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Das eDNP/8331 ist ein "virtuelles" System-on-Module (SoM) auf Arm-Basis mit 32-bit inklusive Debian-Linux-Betriebssystem und Firmware-Funktionen für headless Embedded Gateways. Es ist im Rahmen eines Lizenzmodells als Intellectual Property erhältlich.
Die komplette SoM-Schaltung steht als Schematic- und PCB-Snippet für die weitverbreitete Leiterplatten-Entwicklungsumgebung "Altium Designer" zur Verfügung.
Das Snippet des eDNP/8331 lässt sich mit wenigen Schritten in eigene Altium-Projekte importieren, um die benötigten Addon- und I/O-Funktionen erweitern und vollständig auf einer einzigen kostenoptimierten Leiterplatte integrieren.
Zum Lieferumfang gehören u. a. eine Backend Function Library mit einem Docker-basierten Update Server, digitalem Zwilling sowie PKI-Sicherheitsbausteinen.
Darüber hinaus ist mit dem DNP/8331 auch ein reales System-on-Module zur Evaluierung, zum Fast Prototyping und für Kleinserien lieferbar.
Dieses Whitepaper zeigt auf, was es zu beachten gilt, um aus einem Prototypen ein erfolgreiches Produkt zu machen, z. B. mit Hilfe unseres eDNP/8331.
Ein eDNP/8331 lässt sich in einem Altium Designer-Projekt als Snippet vollständig in die Schaltungsentwicklung einer eigenen Baugruppe integrieren und in das finale Serienprodukt übernehmen.
Die einzelnen eDNP/8331-Signale des Schaltungssymbols sind an ein Debian-Linux-Betriebssystem angepasst, welches als Zubehör für eine microSD-Karte zur Verfügung steht.
Das ideale Anwendungsumfeld des eDNP/8331 liegt in der IoT-Datenintegration für Sensorik- und Aktorikfunktionen. Dabei geht es in der Regel darum, die Daten eines Sensors an eine überordnete Plattform zu übermitteln, dort eine Entscheidungsfindung herbeizuführen und an Hand dieser Entscheidung neue Ausgangsdaten an Aktoren zu verschicken.
Die Funktionen des eDNP/8331 dienen dabei als Bindeglied zwischen Sensoren, Aktoren und der jeweiligen Plattform (dem Backend).
Im Rahmen einer IoT-Produktentwicklung gibt es vier entscheidende Einzelschritte, für die DNP/8331 und eDNP/8331 viele Vorteile bieten:
1.
IoT-Datenprototypen
Entwicklung eines Prototyps, um ein zur Aufgabenstellung passendes Gesamtdatenbild zu erzeugen. Dafür lässt sich der DNP/8331 nutzen.
2.
Proof-of-Concept-Softwareentwicklung
Längere Iterationsphase, um die erforderlichen Softwarekomponenten für die Sensorik- und Aktorikdaten zu entwickeln. Dazu gehören auch Testszenarien, um das Ergebnis zu verifizieren bzw. validieren.
3.
Entwicklung der Serien-Hardware
Entwicklung der Serien-Hardware unter Einbeziehung des eDNP/8331-Snippets. Ziel ist eine hochintegrierte und kostenoptimierte Baugruppe mit minimalen Stückkosten.
4.
Markteinführung
(inkl. Zertifizierungen)
Im Rahmen der Markteinführung erfolgen dann auch die nötigen Zulassungen für die jeweiligen Zielmärkte
(CE, UL usw.).
Die Hauptkomponente des eDNP/8331 besteht aus einer SoM-Schaltung in Form eines Snippets für die Leiterplatten-Entwicklungsumgebung "Altium Designer", die sich in eine eigene Schaltung bzw. Leiterplatte integrieren lässt.
Dazu kommt noch ein umfangreicher Technologie-Stack als Baukasten für integrierbare Embedded-Systems-Lösungen.
Die einzelnen Bausteine bzw. Funktionen lassen sich wie in der nebenstehenden Grafik als ein Schichtenmodell darstellen.
Die Backend Function Library bietet u.a. folgende Bausteine:
Der Firmware Stack beinhaltet auch Plug-in-Softwarebausteine, um Funktionen aus der Backend Function Library sowie der I/O Function Library zu nutzen, bspw. die TensorFlow Lite-Laufzeitumgebung für den Inferenzbetrieb einer KI-Anwendung.
Die einzelnen Funktionen erfordern die Integration der korrespondierenden Plug-in-Codebausteine in den Firmware Stack.
Snippets zur Nutzung in eigenen Leiterplattenentwürfen mit dem Altium Designer.
Dem Entwickler einer eDNP/8331-basierten Lösung steht eine umfangreiche Auswahl verschiedener Funktionsbausteine zur Verfügung.
Neben einem virtuellen SoM als Altium-Snippet, dass sich vollständig in die Datenlogger-Schaltung integrieren lässt und einen Steckplatz für vorzertifizierte LTE-Funkmodule bietet, existieren auch die erforderlichen Softwarefunktionen.
Dazu gehören eine eDNP/8331-Firmware für LTE-A, LTE-M und NB-IoT-Funkverbindungen plus verschiedene Cloud-Serverfunktionen mit einer Public Key Infrastruktur (PKI) für die Cybersecurity, die sich auf jedem Linux-Root-Server im Internet hosten lassen.
Technische Informationen zum Wireless IoT Data Modem finden Sie im Datenblatt zum eDNP/8331WDM-L.
Wir bauen industrielle Datenlogger für Maschinen und Anlagen. Unsere Kunden wünschen flexible Fernzugriffsfunktionen auf die Daten.
Eine ab Werk vorgegebene Cloudanbindung bei einem Internetgiganten wäre allerdings aus verschiedenen Gründen keine Lösung, sondern bestenfalls eine Option.
Wir benötigen daher nicht nur eine kostenoptimierte Hardwarelösung für IoT-Funkverbindungen, die international einsatzfähig ist, sondern auch eine leistungsfähige und modulare Cloudplattform ohne Vendor-Lock-in.
Die Cloud-Softwarefunktionen müssen sich schnell und einfach an Kundenbedürfnisse anpassen lassen.
Zum eDNP/8331 steht ein vollständiges OT/IT-Gateway in Form von aufeinander abgestimmten Hardware- und Softwarekomponenten als Intellectual Property zur Verfügung.
Dazu gehören die Gerber-Daten, Stückliste (BOM), Pick-und-Place-Daten (CPL) sowie Software-seitig der Boot Loader, das Debian-Linux-Betriebssystem mit zwei Ethernet-LAN-Treibern und die Firmware mit einer netfilter.org-basierten Firewall.
Neben der Hardware und Software existiert des Weiteren ein Workflow für den Praxiseinsatz eines eDNP/8331-basierten OT/IT-Netzwerk-Gateway. Dazu gehört eine Bedrohungsanalyse, die sich an der IEC 62443-4-1 orientiert. Dabei wird für eine Ende-zu-Ende-Kommunikationsbeziehung der Datenfluss mit den Vertrauensgrenzen, Prozessen und Datenspeicherfunktionen visualisiert.
Damit lassen sich mögliche Angriffsvektoren identifizieren und mit Hilfe des Common Vulnerability Scoring System (CVSS) bewerten. Abschließend wird für jede relevante Bedrohung eine geeignete Gegenmaßnahme ausgewählt, z. B. eine aktive Angriffserkennung (Intrusion Detection) innerhalb des OT-Netzwerks.
Wir wollen die Schaltschränke unserer Werkzeugmaschinen in Zukunft mit einer eigenen Ethernet-LAN-Schnittstelle ausstatten, um den Anwendern im Rahmen ihrer Digitalisierungsvorhaben eine sichere Zugriffsmöglichkeit auf alle relevanten Baugruppen innerhalb des Maschinen-LANs zu ermöglichen.
Dieses zusätzliche Interface soll eine vollständige physische Trennung zum Schaltschrank-LAN aufweisen und über Sicherheitsmechanismen verfügen, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen.
Damit wollen wir hinsichtlich der sicheren Maschinenvernetzbarkeit auf die neue EU-NIS2-Direktive sowie die EU-Maschinenverordnung 2023/1230 reagieren.
| Prozessor | |
|---|---|
| Hersteller / Typ | Sochip S3 mit Arm Cortex-A7 CPU |
| Taktgeschwindigkeit | 1008 MHz |
| Speicher | |
| RAM | 128 MB DDR3 SDRAM |
| Speichermedium | 1x SD-Karten-Halter oder 8 GB eMMC |
| Schnittstellen | |
| Ethernet | 1x 10/100 Mbps |
| USB | 1x USB 2.0 Host Port mit max. 480 Mbps |
| UART | 3x UART (COM1 mit allen Hardware Handshake Signalen, COM2 nur TX/RX, COM3 TX/RX/RTS/CTS - funktional ODER mit 4 GPIO Signalen) |
| SPI | 1x SPI Master Controller, funktional ODER mit 4 GPIO Signalen |
| I2C | 1x I2C Master Controller, funktional ODER mit 2 GPIO Signalen |
| GPIO | 20-Pin GPIO (General Purpose Input Output) |
| Spezialfunktionen | |
| Echtzeituhr (RTC) | 1x Echtzeituhr |
| Watchdog | 1x Timer Watchdog (Hardware-basiert, Software-konfigurierbar) 1x Power Supervisor (Hardware-basiert) |
| Elektrische Eigenschaften | |
| Spannungsversorgung | 3.3 VDC ±5% |
| Stromaufnahme | 300 mA typ. / 500 mA max. |
| Mechanische Eigenschaften (nur DNP/8331) | |
| Sockel | 40-pin JEDEC DIL-40-Connector, 2.54 mm Raster (Pin-kompatibel zu anderen SSV DIL-40-Modulen) |
| Masse | <150 g |
| Dimensionen | 55 mm x 23 mm |
| Betriebstemperatur | 0 .. 70 °C |
Das eDNP/8331 ist ein "virtuelles" System-on-Module, welches als Altium-Snippet in eigene Schaltungen bzw. Layouts integriert werden kann.
Das DNP/8331 ist das "echte" System-on-Module, welches zur Evaluierung, zum Fast Prototyping und für Kleinserien zur Verfügung steht.
Auf unserem GitHub-Profil finden Sie weitere Informationen zum eDNP/8331:
Zur Evaluierung bzw. für das Fast Prototyping – also für die Schritte 1 und 2 der Produktentwicklung (s.o.) – bieten wir passend zum DNP/8331 auch zwei Basisboards an.
Zum Lieferumfang der beiden Basisboards gehören neben der
jeweiligen Schaltung auch die CAD-Daten zur Bearbeitung der Ausbrüche eines passenden Gehäuses aus der ME-Serie von Phoenix Contact.
Das Basisboard MB/935A dient zur Anbindung externer Peripherie über USB und bietet folgende Schnittstellen:
Das Basisboard MB/941 dient zur Integration von auf Mini-PCIe-basierenden Kommunikationskarten wie 4G-, NB-IoT- oder LTE Cat-M1-Modems. Es bietet folgende Schnittstellen:
| Software-Komponenten | |
|---|---|
| Boot Loader | U-Boot mit A/B-Dual-Boot-Partitionen |
| Betriebssystem | Debian Linux (gesicherter APT-Serverzugriff) |
| Webserver | lighttpd mit SSL für SSV/WebUI-Benutzerschnittstelle |
| Laufzeitumgebung | Python 3, C/C++ |
| IP-Adressen-Vergabe | IPv4, IPv6, Static, DHCP, AutoIP, UPnP |
| Protokollstack | ARP, ICMP, IPv4, IPv6, DHCP (Client + Server), DNS (inkl. DynDNS-Support), TCP, UDP, FTP, HTTP, SNMP, Telnet, TFTP |
| Security-Protokolle | OpenSSL/TLS, OpenSSH/SSH, HTTPS, OpenVPN (Client + Server), SFTP, SNMPv3, PKCS#11 für ATECC Secure Element |
| TCP-Server | Telnet, FTP, HTTP(S), SSH, SFTP |
| Firewall | netfilter + iptables |
| Proxy-Funktionen | HTTP/HTTPS (Web), DNS, FTP, generic TCP port mapping, generic UDP port mapping |
| Machine Learning | TensorFlow Lite-Interpreter für Deep Learning |
| Sonstiges | C/C++ Build-Umgebung (Compiler etc.); I2C-Tools mit i2cdetect, i2cdump, i2cget und i2cset; CLI-Tool für ATECC Secure Element mit HMAC- und ECDSA-Funktionen uva. |
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