So einfach kann externe Elektronikentwicklung für den Mittelstand sein
1. Anforderungsanalyse
Am Anfang des Entwicklungsprozesses steht immer zunächst eine möglichst detaillierte Anforderungsanalyse. Was soll am Ende eigentlich herauskommen? Welche grundlegenden Ziele müssen erreicht werden? Die Antworten auf diese und die folgenden Fragen stellen die Grundlage aller weiteren Schritte dar. Unabhängig von dem großen Überblick, dem “Big Picture”, muss aber auch an manchen Stellen bereits bei der Formulierung von Anforderungen “in die Tiefe gebohrt” werden. Es erfordert viel Erfahrung und Fachwissen, um “Stolperstellen” frühzeitig als solche zu erkennen und auszuräumen.
Wichtige Fragestellungen im Rahmen der Anforderungsanalyse:
Wie sehen die grundlegenden Konzepte im konkreten Anwendungsfall aus? Anforderungen an Datenfluss, Datenschutz, Zugriffssicherheit, ...
Wie groß ist die Anzahl und der Abstand von Nodes
In welchem Kosten- und Budgetrahmen soll sich das Projekt bewegen?
Welche Installationsumgebung ist vorgegeben? Zum Beispiel: existierende Spannungsversorgung? Wartungsintervalle?...
Gibt es potentiell große Störquellen (andere Funksysteme, Handy, Metalstruktur in der Nähe)
Daraus ergeben sich Schlussfolgerungen für eine sinnvolle Netzwerktopologie, welche auch im nächsten Schritt noch weiter verfeinert wird.
2. Konzept- und Strategieentwicklung
Im zweiten Schritt geht es um die Entwicklung eines umsetzbaren Konzepts auf Basis der Anforderungsanalyse. Ab dieser Phase werden in der Regel agile Projektmanagement- methoden eingesetzt, um dem Ziel “Stück für Stück” näher zu kommen. Bei Scrum, Kanban oder Lean Management werden große Ziele in kleine, abgeschlossene, aber grundsätzlich funktionsfähige Elemente aufgeteilt. In die Phase der “Konzept- und Strategieentwicklung” gehört grundsätzlich auch die Erstellung einer Machbarkeitsstudie.
Wichtige Fragestellungen im Rahmen der Machbarkeitsstudie:
Welche Funktechnik ist im vorliegenden Fall am besten?
Bluetooth Mesh, ZigBee, Thread oder NB-IoT / LTE-M?
Welches Frequenzspektrum sollte zum Aufbau des Funknetzes sinnvoller Weise gewählt werden? Von der Auswahl der verwendeten Frequenzbänder hängen u.a. auch spätere Lizenzkosten ab. Hier finden Sie weitere Informationen zur passenden Funktechnik bei embedded-IoT-Projekten...
Welche Netzwerktopologie ist im aktuellen Fall zu wählen?
Beispiel: Horizontale und Vertikale Netzstruktur (Topologie)
Horizontale Netzwerkstruktur
Vernetzung der verschiedenen Sensoren untereinander sowie ggf. die Vernetzung hin zu einem (lokalen) Gateway. Der gesamte Datenverkehr bleibt aber im Rahmen der horizontalen Netzwerkstruktur zunächst “im Haus”. Es wird also noch keine Verbindung zur Außenwelt aufgebaut.
Zum Einsatz kommen hier sowohl kabellose Technologien (Bluetooth, ZigBee, Thread, als auch kabelgebundene Netzwerksysteme (RS485/RS232, ModBus, CAN, I2C). In jedem Fall muss für alle Nodes (Netzwerkteilnehmer) eine geeignete Netzwerktopologie entwickelt und aufgebaut werden. Einen vertiefenden Beitrag zu diesem Thema haben wir hier erstellt: Vernetzte Sensoren: Die Nervenbahnen im Internet der Dinge...
Vertikale Netzwerkstruktur
Aufbau einer sicheren Verbindung nach außen - in der Regel über das Internet. Erst ab diesem Punkt wird eine Verbindung mit der Außenwelt aufgebaut und Sicherheitsaspekte treten daher naturgemäß sehr viel stärker in den Vordergrund. Daneben werden nun auch folgende Fragestellungen zusehends wichtig:
--> Konnektivität / Signalqualität / Netzqualität
--> Wahl der optimalen Funktechnologie / Mobilfunk, wie NB-IoT/ LTE-M
--> Festlegen der passenden Kommunikationsparameter und Protokolle, z.B. MQTT, LwM2M, HTTP
--> Übertragungssicherheit / Zugriffsberechtigungen / Zertifikate
--> Ausfallmanagement und Umgang mit Fehlfunktionen
Insgesamt muss mit einem optimierten Device-Management sichergestellt werden, dass die im IoT-Kontrollzentrum ankommenden Daten auch sicher den jeweiligen Datenquellen zugeordnet werden. Nur so entsteht am Ende ein funktionierendes “Big Picture”, ein digitales Abbild des realen Produktionsprozesses. Nicht selten zeigen sich Mängel oder Fehleinschätzungen erst am Ende der Kette “mit voller Wucht”. Weitblick, ein gewisser Erfahrungsschatz sowie eine qualitativ und quantitativ gut gefüllte “Toolbox” erhöhen in jedem Fall die Erfolgsaussichten beim Start in die digital vernetzte Produktion.
Proof-of-Concept und Prototyping
Bevor nun die Produktentwicklung starten kann, steht zunächst das Erstellen eines Proof-of-Concept auf dem Programm. Der Aufbau eines (Software-) Models soll Aufschluss über die tatsächliche Umsetzbarkeit des Systems geben. Dies soll sicherstellen, dass man nicht mit einem grundlegenden Systemfehler in die Produktentwicklung einsteigt.
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3. Produktentwicklung
Im Rahmen der eigentlichen Produktentwicklung werden nun alle Erkenntnisse und Analyseergebnisse aus den vorangegangenen Schritten zu einem funktionsfähigen Produkt zusammengefasst. Die dazu notwendigen Schritte sind von Fall zu Fall unterschiedlich und müssen dem jeweiligen Kundenprojekt angepasst werden.
Zur Produktentwicklung gehören zum Beispiel:
Entwicklung und Aufbau von geeigneten Messsysteme / Messgeräte zur Messung von diversen physikalischen Größen wie z.B. Temperatur, Licht, Bewegung, Lage, Position, Radar, etc.
Analyse, Verarbeitung und Bewertung der aufgenommenen Messwerte
Messumformer zur Erfassung und Digitalisierung von analogen elektrischen Größen wie z.B.
Spannung, Strom, Frequenz zu digitalen Werten sowie Bereitstellung der digitalisierten Größen mittels div. Kommunikationsschnittstellen
Umsetzung und Optimierung von vernetzten Sensoranwendungen
kabelgebunden z.B. mit CAN, HART, Ethernet LAN, Modbus RTU/TCP
oder kabellos z.B. mit LoRa, Sigfox, NB-IoT, Bluetooth (BLE), WiFi
Entwicklung von Datenkonzentratoren bzw. Gateways mit Kommunikationsschnittstelle zu übergeordneten Systemen z.B. SCADA oder Cloud-Diensten mittels Ethernet LAN oder Mobilfunk
Kundenspezifische Protokollkonverter z.B. CAN Anbindung an Ethernet LAN oder, CAN zu Mobilfunk
Make or buy?
Bei der Produktentwicklung steht immer auch die Frage im Raum, welche “Teile” des Systems evtl. bereits als vorhandene und erprobte Teillösungen “eingekauft” und ggf. angepasst werden können (make or buy) oder ob eine weitgehende Eigenentwicklung sinnvoller ist. Bei der Abwägung und Einschätzung dieser Frage sind Erfahrung und Fingerspitzengefühl nötig. Ein breites und zugleich fundiertes Fachwissen in Bezug auf technologische Möglichkeiten, Vor- und Nachteile von “Kauf-Komponenten” und ein möglichst großer Erfahrungsschatz sind in der Produktentwicklungsphase entscheidend. Fehleinschätzungen können schnell die ursprünglich geplanten Kosten- und Budgetrahmen aus dem Ruder laufen lassen.
Um die Entscheidung "Make or buy?" auch für Ihr Projekt fundiert treffen zu können, möchte wir nochmals verweisen auf die IO:EdgeConnectBox. Die IO:EdgeConnectBox von Krieger MIS ermöglicht ein frei konfigurierbares IoT-Gateway, welches bereits vorhandene Produktionsanlagen und Maschinen schnell und kostengünstig mit der Cloud verbindet. Hier finden Sie mehr Informationen zur IO:EdgeConnectBox...
Testen und optimieren der ausgearbeiteten Lösungen
Am Ende der Produktentwicklungsphase steht das Testen und Optimieren der gefundenen Lösungen. Es muss sichergestellt werden, dass alle Anforderungen sicher erfüllt werden und das Gesamtsystem störungsfrei funktioniert. Dabei können verschiedene Testmethoden zum Einsatz kommen. Regulative Testmethoden, wie z.B. EMV-Tests oder RED Zertifizierung oder funktionale Testmethoden.
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