Steuerungsebene Denis Hatebur, Friedrich Hülscher, Christoph Hüntemann, Thomas Rottke Die Bluetooth-Portierung Drahtgebundene Anschlüsse an lokalen Komponenten eines verteilten MSR-Systems sind nicht unproblematisch – oft sind diese Schnittstellen nur schwer zugänglich. Mobile Wartungseinheiten mit „Air-Interfaces“ können hier Abhilfe schaffen. Welcher Aufwand hinter einer solchen Lösung steckt, zeigt folgende Fallstudie einer Bluetooth-Anbindung. ür Wartungs- und Konfigurations- stelligen lässt. Dies zeigen die Erfah- Konkret ging es dabei darum, einen Faufgaben in verteilten MSR-Systemen rungen im Zusammenhang mit einer Fall- Wartungs-PDA (Personal Digital Assis- (Messen, Steuern, Regeln) sind mobile studie bei Itesys. tant) mit Embedded-Linux zur Visuali- Wartungsgeräte zum Beispiel in Form eines Handheld-Computers ideal ge- eignet. Sie lassen sich gut transportieren und sind in der Lage, Informationen der Leitebene über den Zustand des Systems und der Systemkomponenten darzustel- len. Ein weiterer Reiz dieser Geräte liegt darin, mit ihnen zusätzlich Messdaten zu erfassen und diese online an das MSR- System zu übermitteln. Trotz der offensichtlichen Vorteile einer solchen Lösung gegenüber einer draht- gebundenen Schnittstelle sind „Air-Inter- faces“ bislang nur unzureichend in Em- bedded-Systeme für MSR-Anwendungen integriert. Eigentlich unverständlich, da sich die Integration mittlerweile mittels kostengünstiger Standardtechnologien und ohne Programmieraufwand bewerk- Die Struktur des realisierten Bluetooth-Systems. 52 5/04 . Computer&AUTOMATION . www.elektroniknet.de Steuerungsebene sierung von Messdaten, zur Konfiguration direkt in den Flash-Speicher des Hand- hat. Noch fehlende Komponenten wie des MSR-Systems und zur Messwert- helds geladen werden können. Familiar zum Beispiel ein Web-Browser, um mit erfassung einzusetzen. Der PDA ist über Linux enthält bereits eine Bluetooth- dem Unterstationsrechner kommunizieren Bluetooth mit einer Unterstation ver- Unterstützung in Form von BlueZ, dem zu können, lassen sich ebenso unter der bunden. Diese besteht aus einem Embed- Standard-Protokollstack von Linux. Beide genannten Web-Adresse herunterladen ded-PC, auf dem ein speziell angepasstes Varianten von Familiar bieten die ge- und installieren. Linux und der Bluetooth-Stack „BlueZ“ wohnten Programme wie bash, ssh-Server Die Installation der Familiar-Distribu- laufen. Über Ethernet und TCP/IP ist die und ssh-Client, sftp-Server und sftp- tion läuft wie folgt ab: Da das bestehende Unterstation mit der Leitstation ver- Client. Der Umgang mit diesem System System eventuell später wieder hergestellt bunden und über CAN mit der Feldebene. erfordert also wenig Einarbeitung, sofern werden soll, empfiehlt es sich, als ersten Alternativ ließe sich auch ein PDA mit man bereits Desktop-Erfahrung mit Linux Schritt ein Backup davon zu machen. Windows-CE einsetzen, sofern die ent- sprechende Windows-Variante Bluetooth- Unterstützung bietet. Da der Untersta- tionsrechner aber mit Linux betrieben wird, bot es sich aus Gründen der Ho- mogenität, Quelloffenheit und Kompati- bilität an, Linux auch auf dem PDA ein- zusetzen. Aus dieser Architektur ergeben sich verschiedene Vorteile: ¤ Bluetooth hat sich als Standard für drahtlose Übertragung bei Distanzen bis zu 100 m bewährt und ist für mobile Wartungsaufgaben besonders geeignet. ¤ Linux erfreut sich auch im Embed- ded-Bereich in der Variante „Embedded Linux“ zunehmender Beliebtheit. Gerade die Offenheit des Systems macht Linux besonders interessant, wenn in einem Ent- wicklungsprojekt bei der Integration mit Anpassungsarbeiten zu rechnen ist. ¤Das Open-Source-Konzept garantiert, dass für Embedded-Linux und den Blue- tooth-Stack keine Lizenzkosten anfallen. Die Entwicklungsumgebungen für Linux – bestehend aus GCC mit Compiler und Debugger – sind gut dokumentiert und ebenfalls kostenfrei. ¤Für Embedded-Linux ist kostengüns- tige Standardhardware verfügbar; ein Bluetooth-Dongle kostet weniger als 50 Euro. ¤ Für Standardkonfigurationen lassen sich fertige Embedded-Linux- und Bluetooth-Installationspakete direkt und kostenlos aus dem Internet herunter laden. Für speziellere Konfigurationen ist die Installationsarbeit natürlich auf- wendiger. Die Realisierung im Detail Für den verwendeten PDA, einen Compaq iPAQ 3660, gibt es als Linux-Distribution das „Familiar Linux“ mit den Oberflächen Opie (Qt-basiert) oder GPE (GTK-ba- siert). Beide Versionen werden auf der Entwickler-Homepage www.handhelds. (Bild: Eurotherm) org als fertige Images angeboten, die www.elektroniknet.de . Computer&AUTOMATION . 5/04 53 Steuerungsebene Anschließend ist der Bootloader zu in- auf Grund ihrer Größe und Stabilität in Linux-Bluetooth-Protokollstack BlueZ stallieren, mit dem das Flash-Image zum sogenannten Mini- oder Eindisketten- portiert. Das BlueZ-System setzt sich aus Beispiel mit Hilfe eines Terminal-Pro- Linux-Versionen eingesetzt werden. Al- drei Komponenten zusammen: Module, gramms über die serielle Schnittstelle ge- lein der Kernel benötigt etwa 520 kByte, Applikationen und Libraries. laden werden kann. Der gesamte Zeit- und ein lauffähiges Bering – ohne wirk- aufwand hierfür beträgt etwa 20 Minuten liche Anwendungen und nur mit System- Module zuzüglich der Ladezeit für das Backup. tools – belegt rund 1,3 MByte. Da jedoch Bei BlueZ gibt es drei Arten von Ker- Das speziell angepasste Linux, das auf – was eine Bluetooth-Unterstützung nelmodulen. Die oberen Schichten sind der Unterstation läuft, wurde auf der Basis angeht – derzeit keine Alternative zur Bluetooth-Protokollmodule. Diese sind von LEAF realisiert. Der Begriff LEAF Bering-Variante besteht, sind diese Nach- Implementierungen der gleichnamigen steht für Linux Embedded Appliance teile in Kauf zu nehmen. Protokolle der Bluetooth-Spezifikation Firewall. Das Ziel dieses Projektes ist es, Für den vorliegenden Anwendungsfall beziehungsweise der Bluetooth-Profil- einen Linux-Router mit Firewall-Funktion mussten am Bering-System einige An- spezifikation. Darunter befindet sich zu erstellen, der möglichst wenige Res- passungen vorgenommen werden. Als „bluez.o“, das zentrale Modul des BlueZ- sourcen benötigt. Die Grundlage hierfür Ausgangspunkt diente ein LEAF-Bering- Stacks. Dieses Modul fungiert als HCI- ist die Distribution des Linux Router System in der Version 1.2, das jedoch Treibermodul (Host Controller Interface) Project (LRP). Dieses „minimalistische“ noch keine aktuelle, vollständige und und reicht die HCI-Pakete an die unteren Linux benötigt nur wenig Festspeicher funktionierende Bluetooth-Unterstützung Hardware-Treiber weiter. Die HW- (kleiner 2 MByte) und relativ wenig enthält. Auf Grund der schnellen Ent- Treibermodule dienen als Schnittstelle Hauptspeicher (kleiner 12 MByte). Die wicklung und sicherheitskritischer Fehler zwischen dem HCI-Treiber bluez.o und Hauptherausforderung hinsichtlich der in den letzen Kernel-Versionen war es anderen Hardware-Treibern, welche dann Anpassung bestand darin, Bluetooth in ratsam, einen aktuellen Kernel mit ak- direkt auf die Geräte zugreifen. das Embedded-System zu integrieren und tivierten Bluetooth-Optionen zu instal- so zu compilieren, dass der Speicher- lieren. Da der Speicherplatz bei einem Applikationen bedarf des Bluetooth-Stack und der er- Embedded-System begrenzt ist, musste Um den BlueZ-Stack nutzen zu können, forderlichen Tools den üblichen Rahmen der Kernel vor der Installation noch mit ist es nicht nur wichtig, die Kernelmodule für Embedded-Systeme (kleiner 2 MByte) einem Executable-Packer komprimiert des Stacks zu kennen. Auch die zugehö- nicht überschreitet. Die LRP-Distribution werden. Man erreicht so eine Verklei- rigen Anwendungen, Test- und Konfigu- benötigt nur eine Diskette und läuft nach nerung auf etwa 85 % der Originalgröße. rationstools sind von Bedeutung. Wichtig dem Start des Systems komplett im Die Erstellung eines eigenen Kernels sind in diesem Zusammenhang der HCI- Hauptspeicher. bietet den Vorteil, alle benötigten Module Daemon „hcid“, der SDP-Daemon „sdpd“ Mit der Distribution „Bering“ des schon statisch in den Kernel compilieren (Service Discovery Protocol), das Konfi- LEAF-Projektes, deren Code-Basis aus zu können. So entfällt die Notwendigkeit, gurationstool „hciconfig“ und der PAN- dem Linux Router Project (LRP) stammt die Kernelmodule in das System zu in- Daemon „pand“ (Personal Area Network). und die im Gegensatz zu anderen Ab- tegrieren. Der Daemon hcid, der im Hintergrund leitungen aus dieser Code-Basis den läuft, erfüllt im Wesentlichen drei Auf- Kernel 2.4 verwendet, steht von Seiten BlueZ-Erweiterung für LEAF gaben. Bei seinem Start werden alle bis des Kernels her erstmals eine Bluetooth- Die größte Schwierigkeit beim Aufbau dahin vorhandenen HCI-Geräte initia- Unterstützung zur Verfügung. Allerdings des Systems bestand in der Integration des lisiert und mit Standardwerten konfi- ist der Kernel 2.4 um einiges größer als Bluetooth-Subsystems in LEAF-Bering. guriert. Die Konfiguration erfolgt dabei Linux 2.2 oder gar Linux 2.0, die beide Um dies zu erreichen wurde der offizielle auf der Grundlage einer Konfigurations- Aufteilung des Festspeicherbedarfs von LEAF-Bering: Über 75 % des Platzes auf der Diskette (1,68-MByte-Image) Das Komponentendiagramm: Ein Wartungs-PDA und die Steuerungsrechner der benötigt allein das System. Leitebene werden über ein Web-Interface mit dem MSR-System verbunden. 54 5/04 . Computer&AUTOMATION . www.elektroniknet.de datei, in der alle grundsätzlichen Einstellungen für die jeweiligen Geräte getroffen werden können. Die zweite Aufgabe des Programms