Autor: Prof. Dr. Dr.-Ing. Matthias K\u00f6nig, Fachhochschule Bielefeld, Campus Minden<\/p>\n
Die Softwareentwicklung f\u00fcr eingebettete Systeme umfasst ein breites Feld von Anwendungen, bei denen Internet of Things (IoT) eine relativ neue Kategorie bildet. Bei IoT-Anwendungen spielt die Vernetzung und die Kommunikation mit dem „Thing“ eine wesentliche Rolle, beispielsweise werden Nutzer einen webbasierten Zugriff oder eine mobile Applikation einfordern. Derzeitige Trends zeigen auf, dass der Einsatz von SDKs mit m\u00e4chtigen APIs zunehmend Einfluss auf die Entwicklung im Bereich IoT nehmen werden, vergleichbar mit der Entwicklung, die bei Smartphones beobachtet werden konnte. Ferner wird die zuk\u00fcnftige Entwicklergeneration gepr\u00e4gt durch die Vorteile des Einsatzes von oft offenen SDKs und APIs mit umfangreicher Dokumentation. In diesem Beitrag findet eine Bestandsaufnahme aktueller Str\u00f6mungen statt, die die Softwareentwicklung f\u00fcr IoT beeinflussen. Das sich ergebene Spannungsfeld zwischen derzeitigen und zuk\u00fcnftigen „idealen“ Entwicklerkompetenzen wird aufgezeigt.<\/strong><\/p>\n Das Internet of Things (IoT) kann am einfachsten als Netzwerk (Internet) von miteinander kommunizierenden eingebetteten Systemen mit Sensoren\/Aktoren (Things) betrachtet werden. H\u00e4ufig wird der Begriff Cyber-physisches System synonym f\u00fcr IoT verwendet. Sch\u00e4tzungen sagen einen stark wachsenden Markt f\u00fcr IoT voraus\u00a0[1], deren Anwendungen beispielsweise von intelligenten Gartenger\u00e4ten \u00fcber steuerbare Lichtsysteme bis tragbaren Fitness-Trackern reichen. Mit den Ger\u00e4ten verwoben sind \u00fcblicherweise Cloud-basierte Anwendungen zur Datenspeicherung und -analyse und oftmals zugeh\u00f6rige mobile Applikationen.<\/p>\n Der gr\u00f6\u00dfte Treiber des IoT ist das prognostizierte wirtschaftliche Marktpotenzial. Dieses Potenzial motiviert eine Vielzahl an Aktivit\u00e4ten von gro\u00dfen und kleinen Unternehmen. Es gibt mehrere Bestrebungen zur Standardisierung im IoT-Bereich, welche von verschiedenen Industriekonsortien oder Organisationen gef\u00fchrt werden. Alle vereint, dass sie an der IoT-Wertsch\u00f6pfungskette partizipieren m\u00f6chten. Die Wertsch\u00f6pfungskette kann dabei entsprechend den Schichten von IoT-Architekturmodellen dargestellt werden (s.u.).<\/p>\n Ein weiterer Treiber des IoT ist die voranschreitende Weiterentwicklung im technischen Bereich (kleinere, effizientere Multicore-Mikrocontroller). Ferner beeinflusst der Erfolg der Smartphones die Nachfrage nach mit diesen zu verbindenden Ger\u00e4ten, die \u00e4hnlich wie Smartphones in ihrer Funktion und Bedienbarkeit handhabbar sein sollen.<\/p>\n Die Maker-Bewegung und das Crowd-Funding haben zus\u00e4tzlichen Einfluss auf die IoT-Entwicklung. Die Maker-Bewegung und die Verf\u00fcgbarkeit von Open Source bzw. Open Hardware haben dazu gef\u00fchrt, dass man ohne tiefergehende technische Expertise eigene IoT-Ideen technisch umsetzen kann. Durch Crowd-Funding lassen sich Einstiegsh\u00fcrden f\u00fcr Start-ups zur Umsetzung von IoT-Ideen \u00fcberwinden. Beispielsweise finden sich auf Webseiten wie kickstarter.com IoT-Projekte, deren Prototypen zuerst mit einer Maker-Technologie umgesetzt und dann bis zur Serienreife entwickelt wurden.<\/p>\n Im Kontext der Entwicklung von eingebetteten Systemen zeigt eine von UBM Tech 2014 durchgef\u00fchrte Marktstudie u.a. eine Steigerung der Anzahl von Embedded-Systems-Projekten f\u00fcr IoT, einen Trend zum Einsatz von Open-Source-Betriebssystemen (insbesondere Android, FreeRTOS),\u00a0 der Nutzung von u.a. Software-APIs als Informationsquelle und die Wichtigkeit von IDEs und Softwarebibliotheken als Tools [2].<\/p>\n Die meisten der IoT-Architekturmodelle sind mehrschichtig mit einer groben Unterteilung mindestens in Ger\u00e4te-, Netzwerk- und Anwendungsschicht aufgebaut\u00a0[1,3]. Die mit der Konnektivit\u00e4t der Systeme einhergehende Komplexit\u00e4t wird durch Architekturmodelle und deren Abstraktion einfacher beherrschbar.<\/p>\n Zur Umsetzung einer mehrschichtigen Architektur helfen aus Entwicklersicht Applications Programming Interfaces (APIs) mit guter Dokumentation und vielen Beispielen. Idealerweise umfasst eine API einen breiten, durch Kapselung und Abstraktion einfach zu programmierenden Funktionsumfang. Solche APIs sind daher m\u00e4chtige Werkzeuge zur Umsetzung einer vollst\u00e4ndigen IoT-Anwendung und erlauben eine schnelle und effiziente Entwicklung mit guter Portabilit\u00e4t. \u00a0W\u00fcnschenswert sind f\u00fcr Entwickler, dass der Funktionsumfang m\u00f6glichst die Breite des IoT-Spektrums abdeckt (eingebettetes System, Konnektivit\u00e4t,\u00a0 Cloud Computing, mobile App…). \u00a0Idealerweise ist eine API „gepr\u00fcft“ hinsichtlich Anforderungen von Security und Safety, die sich u.a aus der Konnektivit\u00e4t bei IoT ergeben. Quelloffene APIs k\u00f6nnen hier vorteilhaft sein.<\/p>\n Die Nutzung einer API beginnt f\u00fcr IoT auf dem Ger\u00e4t\/Thing. Dies steht im Einklang mit den oben genannten Trends. So weisen offene Betriebssysteme \u00fcblicherweise genauso wie Prototyping-Plattformen entsprechend umfangreiche APIs auf.<\/p>\n Einige Beispiele sollen die durchgehende Verwendung von APIs exemplarisch aufzeigen; API-zentrierte Frameworks, die von Organisationen und Unternehmen offensichtlich als zielf\u00fchrend angesehen werden, sind AllJoyn der AllSeenAlliance [4], IoTivity des Open Interconnect Consortium [5], Xively von LogMeIn Inc. [6], Cumulocity von Cumulocity [7]… Diese IoT-Frameworks bedienen sich in der Regel auf der Ger\u00e4teebene an fremden APIs f\u00fcr Hardwareabstraktion.\u00a0 Diese APIs auf Ger\u00e4teebene gehen beispielsweise von Arduino [8] oder mbed [9] bis zu Betriebssystemen wie FreeRTOS [10] oder Android [11].<\/p>\n Setzt man die obigen Ausf\u00fchrungen zueinander in Beziehung, l\u00e4sst sich generell die These ableiten, dass SDKs mit m\u00e4chtigen APIs die Softwareentwicklung f\u00fcr eingebettete Systeme mit IoT-Anwendungen \u00e4hnlich vereinfachen werden, wie es seinerzeit die Verf\u00fcgbarkeit von entsprechenden APIs f\u00fcr die Entwicklung von Smartphone-Anwendungen getan hat. Dieser These gerecht werden auch neue Kurskonzepte in der universit\u00e4ren Lehre, in denen die Einwirkung der Softwarekonzepte f\u00fcr mobile Apps bei der Entwicklung von Embedded Systems ber\u00fccksichtigt wird [12].<\/p>\n Generell kann davon ausgegangen werden, dass insbesondere die zuk\u00fcnftige Entwicklergeneration, z.B. Studierende der Informatik, Erfahrung bei der Entwicklung mit komfortablen APIs f\u00fcr mobile Applikationen haben. Diese Erfahrung f\u00fchrt zu einer Erwartungshaltung an die Entwicklung in anderen Gebieten, wie eingebettete Systeme und IoT.<\/p>\n Die gew\u00fcnschten Kompetenzen eines Entwicklers f\u00fcr eingebettete Systeme sind vielf\u00e4ltig. Sie umfassen neben generellen Kenntnissen des Softwareengineering u.a. speziellen Sachverstand der Gebiete Rechnerarchitektur (insb. Mikrocontroller), Programmiersprachen (z.B. Assembler, C, C++, Matlab), Betriebssysteme (insb. RTOS), Modellierung (UML, SysML) bzw. MDD, Safety und Security, Normen (z.B. IEC 61508, ISO 26262). Dar\u00fcber hinaus wird Dom\u00e4nenwissen der Anwendung und wirtschaftliches Denken verlangt.<\/p>\n F\u00fcr den Bereich IoT werden zu den geforderten F\u00e4higkeiten gem\u00e4\u00df den Architekturmodellen zuk\u00fcnftig Kenntnisse aus den Bereichen Internetprotokolle (z.B. REST, MQTT), Datenbanken, Cloud Computing, mobile Applikationen hinzukommen, um einen ganzheitlichen Ansatz der Entwicklung zu gew\u00e4hrleisten. Auch bei Projekten mit gr\u00f6\u00dferen Teams und damit verbundener Aufgabenteilung ist es erforderlich, dass alle Bereiche jedem Teammitglied mindestens bekannt sind.<\/p>\n Die zuk\u00fcnftige Entwicklergeneration sammelt Erfahrungen mit IoT-APIs. Das wird sich positiv auf die Bew\u00e4ltigung von IoT-Projekten auswirken. Durch die mit APIs verbundenen h\u00f6heren Abstraktionsschichten wird ein gr\u00f6\u00dferes Spektrum an notwendigen Kenntnissen handhabbar und eine effiziente und z\u00fcgige IoT-Entwicklung erm\u00f6glicht.<\/p>\n Allerdings bestehen Risiken, die sich aufgrund einer fehlenden Auseinandersetzung mit den Abstraktionsschichten ergeben k\u00f6nnen. Beispielsweise k\u00f6nnte Verst\u00e4ndnis von Low-Level-Funktionsweisen verloren gehen, die u.a. f\u00fcr sicherheitsrelevante Einsch\u00e4tzungen wichtig sind.<\/p>\n Es wird f\u00fcr IoT-Entwickler notwendig sein, sich mit h\u00f6heren Abstraktionsebenen und Kenntnissen au\u00dferhalb der \u00fcblichen Embedded-Systems-Entwicklung zu besch\u00e4ftigen. Abstraktion mittels Modellen (UML\/SysML) und High-Level-Programmierung werden daf\u00fcr unumg\u00e4nglich sein. Bei IoT-Plattformen werden m\u00e4chtige, gut dokumentierte, APIs mit Beispielen gegen\u00fcber anderen Ans\u00e4tzen im Vorteil sein. Die Qualit\u00e4t von SDKs wird an dem Komfort von SDKs f\u00fcr mobile Applikationen gemessen werden.\u00a0 Ebenfalls werden Anbieter von IoT-Systemen sich an Entwicklungszyklen orientieren und messen lassen, wie man sie eher f\u00fcr mobile Applikationen kennt.<\/p>\n Ferner ist zu erwarten, dass sich eine offene API bei starker Akzeptanz durch die Entwickler fr\u00fcher als ein Quasi-Standard durchsetzen wird als ein von einem Konsortium verabschiedeter Standard. Somit darf man gespannt sein, wie sich die Vorst\u00f6\u00dfe (Brillo [13] und HomeKit [14]) in Richtung IoT der beiden derzeit f\u00fchrenden Anbieter von mobilen Betriebssystemen entwickeln werden.<\/p>\n Die Softwareentwicklung f\u00fcr IoT umfasst ein breites Spektrum an technischem Fachwissen. Offene, m\u00e4chtige APIs erlauben durch einen h\u00f6heren Abstraktionslevel effiziente und z\u00fcgige IoT-Entwicklungen. Embedded-Systems-Entwickler sollten sich mit diesen APIs besch\u00e4ftigen, bevor sie ein IoT-Projekt starten.<\/p>\n [1] A. Al-Fuqaha, M. Guizani, M. Mohammadi, M. Aledhari, M. Ayyash,\u00a0Internet of things: a survey on enabling technologies, protocols and applications<\/em>, IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. PP, No. 99, 2015<\/p>\n [2] UBM Tech,\u00a02014 Embedded Market Study: Then, Now: What\u2019s Next?<\/em>, 2014<\/p>\n [3]\u00a0https:\/\/www.iot-a.eu<\/a><\/p>\n [4]\u00a0https:\/\/allseenalliance.org\/developers<\/a><\/p>\n [5]\u00a0https:\/\/www.iotivity.org<\/a><\/p>\n [6]\u00a0https:\/\/xively.com<\/a><\/p>\n [7]\u00a0https:\/\/www.cumulocity.com<\/a><\/p>\n [8]\u00a0https:\/\/www.arduino.cc<\/a><\/p>\n [9]\u00a0https:\/\/www.mbed.com<\/a><\/p>\n [10]\u00a0https:\/\/www.freertos.org<\/a><\/p>\n [11]\u00a0https:\/\/developer.android.com<\/a><\/p>\n [12] G. Jeong, D. Kang, S. Lim, N. Dutt,\u00a0An advanced course design for mobile embedded software through Android programming<\/em>, Proc. Workshop on Embedded and Cyber-Physical Systems Education, Tampere, Finland 2013<\/p>\n [13]\u00a0https:\/\/developers.google.com\/brillo<\/a><\/p>\n [14]\u00a0https:\/\/developer.apple.com\/homekit<\/a><\/p>\n Beitrag als PDF downloaden<\/strong><\/a><\/p>\n Wollen Sie sich auf den aktuellen Stand der Technik bringen?<\/strong><\/p>\n Dann informieren Sie sich\u00a0hier<\/strong>\u00a0<\/a>zu Schulungen\/ Seminaren\/ Trainings\/ Workshops und individuellen Coachings von MircoConsult zum Thema Internet of Things\/System- und Hardwareentwicklung.<\/p>\n Training & Coaching zu den weiteren Themen unseren Portfolios finden Sie\u00a0hier<\/a>.<\/strong><\/p>\n Wertvolles Fachwissen zum Thema Internet of Things\/System- und Hardwareentwicklung steht\u00a0hier\u00a0<\/strong><\/a>f\u00fcr Sie zum kostenfreien Download bereit.<\/p>\nEinleitung<\/h2>\n
IoT-Trends und deren Analyse<\/h2>\n
IoT und APIs<\/h2>\n
Folgerungen<\/h2>\n
Zusammenfassung<\/h2>\n
Literatur- und Quellenverzeichnis<\/h2>\n
\nSystem- und Hardwareentwicklung – unsere Trainings & Coachings<\/h2>\n
\nSystem- und Hardwareentwicklung – Fachwissen<\/h2>\n