Cyber Physische Systeme
Was ist ein CPS?
Ein CPS (Cyber Physisches System) ist ein Zusammenschluss intelligenter, vernetzter Steuerungssysteme. Es besteht aus einem Sensor, einem Embedded System / SBC und einem Aktor.
Der Sensor überprüft einen Zustand, z. B. die Temperatur eines Raumes. Der SBC verarbeitet dieses Ereignis und gibt dem Aktor eine Aufgabe, die er machen soll, z. B. die Heizung aktivieren.
Klassische Anwendungsfälle für ein CPS sind z. B. Industrielle-Fertigungs-Hallen oder Smart-Home (IoT).
Die Sicherheit, dieser Systeme nimmt durch schnelle Zunahme an Angriffen und IoT-Maleware immer mehr ab.
SBC
Ein SBC ist ein Single Bord Computer, sie werden auch Embedded System genannt z. B. eine Raspberry Pi, Arduino. Diese verwenden häufig die Programmiersprachen:
- Python
- Java
- C
In der Industrie werden häufig SPS, also Speicher Programmierbare Steuerungen verwendet. Diese verwenden häufig die Programmiersprachen:
- FUP/FBS
- AWL
- KOP
Ein SBC hat immer einen Microcontroller. Ein Betriebssystem für einen solchen Controller ist z. B. NodeMCU.
Aufbau eines SBC
Hier ein ESP8266
Übertragung
Arten
IoT verwendet viele verschiedene Übertragungsmöglichkeiten / Protokolle.
- Drahtlos:
- WLAN
- ZigBee
- Bluetooth
- Leitergebunden
- Ethernet
- CAN
- KNX
Bridge
Oft muss zwischen den verschiedenen Protokollen gewechselt werden, z. B. von Ethernet auf WLAN.
- Philips Hue (WLAN zu ZigBee)
- AccessPoint (WLAN zu Ethernet)
MQTT
MQTT ist ein Protokoll, das häufig von IoT verwendet wird. Es dient zur schnellen Übertragung von Informationen.
Aufbau
| Begriff | Bedeutung | Beispiel |
|---|---|---|
| Publisher | Sensor | Thermometer |
| MQTT Broker | Verarbeiter/SBC | Raspberry Pi |
| Subscriber | Aktor | Schalter |
| Topic | Thema, das vom Subscriber aboniert werden kann | Temperatur, Bewegung, ... |
Node Red
Node Red ist eine Entwicklungsumgebung für IoT Programme. Anders als bei normalen IDEs wird kein Code geschrieben, sondern generiert nach dem der Nutzer die einzelnen Teile in die richtige Reihnfolge gezogen hat.
Vor- und Nachteile
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Einfach zu Benutzen | Neu Teile müssen erst Programmiert werden |
| keine Vorerfahrung nötig | schneller Verlust der Übersicht bei großen Programmen |
Wichtige Zusatzinformationen
Analog vs Digital
Ein Analoge-Signal ist ein Stufenloses Signal. Ein Digitales-Signal kann nur zwei Werte annehmen. Um die Werte von dem einen in das andere umzuwandeln wird ein Digital-nach-Analog-Wandler (D/A-Wandler) eingesetzt.
Schnittstelle vs Bus
An eine Schnittstelle kann nur EIN Gerät angeschlossen werden. An einen Bus jedoch MEHRERE.
Feldbus
Busse die beim Automatisierungs- und Steuerungssysteme verwendet werden werden auch Feldbus genannt.
Beispiele:
- Ethernet: Kommunikation im Netzwerk
- CAN: Multi-Master Busteilnehmer wie Sensoren und Aktoren(Alle sind gleich berechtigt)
- KNX: häufig in der Gebäudeautomatik und unterstützt große Reichweiten.
Mikrocontroller
Ein Mikrocontroller ist ein Halbleiterchips der einen Prozessor und Peripheriefunktionen (spezifische auf eine Aufgabe angepasst Teile) hat, z. B. ein WLAN-Modul.
Schnittstellen und Busse
Mikrocontroller verwenden folgende Schnittstellen und Busse:
| Name | Aufgabe |
|---|---|
| UART | Bereitstellung einer Digitalen Schnittstelle |
| I2C | Datenbus zur Internen Kommunikation eines Chips |
| GPIO | selbst konfigurierbare Inputs und Outputs (Raspberry PI GPIO) |
Gebäudeautomatik
Als Gebäudeautomation (GA) oder Domotik wird im Bauwesen die Gesamtheit von Überwachungs-, Steuer-, Regel- und Optimierungseinrichtungen in Gebäuden bezeichnet.