Industrie-PC

Raspberry Pi mausert sich zur Industrie-Plattform

| Autor/ Redakteur: Andreas Schlaffer* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Mit einem Starterkit für Raspberry Pi steigt der Universal-Mini-Computer in die Profi-Liga der Industrie auf – und sagt seinem Bastler-Image Ade. Aber kann er im Vergleich zu Standard-IPCs tatsächlich punkten?

Raspberry PI soll die größte Linux-Support-Community weltweit haben, die Plattform wurde bis Anfang 2018 rund 18 Mio. Mal verkauft. Jetzt schickt die Himbeere sich an, auch die Industrie zu erobern.
Raspberry PI soll die größte Linux-Support-Community weltweit haben, die Plattform wurde bis Anfang 2018 rund 18 Mio. Mal verkauft. Jetzt schickt die Himbeere sich an, auch die Industrie zu erobern.
(Bild: ©ludodesign - stock.adobe.com)

Der Aufstieg des Raspberry Pi in die Profi-Liga ist nach den Erfahrungen von Kontron, Hersteller für Embedded Computertechnologie-Lösungen, nicht aufzuhalten. Das hat damit zu tun, dass er bei Berufseinsteigern, Nerds und IT-Bastlern bekannt und erprobt ist. Gelernt ist eben gelernt, vertraut ist vertraut. Bei Raspberry Pi ist es ähnlich wie bei Microsoft Office, Autodesk- oder Adobe-Produkten. Die günstigen Einstiegsvarianten sind an Schulen und Universitäten zu Lehr- und Übungszwecken ungemein beliebt und erprobt. Ihre Verfügbarkeit und Einfachheit für Einsteiger und Fortgeschrittene ist überzeugend. Auf Youtube zeigen Zigtausende von Tutorials an, wie beliebt die kompakte Platine ist. Mehr und mehr auch im professionellen Industrie-Umfeld.

Das beobachtet Kontron Austria, vormals Exceet Electronics, seit rund fünf Jahren zunehmend in der Kundenberatung und Entwicklung: Die von Kunden gelieferten Designs beruhen immer häufiger auf Prototypen, die auf Basis von Raspberry Pi erstellt wurden. Ingenieure und Entwickler sind auf dieser Plattform ausgebildet und kommen schnell zu Ergebnissen. Neben Raspberry Pi sind natürlich auch andere kostengünstige und offene Plattformen wie Arduino oder Beagle Board beliebt. Doch an die Favoritenrolle der Himbeere reichen sie nicht annähernd heran. An dieser Entwicklung ist auch Kontron Electronics nicht ganz unschuldig, denn für Bachelor- und Masterarbeiten, die das Unternehmen unterstützt, wird häufig Raspberry Pi eingesetzt.

Raspberry ist der Liebling der Kunden

Das Developer Kit für Raspberry Pi von Kontron umfasst ein Entwickler-Board nach SBC-Spezifikationen, ein Raspberry Pi Compute Modul 3 Light sowie eine SD-Card mit vorkonfiguriertem Raspian-Betriebssystem.
Das Developer Kit für Raspberry Pi von Kontron umfasst ein Entwickler-Board nach SBC-Spezifikationen, ein Raspberry Pi Compute Modul 3 Light sowie eine SD-Card mit vorkonfiguriertem Raspian-Betriebssystem.
(Bild: Kontron)

Seit mehr als zwei Jahrzehnten hilft Kontron, die richtige Embedded Plattformen für den Kunden zu finden – was ist geeignet, was nicht, um einen Designentwurf serientauglich zu machen. Das führte oft dazu, dass komplette Designs, die auf Basis von Raspberry Pi entstanden sind, hard- und softwareseitig von Grund auf neu entwickelt werden mussten, damit eine Industrie-Prozessor- und Board-Plattform in Serie gefertigt werden konnte. Für die Kunden war der finanzielle und zeitliche Aufwand entsprechend hoch. Die Markteinführung der Produkte dauerte länger als erhofft. Dies war Grund genug, Raspberry Pi als Alternative oder als Ergänzung zu Standard-Industrie-Plattformen zu etablieren. Die Zeit für die Entwicklung und Prüfung von Designs auf einer neuen Plattform entfällt, wenn der Raspberry Pi direkt produktiv in Serie genutzt werden kann.

Raspberry Pi ist nicht unbedingt günstiger

Mittlerweile hat Kontron bereits einige kommerzielle Projekte auf Basis des Raspberry Pi abgeschlossen und kann eine erste Bilanz ziehen. Der günstige Ausgangspreis konnte sich dabei nicht unbedingt im Endprodukt widerspiegeln. Die Kosten, um ein serienreifes Produkt für industriellen Einsatz herzustellen, waren am Ende höher als gedacht. Es zeigte sich, dass auch für Prototypen, die auf Basis von Raspberry Pi erstellt wurden, die laufende Beratung bei der Umsetzung in ein serienreifes Industrieprodukt finanziell zu Buche schlägt. Die Industrieplattform, die daraus entstehen sollte, kostete in manchen Fällen so viel wie eine standardisierte Embedded Plattform. Es gab sogar Einsatzfälle, bei denen das industrielle Standardprodukt in Summe günstiger gewesen wäre.

Oft ist der Preis aber nicht das einzig ausschlaggebende Argument: Was bei Raspberry manchmal wichtiger ist, ist die einfache Handhabung der Software. Denn das Raspberry-Betriebssystem Raspian OS auf Basis von Linux ist recht unkompliziert. So lassen sich zum Beispiel Software-Pakete leicht nachinstallieren. Das spart Zeit und Geld. Embedded Linux etwa ist deutlich aufwendiger zu installieren und zu administrieren. Kein Wunder, denn Raspberry war ursprünglich auch nur für Einsteiger und als Übungsplattform für Entwickler in Forschung und Lehre gedacht. Das hat Raspberry aber eine so immense Verbreitung beschert, dass sich daraus schon wieder ein Vorteil entwickelt hat.

Die Beliebtheit von Raspberry hat zudem dazu geführt, dass sich eine weltweite Community von Fans und Spezialisten gebildet hat wie sie bei kommerziell orientierten Unternehmen kaum denkbar ist. Schüler, Studenten und junge „Maker“ engagieren sich für Raspberry; Offenheit und Hilfsbereitschaft in Social Networks ist das Gebot und daher stark ausgeprägt. Davon können indirekt auch Unternehmen profitieren. Man spricht sogar davon, dass Raspberry die größte Linux-Support-Community weltweit hat.

Open-Source kann auch Nachteile haben

Die Größe der Community zeigt noch einen weiteren Vorteil: Insgesamt wurde die Raspberry Plattform rund 18 Millionen Mal verkauft (Stand Anfang 2018). Auf eine vergleichbar große Nutzerbasis kommt kein Standard-Industrie-PC; eine höhere Testabdeckung ist praktisch nicht möglich. Entsprechend ausgereift ist die Plattform, sodass das Bastler-Image nicht so zutrifft wie oft behauptet.

Die Open-Source-Basis des Betriebssystems und vieler Anwendungen sind für industrielle Anwender allerdings nur bedingt von Vorteil. Zwar sind viele Anwendungen unter einer freien Lizenz verfügbar, wird jedoch der Source Code angepasst, muss auch dieser wieder unter der freien Lizenz veröffentlicht werden. Damit tun sich viele kommerzielle Unternehmen und Organisationen natürlich schwer. Sie schätzen es nicht, wenn „ihre Software“ wieder kostenlos und für jedermann verfügbar gemacht werden muss. Nicht viel anders sieht es aus, wenn nur einzelne Module aus bestehenden Applikationen verwendet werden. Üblicherweise müssen auch daraus abgeleitete Programme wieder mit freier Lizenz veröffentlicht werden. Einen Ausweg aus dieser Situation gibt es aber doch: Wer nicht auf Linux angewiesen ist, kann auch Windows IoT Core auf der Plattform betreiben.

Nachteile des Rapsberry Pi im industriellen Umfeld

Raspberry Pi hat beim Einsatz im industriellen Umfeld weitere Nachteile. Einer ist die fehlende Einheitlichkeit wie sie zum Beispiel Boards auf Standards wie Smarc, COM Express oder Qseven bieten. Zudem wird der Raspberry nur von der Raspberry Foundation und ihren Distributoren vermarktet. Deshalb gibt es keine Variantenvielfalt zum Beispiel in punkto Leistung, Stromaufnahme oder Ausstattung.

Es sind zurzeit nur zwei Prozessorgenerationen als Compute Modules verfügbar: Das Compute Module 1 aus dem Jahr 2014 und das Compute Module 3, das Anfang 2017 vorgestellt wurde. Eine Prozessorauswahl wie sie etwa Intel, AMD oder NXP für unterschiedliche Anwendungszwecke anbieten, gibt es von Raspberry nicht. Dafür gibt es für das neue CM3+ Compute Modul sogar eine garantierte Langzeitverfügbarkeit von sieben Jahren.

Raspberry Pi in der Industrie

Andreas Schlaffer, Head of R&D, Kontron Austria: „Die von Kunden gelieferten Designs beruhen immer häufiger auf Prototypen, die auf Basis von Raspberry Pi erstellt wurden. An dieser Entwicklung ist auch Kontron Electronics nicht ganz unschuldig, denn für Bachelor- und Masterarbeiten, die wir unterstützen, wird häufig Raspberry Pi eingesetzt.“
Andreas Schlaffer, Head of R&D, Kontron Austria: „Die von Kunden gelieferten Designs beruhen immer häufiger auf Prototypen, die auf Basis von Raspberry Pi erstellt wurden. An dieser Entwicklung ist auch Kontron Electronics nicht ganz unschuldig, denn für Bachelor- und Masterarbeiten, die wir unterstützen, wird häufig Raspberry Pi eingesetzt.“
(Bild: Kontron)

Diese Nachteile zeigen auch, warum eine generelle Antwort auf die Frage, für welche Anwendungen oder Branchen der Raspberry geeignet ist, nicht möglich ist. Es hängt immer vom jeweiligen Einsatzzweck ab. Unternehmen wie Kontron bieten daher ein „Industrial Starterkit“ an, auf dessen Basis sich sehr schnell ermitteln lässt, ob das Raspberry Compute Module den Anforderungen entspricht. Das Starterkit verfügt über alle in der Industrie verbreiteten Schnittstellen wie Ethernet, CAN-Bus, 1-Wire und RS485/RS232. Das erprobte Schaltungsdesign und der industriell übliche Stromanschluss mit 24 V sorgen für eine zuverlässige Einsatzfähigkeit. Weitere industrielle analoge und digitale I/Os erlauben die Integration in vorgegebene Anwendungen. Auf der Basis des Starterkit lässt sich damit der Weg zum Prototyp und anschließend zum fertigen Produkt deutlich verkürzen. Ein Beispiel dafür ist der Mini-PC unter dem Krankenhausbett.

Raspberry-Anwendungsbeispiel im Krankenhaus

Gemeinsam mit einem Kunden aus dem Gesundheitswesen wurde eine mobile Lösung für die kontinuierliche Echtzeiterfassung der Vitaldaten bettlägeriger Patienten entwickelt. Berührungslos und unsichtbar unter dem Krankenhausbett untergebracht, misst die kleine Box Vitaldaten, zeichnet sie auf und alarmiert bei gravierenden Abweichungen Schwestern und Ärzte. Für die Aufzeichnung der Herz- und Atemfrequenz sowie von Daten zur Dekubitus- und Sturzprophylaxe ist kein direkter Patientenkontakt notwendig. Durch den Akkubetrieb lässt sich dieser Mini-Checker ganz einfach unter jedem Bett anbringen.

Bei der Entwicklung der Hardware standen folgende technische Anforderungen auf der Prio-Liste des Kunden:

  • eine Linux-Unterstützung – in diesem Fall sollte Yocto Linux verwendet werden,
  • der Support mehrerer Schnittstellen wie WLAN, LAN und Bluetooth,
  • eine hohe Rechenleistung, die auch Machine Learning erlaubt, und
  • die Integration eines zusätzlichen unabhängigen Prozessors für die Gewährleistung der korrekten Messergebnisse.

Den hohen Ansprüchen im Gesundheitswesen genügen

Die mobile Mini-Messstation sollte natürlich für den Einsatz im Klinikumfeld zertifizierbar sein. Dazu gehört, dass es als ein Medizinprodukt der Klasse 2b anerkannt wird, was der zweithöchsten Klasse entspricht. In diese Kategorie fallen zum Beispiel auch Anästhesie- und Beatmungsgeräte. Außerdem sollte es die Anforderungen bei Sicherheit und Ergonomie erfüllen, wie sie in der EN 60601 für medizinische elektrische Geräte und in medizinischen Systemen definiert sind. Schließlich standen noch drei weitere Kriterien auf dem Wunschzettel der Klinik: schnelle Umsetzung, Langzeitverfügbarkeit und natürlich ein gutes Preis-Leistungsverhältnis.

Nach einigen gemeinsamen Überlegungen fiel die Entscheidung für das Raspberry Compute Module 3. Dabei haben sie bewusst in Kauf genommen, dass die Wünsche hinsichtlich des Stromverbrauchs und Langzeitverfügbarkeit nicht ganz erfüllt werden konnten. Doch das war zu verschmerzen, da die Vorteile deutlich überwogen: Die hohe Rechenleistung, der umfassende Linux-Support und die geringen Kosten überzeugten die Entscheider.

Das Starterkit von Kontron machte es möglich, dass die Entwicklung flott über die Bühne ging. Der Prototyp bestand auch die hohe Hürde der elektromagnetischen Verträglichkeit. Denn die medizinische Devise: „Was stört, fliegt raus“, gilt im Krankenhaus auch für die technischen Gerätschaften. Die Schnittstellen ließen sich mit Raspian OS sehr schnell verifizieren. Knifflig wurde es allerdings doch noch mal, als der Prototyp auf yocto Linux übertragen wurde. Selbstverständlich wurden auch diese Probleme gelöst: Mit geballtem Know-how der Entwickler aus der S&T Gruppe, zu der Kontron gehört, und einer der weltweit größten Linux-Communitys und Fan-Base für Raspberry Pi. Gelernt ist eben gelernt.

* Andreas Schlaffer, Head of R&D, Kontron Austria

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