Wie hilft qbee.io beim intelligenten Gebäudemanagement?

Eine große norwegische Eigentumsmanagement Firma hat sich der Herausforderung gestellt Ihr Gebäudeportfolio effizienter und umweltfreundlicher zu betreiben. Ziel des Projektes ist es eine detaillierte Übersicht über die Innenklimadaten in alten und neuen Büroobjekten zu ermitteln, um dann über eine gezielte Optimierung des Innenklimas Energieeinsparungen zu erreichen. Die Gebäude sind über ganz Norwegen verstreut und die komplette Sensorik inklusive Gateways muss aus Kostengründen von dem jeweiligem Gebäudemanager installiert werden können. Der Betrieb wird sowohl auf Applikationsebene als auch auf Gateway Ebene (die Edge Gateways werden mit embedded Linux betrieben) zentral überwacht.

Das Projekt wurde von der Firma Greenflow AS durchgeführt.

Im Wesentlichen besteht es aus den Komponenten:

• Cloud IoT Platform Tingsense
• Multi-Sensor System & 4G Edge Gateway (ein industrieller Raspberry Pi) mit drahtloser Erfassung von CO2, Temperatur, Feuchtigkeit, Licht und Geräuschpegel
• Embedded Linux Fernwartungs- und Fernzugangssoftware qbee

Ein Service Level Agreement ist so gut wie das schwächste Glied im Technologie Stack

Es wurde schnell klar, dass man das geforderte Service Level Agreement (SLA) nur dann erreichen könnte, wenn man die Gateways in den verschiedenen Gebäuden aktiv überwacht und durch smarte Fernwartungsfunktionen alle Fehlerquellen ausschließt. Damit wurde qbee ein zentraler Baustein in der Smart Building Architektur. Um unabhängig von den lokalen verfügbaren Netzwerken zu sein wurde als Kommunikationslösung eine auf dem Mobilnetz basierende 4G Lösung gewählt. Damit können die gebäudeeigenen Netzwerke als Fehlerquelle ausgeschlossen werden.

Eine IoT Plattform für das Gebäudemanagement und Innenklimaüberwachung

Alle Gebäude liefern Ihre Sensordaten an die IoT Visualisierungslösung in Tingsense. Tingsense erlaubt es verschiedene Klimazonen zu definieren und Sensordaten für Bereiche, Etagen oder ganze Gebäude zu aggregieren. Damit lassen sich sowohl auf Gebäudeebene als auch auf Etagen- oder Klimazoneneben detaillierte Klimadaten auswerten. Die Plattform enthält ein komplettes PMV/PPD Model, welches die Steuerungsparameter für die Temperaturregelung generiert. Das PMV/PPD Model basiert auf umfassenden Studien über die Temperaturempfindung von Menschen und bezieht sowohl Temperatur als auch Feuchtigkeit, Kleidung, metabolische Aktivität und HVAC Luftumwälzungsmenge mit ein. Im nebenstehenden Bild sieht man eine Visualisierung eines Gebäudes mit den entsprechenden PMV/PPD Punkten. Es werden Abweichungen erfasst und eine Gesamtbewertung des Innenklimas in einem Zufriedenheitsindex abgebildet. Dieser rechnet nur die Arbeitszeit ein und klammert Nachtabsenkungen aus. Dadurch dass dieser Index aus den Modelparametern berechnet wird kann man den Energieverbrauch von Gebäuden vergleichen und zusätzlich mit dem Qualitätsindex korrelieren. Daraus kann man ablesen ob die Energieeffizienz auf Kosten des Innenklimas erreicht wurde oder durch intelligente Regelung. Damit gewinnt also nicht notwendigerweise der sparsamste Gebäudemanager im Energievergleich sondern der der Energieeffizienz auf eine gute Art und Weise mit Innenklimaqualität verbinden.

Neben der umfangreichen Gesamtanalyse kann man aber auch auf Sensorebene aktuelle oder vergangene Daten analysieren, um Muster oder Abweichungen zu finden. Ein solches IoT Plattform Dashboard Beispiel findet man hier:

Warum benötigt man eine IoT Edge Gerätemanagement und Fernüberwachungsplattform?

Ein wichtiger Punkt des Systems ist es, dass die Gateways und drahtlosen Sensoren einfach zu installieren sind. Außerdem müssen sie zuverlässig über die Lebenszeit des Systems arbeiten. Hier wurde qbee AS als Partner herangeholt, um die Gateways vollständig zu automatisieren. Damit kann jeweils ein Gesamtsystem an ein Gebäude geliefert werden und das Gateway koppelt sich sobald er in Betrieb genommen wird automatisch an das IoT Gerätemanagement von qbee und an das Cloud Backend von Tingsense an.

qbee ist eine IoT Gerätemanagement Plattform für embedded Linux. Diese Plattform funktioniert indem man eine kleine Agent Software auf das Gerät installiert und dann sicher an der Cloud anmeldet. Eine Besonderheit von qbee ist, dass es auf beliebigen Linux Geräten läuft und man so auch noch ältere Geräte in die IoT device management platform einbinden kann. Durch den Ansatz mit dem Agenten entfällt jedwede Softwareentwicklung und die SaaS Plattform wird als gehostete Lösung angeboten. Greenflow konnte von Tag eins die Gateways sowohl im Labor testen als auch einige Sensoren und Gateways schon beim Kunden im Gebäude vor Ort. Dies half dem Kunden frühzeitig die sich bietenden Möglichkeiten aufzuzeigen und man konnte schnell neue Funktionen umsetzen und testen.

Die Möglichkeit gleich am Anfang des Projektes Daten aus einem wirklichen Gebäude zu bekommen war sehr hilfreich. Gleichzeitig konnten aus der Ferne regelmässig OTA Software Updates an die Gateways ausgespielt werden. Dies ermöglichte es Greenflow dem Kunden regelmäßig Fortschritte zu zeigen. Gerade am Anfang half dies schnell ein Vertrauensverhältnis zwischen Greenflow und dem Kunden aufzubauen und dadurch konnten wesentliche neue Impulse in die Entwicklungsarbeit eingebracht werden. Durch qbee.io waren die häufigen remote Software Updates einfach zu bewerkstelligen und die eingebauten VPN remote access Möglichkeiten erlaubten es auch aus der Ferne auf dem Gerät zu debuggen.

Was kann eine Edge Gerätemanagement Lösung abdecken?

In diesem Projekt wird qbee genutzt, um folgende Themengebiete abzudecken:

• OTA Software Updates von OS und Applikationssoftware
• Konfigurationsmanagement, um das Linux OS zu konfigurieren
• Parametrisierung der Applikationssoftware (MQTT data broker)
• Fernzugriff zur Analyse und für debugging
• Monitoring der Geräte Performance
• Verwundbarkeitsanalyse über CVE Abgleich
• Überwachung der Gateway Funktionen
• Watchdog für das 4G USB Modem

Auch in diesem Projekt wurde qbee ausgewählt um den spezifischen Use Case sicheren „Fernzugriff“ zu lösen. Am Ende wurden fast alle Features von qbee genutzt und der Kunde war erstaunt wie viele Funktionen das Werkzeug bereitstellt. Deshalb bezeichnen wir die Lösung manchmal als Schweizer Armeemesser für den Einsatz von eingebetteten Systemen auf Linux Basis.

Wichtige Software Updates werden automatisch auf die Gateways verteilt. Dies gilt sowohl für Pakete des Betriebssystems als auch für die Anwendungssoftware. Eine Analyse aller auf dem Gerät befindlichen Bibliotheken mit der NIST CVE Datenbank erlaubt es jederzeit pro-aktiv Bibliotheken mit Verwundbarkeiten zu identifizieren und zu updaten. Durch die in qbee eingebaute state based Konfigurationsmanagement Engine lassen sich bequem User definieren, Passwörter festlegen, NTP Server einstellen, ssh Schlüssel austauschen (Stichwort „ssh key rotation“) aber auch die Firewall Regeln so anzupassen, dass alle Ports geschlossen sind. Der Fernzugriff von qbee erfolgt über ein eingebautes VPN so dass alle Ports geschlossen sein können. Durch die pull-based Architektur kann der Agent trotzdem aus allen Firewalls oder NATs bzw. Mobilnetzwerken mit der qbee Cloud Lösung Kontakt aufnehmen. All dies funktioniert alleine durch die Installation (und bootstrapping) des Agenten. Damit hat man sofort nach der Installation sowohl remote ssh access über das Web Interface als auch mit der mitgelieferten qbee-connect App für Windows, MacOS und Linux. Man kann auf beliebige Ports zugreifen (http,https, Node-Red, VNC, SCADA Systeme) und sogar über ssh port forwarding noch andere Geräte im lokalen Netzwerk sicher zugänglich machen (zum Beispiel Legacy HVAC devices).

Bei der Entwicklung und für den späteren Betrieb ist es auch sehr hilfreich dass qbee alle metrischen Daten die interessant sind in einem Dashboard anzeigen und überwachen lassen kann. Hier sieht man CPU Load, Speicherverbrauch aber auch benutzte Bandbreite. Ist ein Gerät offline wird das übersichtlich angezeigt.

Die Gateway Lösung selber besteht aus einem industriellem Raspberry Pi von Techbase mit eingebautem USB Modem für 4G Konnektivität. Die proprietären drahtlosen Sensoren werden mit einem Radiomodul angebunden, welches auch den USB Bus benutzt. Im Laufe des Projektes stellte sich heraus, dass in dem sehr seltenen Fall einer Sim Karten Re-konfiguration seitens des Netzbetreibers der Linux Netzwerk Stack ausgestiegen ist. Aber durch die smarte Watchdog Funktionalität konnte selbst das sehr spät im Projekt noch nachträglich korrigiert werden so dass alle Geräte jetzt so konfiguriert sind die Watchdog Funktionalität zu nutzen und damit das Problem zu lösen.

Die Applikation auf den Gateways kommuniziert mittels MQTT mit der Tingsense Cloud. Durch die Parametrisierung der Applikationssoftware mittels Templating die durch qbee gesteuert wird kann Greenflow sogar auf Device oder Gruppenebene andere MQTT broker und andere Autorisierungskodes definieren. Damit kann diese Lösung ohne weitere Entwicklung auch für andere Kunden genutzt werden.

Wir beraten Sie gerne wie auch Sie qbee einsetzen können. Fokussieren Sie auf Ihre Applikation und Ihre Kernkompetenz. Wir helfen Ihnen beim Device Management und Device Monitoring über den gesamten Lebenszyklus.

Hier können Sie eine Trial Version testen oder Sie schreiben uns an und wir stellen Ihnen die Lösung gerne vor.