aktoren
• eingebettete Systeme
• drahtlose und/oder kabelgebundene Vernetzungsmöglichkeiten
• Netzwerkinfrastrukturen, inkl. Backend-Serverinfrastruktur und Datenbanken
• Softwaresysteme
• grafische Benutzeroberfläche

Einen guten Überblick über Eigenschaften und Anforderungen an ein cyber-physisches System bietet der folgende Blogeintrag: https://blog.zhaw.ch/industrie4null/2017/02/06/von-der-mechatronik-zu-cyber-physikalischen-systemen/

• Internet of Things (IoT, Internet der Dinge):
  IoT beschreibt die weltweite Vernetzung von unterschiedlichen Objekten, die durch eine eindeutige Adresse erreichbar sind. Bei der Kommunikation der Objekte werden einheitliche Standardprotokolle eingesetzt, um die Interoperabilität sicherzustellen. Weitere Informationen siehe:
  https://www.bigdata-insider.de/was-ist-das-internet-of-things-a-590806/
  

• Wireless Local Area Network (WLAN):
  WLAN ist das bekannteste drahtlose Funknetzwerk und die zugehörigen Adapter sind inzwischen so klein, dass sie selbst in Mikrocontrollersysteme integriert werden können. Weiteres Wissenswertes zu diesem Thema siehe:
  https://www.elektronik-kompendium.de/sites/net/0907021.htm
  

• Message Queuing Telemetry Transport (MQTT):
  MQTT ist ein schlankes Nachrichtenprotokoll, welches ursprünglich für die Kommunikation zwischen Monitoring-Geräten in der Öl- und Gasindustrie und Remote-Servern entwickelt wurde. Inzwischen sind seine Haupteinsatzgebiete die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation und die Verbindung zu IoT. Empfehlenswerte Webseiten:
  https://www.paessler.com/de/it-explained/mqtt
  https://www.opc-router.de/was-ist-mqtt/
  
  Ein hilfreiches Tool, um sich mit der Funktionsweise von MQTT vertraut zu machen, ist der MQTT-Explorer:
  http://mqtt-explorer.com/
  

• LoRaWAN und The Things Network (TTN):
  LoRa ist eine von Semtech entwickelte Funktechnik, die eine extrem stromsparende und weitreichende Datenübertragung ermöglicht. LoRaWAN ist die Bezeichnung für ein Funknetzwerk, welches auf LoRa basiert. Ein LoRaWAN besteht mindestens aus drei Komponenten: einem Sensor, einem Gateway und einem LoRa-Server. Das Gateway bildet hierbei die Schnittstelle zwischen der LoRa-Funkübertragung und der Anbindung zum Server.
  TTN ist ein Community-basiertes Netzwerk, welches ein weltweites LoRaWAN zur Verfügung stellt. An diesem Netz kann sich jeder beteiligen, man muss nur ein eigenes Gateway betreiben, welches über das Internet mit den TTN-Servern spricht.
  Weiterführende Links:
  https://www.linemetrics.com/de/lora-und-lorawan-einfach-erklaert/#tab-id-2
  https://www.lora-wan.de/
  https://www.badenova.de/blog/lorawan-einfach-erklaert/
  https://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/2203171.htm
  
  Beschreibung eines praktischen Beispiels:
  https://www.umwelt-campus.de/iot-werkstatt/tutorials/mitmachklima-lorawan-als-offenes-netz-zur-daseinsvorsorge

• KNX:
  Bei KNX handelt es sich um ein sehr altes, aber bewährtes Bussystem zur Gebäudesteuerung. Obwohl es schon viele Jahre Gebäudeautomationssysteme gibt, war die Anbindung ans Internet lange Zeit kein Thema in diesem Bereich. Erst in den letzten Jahren hat sich dies gewandelt und KNX hat sich hierfür als zuverlässiger Standard etabliert. Eine ausführliche Beschreibung dieses Bussystems liefert das verlinkte Dokument:
  https://www.knx.org/wAssets/docs/downloads/Marketing/Flyers/KNX-Basics/KNX-Basics_de.pdf

• Node-RED:
  Node-RED ist ein Entwicklungswerkzeug, welches die Entwicklung von Anwendungen in einer grafischen Umgebung ermöglicht. Mit Hilfe eines webbasierten Editors und vielen Erweiterungsmodulen lassen sich auf bequeme Art teilweise recht komplexe Programmabläufe realisieren.
  Leicht verständliche Einführung in Node-RED:
  https://smarthome-training.com/de/was-ist-node-red/
  
  Node-RED Dokumentation:
  https://nodered.org/docs/
  
  Moderne cyber-physische Systeme basieren auf einer datenzentrierten Architektur, bei der es nicht wichtig ist, wie die Kommunikation zu den einzelnen Komponenten realisiert ist, sondern nur wer welche Daten wann und wie benötigt. Der Informationsaustausch erfolgt über sogenannte Middleware, die als Vermittler zwischen den Systemen fungiert. Mit Node-RED lässt sich sehr leicht eine solche Middleware-Anwendung realisieren.