Echtzeit-Anwendungen von Embedded Systems

Embedded Systems (eingebettete Systeme) sind Computersysteme, die mehrere Geräte enthalten, die aus unterschiedlicher Software und Hardware bestehen und dazu bestimmt sind, eine bestimmte Funktion innerhalb eines groß angelegten elektronischen Systems zu erfüllen. Eingebettete Echtzeitsysteme sind wichtig, um Kosten zu sparen, eine hohe Qualität aufrechtzuerhalten und das Risiko von Produktfehlern vor der endgültigen Freigabe zu verringern. 

In dem Maße, wie die Welt die Einführung von IoT-Produkten (Internet der Dinge), wie z. B. intelligente Lautsprecher und sprachgesteuerte Beleuchtungsanwendungen, begrüßt, werden Embedded-Echtzeitsysteme immer beliebter, was zu einer raschen Zunahme der Nutzung von Echtzeitoperationen führt. Die Übernahme von eingebetteten Echtzeitsystemen verändert das Technologiefeld und konzentriert sich auf reaktionsschnelle, zuverlässige und vernetzte Funktionen. 

In diesem Leitfaden werden wir uns mit der Bedeutung von Echtzeitanwendungen eingebetteter Systeme befassen und vor allem die Frage beantworten: "Welche Beispiele für Echtzeitanwendungen eingebetteter Systeme gibt es?". Wir erfahren mehr über die Vorteile von Embedded-Echtzeitsystemen und über neue Entwicklungsprojekte, die sich am Horizont abzeichnen. In diesem Leitfaden werden auch die Karrieremöglichkeiten in dieser Branche untersucht.

Die Bedeutung von Echtzeitanwendungen von Embedded Systems

Der globale Markt für Echtzeit-Embedded-Systeme ist in den letzten Jahren erheblich gewachsen und wird sich weiter ausbreiten. Die Nachfrage nach Embedded Echtzeitsystemen ist im Steigen begriffen. Eine Vielzahl von Branchen benötigt Embedded Echtzeitsysteme, insbesondere in den Bereichen Medizin, Automatisierung, E-Mobilität, Kommunikation und Steuerungsverfahren. 

Der globale Markt für Embedded Systems wurde im Jahr 2021 zunächst auf 89,1 Milliarden US-Dollar geschätzt und wird bis 2031 voraussichtlich 163,2 Milliarden US-Dollar erreichen. Der Markt wächst mit einer schnellen CAGR-Rate von 6,5 % von 2022 bis 2031. Die Nachfrage nach eingebetteten Echtzeitsystemen treibt das Wachstum der Branche an. Auch die Forschung im Bereich der eingebetteten Systeme nimmt zu, was zu einem enormen Anstieg von Entwicklungsprojekten und Fortschritten auf diesem Gebiet führt. 

Eingebettete Systeme revolutionieren die technische Industrie, in der die Implementierung dieser Geräte und Vorgänge das Leben der Menschen entscheidend verändert. Embedded-Echtzeitsysteme stellen sicher, dass Aufgaben unter engen Zeitvorgaben ausgeführt werden, liefern Echtzeit-Analysedaten und gewährleisten eine zuverlässige Wartung und Leistung. Branchen wie die Medizintechnik, die Automobilindustrie und die E-Mobilität sind in hohem Maße von Embedded-Echtzeitsystemen abhängig, da die korrekte Funktion innerhalb eines begrenzten Zeitrahmens entscheidend ist. 

Nachdem wir nun die große Bedeutung von Echtzeitanwendungen von Embedded Systems betrachtet haben, können wir uns näher mit den Vorteilen befassen, die Embedded Systems für verschiedene Branchen und Kunden bieten.

5 Vorteile von Echtzeit-Embedded-Systemen

• Zuverlässig - Embedded-Echtzeitsysteme bieten in der Regel eine konsistente und zuverlässige Leistung über lange Zeiträume. Die Betriebssysteme sind darauf ausgelegt, Ausfälle und Abstürze zu vermeiden und konstante Reaktionen und Daten zu liefern. Dies ist für Echtzeit-Embedded-Systeme in Branchen wie der medizinischen Industrie von entscheidender Bedeutung, da es wichtig ist, dass die Systeme keine Fehler machen und zuverlässig arbeiten, um schädliche Folgen zu vermeiden. 
• Kosteneffektiv - Hardware- und Softwarekomponenten in Echtzeit-Embedded-Systemen sind erschwinglich und kostengünstig. Das bedeutet, dass die Produkte spezifische Anforderungen mit einem geringen Budget erfüllen können, was die Industrie ermutigt, eingebettete Echtzeitsysteme einzusetzen. 
• Hohe Geschwindigkeit - Hohe Geschwindigkeit und Genauigkeit sind enorme Vorteile, die eingebettete Echtzeitsysteme bieten, da sie hochpräzise und schnelle Antworten liefern können. Schnelle und präzise Reaktionen sind bei Echtzeit-Embedded-Systemen unverzichtbar, z. B. bei Vorgängen in Automobilprodukten, wie der Steuerung selbstfahrender Autos, die für die Einhaltung von Sicherheitsverfahren unerlässlich sind. 
• Vielseitige Größe - Embedded-Echtzeitsysteme werden so hergestellt, dass sie anpassungsfähig und kompakt sind, was für Produkte und Anwendungen mit geringem Platzbedarf, wie z. B. Industrieanlagen, IoT-Geräte und GPS-Fitness-Tracker in Mobiltelefonen, von großem Vorteil ist.
• Anpassbar - Ein weiterer Vorteil von Embedded-Echtzeitsystemen ist die große Flexibilität bei Entwurfs- und Fertigungsprozessen. Dies ist von großer Bedeutung, da auf diese Weise spezifische funktionale Anforderungen für verschiedene Produkte geschaffen werden können. 

Arten von Echtzeit-Embedded-Systemen

Embedded-Echtzeitsysteme lassen sich in drei Kategorien einteilen, je nachdem, wie kritisch eine Verletzung der Zeitvorgaben und der Zuverlässigkeit wäre. Diese Kategorien sind wie folgt:

1. Soft - Bei Embedded-Echtzeitsystemen würden Reaktionsausfälle lediglich die Kundenerfahrung beeinträchtigen; es wäre keine dringende Angelegenheit, die gelöst werden müsste. Wenn das System die Zeitvorgabe nicht einhält, kann es sich selbständig erholen oder seinen Betrieb abschalten. Ein hervorragendes Beispiel für diesen Prozess sind Embedded-Echtzeitsysteme wie Spielkonsolen und TV-Router; ein Versagen bei der Einhaltung von Zeitvorgaben kann zwar vorkommen, hat aber nur minimale Auswirkungen und Folgen. 
2. Firm - Es ist in der Regel akzeptabel, wenn ein festes Embedded-Echtzeitsystem Fristen und Zeitvorgaben nicht einhält. Systemausfälle haben keine schädlichen Folgen. Betriebsausfälle beeinträchtigen jedoch die Leistung, was unbefriedigend ist. Vorgänge wie z. B. Fertigungssysteme fallen in diese Kategorie. 
3. Hart - Es ist von entscheidender Bedeutung, dass Zeitvorgaben nicht verletzt werden. Die Zeitvorgaben müssen konsequent eingehalten werden. Jede Störung im Betrieb ist von entscheidender Bedeutung und kann erhebliche negative Auswirkungen haben, und die Leistung wird vollständig gemindert. Beispiele hierfür sind Autopilot-Systeme oder die Steuerung selbstfahrender Autos, bei denen ein Betriebsausfall potenziell Menschenleben gefährden kann.

Beispiele für Echtzeit-Embedded-Systeme

Nachdem wir nun die verschiedenen Arten von Echtzeit-Embedded-Systemen kennengelernt haben, wollen wir uns nun mit einigen der typischsten Echtzeitanwendungen beschäftigen:

1. Medizintechnik

Echtzeit-Embedded-Systeme in der MedTech-Branche werden mit Software- und Hardwarekomponenten entwickelt, die auf spezifische Anforderungen und Funktionen in medizinischen Geräten zugeschnitten sind. Diese Funktionen ermöglichen die kontinuierliche Überwachung und Kontrolle des Gesundheitszustands von Patienten. 

Medizinische Geräte mit integrierten IoT-Funktionen (Internet der Dinge) tragen dazu bei, den Ärztemangel zu bewältigen und medizinische Prozesse zu beschleunigen. IoT-Hardware-Betriebssysteme sind beispielsweise so konzipiert, dass sie Patientenanalysen und -daten effektiv in der Cloud speichern, so dass medizinische Experten sie leicht beurteilen und darauf reagieren können. 

Beispiele für Embedded Technologien in der Medizin können Sensoren, digitale Signalprozessoren, Mikroprozessoren und Speicher für die Datenspeicherung sein. Diese Technologien stellen sicher, dass die Geräte unter äußerst kritischen Umständen, bei denen kein Raum für Fehler bleibt, in Echtzeit reagieren. 

Beispiele für Embedded Systeme in der Medizintechnik:

• Herzschrittmacher
• Defibrillator
• Ultraschall-Scanner
• Insulinpumpen
• Blutzuckermessgeräte

2. Automotive/E-Mobility  

Die Branche der Embedded-Systeme für die Automobilindustrie ist heute eine der sich am schnellsten entwickelnden Branchen, da die Technologie die Branche kontinuierlich zu neuen Projektentwicklungen antreibt, wodurch Fahrzeuge intelligenter, effizienter und vernetzter werden. Im Jahr 2022 hatte der globale Markt für Embedded-Systeme für die Automobilindustrie einen geschätzten Wert von 4497,78 Millionen Dollar und wird bis 2028 voraussichtlich 6839,04 Millionen erreichen und mit einer CAGR von 7,23% wachsen.

In der Automobilindustrie steuern Embedded Systems verschiedene Fahrzeugfunktionen, wie z.B. Klimatisierung, Bremsen und Motormanagement. Die Funktionen und Systeme arbeiten zusammen, um die Gesamtleistung und Sicherheit eines Fahrzeugs zu maximieren. IoT-Funktionen (Internet der Dinge) haben auch Geräte integriert, die Echtzeitdaten über Standort, Fahrerverhalten und Geschwindigkeit sammeln. 

In der Branche der Embedded Systems für Kraftfahrzeuge wird eine breite Palette von Technologien eingesetzt. Dazu gehören Sensoren, Anzeigegeräte, Mikrocontroller und Datenspeicher, die alle zusammen eine wichtige Grundlage für die Steuerung bilden, die es den Fahrzeugen ermöglicht, schnell auf verschiedene Umweltfaktoren zu reagieren. 

Embedded-System-Technologien in der Automobilindustrie lassen sich in verschiedene Kategorien einteilen, z. B. Sicherheit, Karosserieelektronik, Antriebsstrang und Fahrgestellsteuerung. 

Beispiele für Embedded Systems in der Automobilbranche: 

• Anti-Blockier-Bremssystem (ABS)
• Geschwindigkeitsregelsystem
• Airbag-Steuerung
• Kfz-Nachtsichtsystem
• Regensensorisches System
• Schwarzer Kasten

3. CHS (Zentralheizungssysteme)

Embedded Systems in Echtzeit sind in der Heizungsindustrie von großer Bedeutung, da sie die treibende Kraft hinter der Leistung von Thermostatsteuerungen sind und für die Temperaturregelung verantwortlich sind. 

Embedded Systems in Zentralheizungssteuerungen sind auf verschiedene Weise konzipiert, um die Temperaturregelung durchzuführen, was bei temperatursensiblen Gütern entscheidend ist. Embedded Systems wandeln chemische Energie in thermische Energie um, erzeugen Wärme und sorgen für die Temperaturregelung von Gebäudeteilen. Bei der Temperaturkontrolle geht es darum, eine Überhitzung zu verhindern, was für eine genaue Wärmeregulierung und Energieeinsparungen von großem Vorteil ist. 

IoT-Funktionen (Internet der Dinge) haben die Branche der Zentralheizungssysteme revolutioniert. Komponenten wie HVAC-IoT-Sensoren, KI-gesteuerte Heizungslösungen und Kabelkonfigurationen tragen zur Entwicklung intelligenter und vernetzter Heizungslösungen bei. Zu den Lösungen können die Senkung des Energieverbrauchs, Kosteneffizienz, genaue Echtzeitdaten und Temperaturregelung gehören.

Beispiele für Embedded Systems in CHS:

• Intelligente Thermostate
• Fußbodenheizungssysteme
• Kesselsteuerungssysteme
• Heizkörper-Steuerungssysteme

4. Industrielle Automatisierung - Fertigung

Die industrielle Automatisierung fällt in zwei Hauptkategorien: Maschinensteuerung und Maschinenüberwachung, die in der Regel in Fabriksystemen implementiert sind. Embedded Systems sind für die Überwachung und Ausführung der maximalen Leistung industrieller Prozesse und die Steuerung verschiedener Fabriksysteme und -abläufe unerlässlich. Embedded Systeme in der Industrieautomatisierung sind auf dem besten Weg, ein wesentlicher Bestandteil des Automatisierungsbereichs zu werden und das Wachstum von Unternehmen zu fördern.

Embedded Systems übernehmen spezifische Funktionen wie die Temperaturregelung, die Steuerung von Motoren und Ventilen sowie die Verwaltung von Netzwerkeinrichtungen und -geräten. Die kontinuierliche Überwachung von Maschinen fördert die Leistungsoptimierung. Die Verfolgung des Maschinenzustands senkt auch die Wartungskosten und gewährleistet eine hohe Qualität der Anlagen, da ein schnelles menschliches Eingreifen möglich ist, sobald Echtzeitdaten empfangen werden.

Embedded Systems in der Industrieautomation sind auf dem Weg, Konzepte von IoT-Geräten (Internet of Things) zu implementieren. Diese Geräte erfassen, steuern und übertragen Daten und ermöglichen die Verbindung mit anderen Geräten, was eine Fernüberwachung und -optimierung ermöglicht. 

Beispiele für Embedded Systems in der Industrieautomation:

• Maschinensteuerungssysteme
• Automatisierungscomputer
• Maschinenüberwachungssysteme
• Industrielle IoT-Geräte

5. Fitness-Tracker

Fitness-Tracker sind gängige Echtzeitanwendungen für Embedded Systems. Embedded-Echtzeitsysteme sind für die Wearable-Technologie revolutionär, da Fortschritte die Intelligenz und Effizienz steigern. 

Die Geräte enthalten in der Regel Hardware- und Software-Technologien, wie z. B. Sensoren, um Fitnessfaktoren wie Herzfrequenz, Schrittzahl und Schlafverhalten zu erfassen. Embedded-Echtzeitsysteme sammeln Daten über körperliche Aktivität und Umweltfaktoren und liefern jederzeit abrufbare Echtzeitberichte, die dem Nutzer aufschlussreiche Informationen über seine Fitness liefern. 

Embedded-Echtzeitsysteme sind auch für die Energieverwaltung von entscheidender Bedeutung, da sie dafür sorgen, dass die Batterielebensdauer im Einklang mit der optimalen Leistung steht. Technologien wie dynamische Spannungsskalierung und Power Gating passen die Spannungsversorgung an die Arbeitslast an und schalten ungenutzte Komponenten ab, was zu einer hohen Energieeffizienz führt. 

Beispiele für Embedded Systems in Fitness-Trackern:

• Beschleunigungsmesser
• Herzfrequenzmesser
• Gyroskope
• Schrittzähler

Aktuelle und kommende Entwicklungen im Bereich Echtzeit-Embedded-Systeme / IoT

Das Internet of Things (IoT) hat in dem Maße an Bedeutung gewonnen, wie neue technologische Entwicklungen den Industriesektor zu revolutionieren beginnen. Im Folgenden erhalten Sie einen Einblick in neue Projektentwicklungen, die sich abzeichnen. 

KI

Die Entwicklung von Embedded-Systemen mit KI-Funktionen zeichnet sich derzeit ab. KI-Technologien beschleunigen die Datenanalyse und Entscheidungsfindung erheblich, d. h. Daten von Sensoren eingebetteter Systeme können in Echtzeit analysiert und verarbeitet werden. 

Bei der Entwicklung von KI-Projekten wird auch damit begonnen, die Technologie des digitalen Zwillings einzubeziehen. Dabei wird eine digitale Kopie von physischen Objekten und Prozessen erstellt, in der die KI effektiv testen und effiziente Lösungen finden kann. KI-Entwicklungen wären in Sektoren wie der Medizintechnik und der Automobil- und Automatisierungsindustrie, in denen schnelle Entscheidungen und Lösungen entscheidend sind, von großem Nutzen.

Edge Computing

Edge Computing ist eine Methode, um Daten von einem Gerät zu sammeln und zu verarbeiten, ohne separate Anwendungen zu verwenden. Dieser Rahmen kann Netzverzögerungen und Reaktionszeiten verringern. Die Edge-Computing-Technologie senkt den Bedarf an Servern und Datenverarbeitungssoftware erheblich und ermöglicht die Nutzung von Cloud-Ressourcen.

Die Entwicklungen im Bereich des Edge Computing würden die Sektoren Medizintechnik, Industrieautomatisierung und Automobilbau, in denen geringe Latenzzeiten, schnelle Reaktionszeiten und Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung sind, erheblich voranbringen.

Security - Blockchain-Technologie 

Bei der Sicherung von IoT-Geräten und der Bewältigung des Risikos von Cybersicherheitsangriffen und Cyberkriminalität hat es erhebliche Entwicklungen gegeben, da die Zahl der vernetzten Geräte zunimmt. 

Die Blockchain-Technologie sorgt dafür, dass Cyberschwachstellen wie Manipulationen vermieden werden. Es gibt auch Projektentwicklungen im IoT, die sich auf die Überwachung von Netzwerken und Geräten konzentrieren, bei denen verdächtige Aktivitäten erkannt werden und das Risiko von Cyberkriminalität verringert wird.

5G-Technologie

Drahtlose Netze werden häufig in IoT-Geräten verwendet. Die Projektentwicklungen zielen auf die Integration der 5G-Technologie ab, die die schnellsten Geschwindigkeiten für drahtlose Netzwerke bietet. Schnellere Leistung und geringere Latenzzeiten verbessern die Reaktionszeiten von IoT-Sensoren und verbessern die Konnektivität. 

Die Entwicklungen in der 5G-Technologie werden der Medizintechnik sowie der Automobil- und Automatisierungsbranche, wo schnellere Reaktionszeiten und Konnektivität von entscheidender Bedeutung sind, erheblich zugutekommen.

Aktuelle Real-Time IoT-Entwicklungen

Hier sind einige Beispiele für die jüngsten Echtzeit-IoT-Entwicklungen, die die Branche der Embedded Systems revolutionieren:

• Voyager Parking Management System - Secure Parking hat vor kurzem eine "Voyager"-Parklösung eingeführt. Das preisgekrönte Parkmanagementsystem nutzt die Entwicklungen der IoT-Technologie, um ein einfaches Parkerlebnis zu schaffen. Die Entwicklungen im Bereich Software und Systeme haben die Branche der Embedded Systems massiv beeinflusst.
• eHat - IoT-Entwicklungen haben zu erheblichen Fortschritten im Bereich Gesundheit und Sicherheit geführt. Der eHat ist ein Video-/Audiosystem, das mit mobilen Geräten verbunden werden kann und mit dem wichtige Anweisungen in industriellen Umgebungen, insbesondere im Bauwesen, erfolgreich übermittelt werden können. 
• Parkinson's Kinetigraph - Eine neuere Entwicklung im IoT wird durch den Parkinson's Kinetigraph demonstriert, eine tragbare Uhr, mit der Patienten Daten von der Uhr über die Cloud an ihren Arzt senden können. Die IoT-Funktion "smart dock" bietet eine zuverlässige Bewertung von Symptomen wie Tremor und Dyskinesie und ermöglicht Ärzten den jederzeitigen Zugriff auf die Daten. 

Aktuelle Daten zeigen, dass mehr als 25.000 Patientenberichte gesammelt wurden, was mehr als 3 Millionen Aufzeichnungsstunden entspricht, was darauf hindeutet, dass neue, in das IoT eingebettete Funktionen die Medizintechnikbranche zu revolutionieren beginnen.

Jobs im Bereich der Embedded Systems

Die große Nachfrage nach Echtzeitanwendungen für Embedded Systems bedeutet, dass es zahlreiche Beschäftigungsmöglichkeiten im Bereich der Embedded Systems gibt, insbesondere in Branchen wie der Medizintechnik, der Automobilindustrie und der industriellen Automatisierung. Zu den möglichen Stellenangeboten gehören:

• Konstruktions- und Entwicklungsingenieur für Mechanik - Diese Aufgabe umfasst das Entwerfen, Entwickeln und Testen mechanischer Systeme sowie die Behebung von Problemen.
• Ingenieur für medizinische Systeme - Hier geht es um die Wartung und Entwicklung medizinischer Systeme.
• Ingenieur für eingebettete Software - Ein Ingenieur für eingebettete Software entwirft und entwickelt Software für bestimmte eingebettete Geräte.
• Embedded Hardware Engineer - Diese Funktion umfasst den Entwurf und die Entwicklung von Hardwaresystemen, die in große elektronische Systeme eingebettet sind.
• Embedded Firmware Engineer - Firmware-Ingenieure entwerfen und installieren Firmware-Systeme, beheben Fehler und passen sie bei Bedarf an.
• Test Automation Engineer - Diese Funktion umfasst das Testen von Software während der Entwicklung und das Entwerfen von Systemen, die automatische Tests durchführen.
• Ingenieur für Cybersicherheit - Die Aufgabe eines Ingenieurs für Cybersicherheit besteht darin, Schwachstellen zu ermitteln und technische Lösungen gegen Cyberkriminalität zu entwerfen.
• Projektmanagement - Ein Projektmanager sorgt dafür, dass alle Projekte reibungslos ablaufen und enge Fristen und Budgets eingehalten werden.

Die Schlussfolgerung 

Die Echtzeit-Applikationen von Embedded Systems sind zu einer treibenden Kraft bei der Umgestaltung verschiedener Branchen geworden und bieten unvergleichliche Vorteile, die zu Effizienz, Zuverlässigkeit und Konnektivität beitragen. 

Die Kategorisierung von Echtzeit-Embedded-Systemen in " soft", "firm" und "hard" unterstreicht die Bedeutung von Zeitvorgaben und Zuverlässigkeit in verschiedenen Branchen. Veranschaulichung der vielfältigen und wichtigen Rolle von eingebetteten Echtzeitsystemen bei der Verbesserung von Leistung und Sicherheit.

Aktuelle Entwicklungen im Bereich der Echtzeit-IoT-Anwendungen zeigen den transformativen Einfluss von Embedded Systems auf das tägliche Leben. Diese Beispiele spiegeln die kontinuierliche Weiterentwicklung und Anpassung von Embedded-Echtzeitsystemen wider, um neue Herausforderungen und Chancen zu nutzen.

Im Wesentlichen sind die Echtzeitanwendungen von Embedded Systems nicht nur integraler Bestandteil des Funktionierens kritischer Industrien geworden, sondern treiben auch technologische Fortschritte voran, die eine Zukunft versprechen, die von Innovation, Effizienz und Konnektivität geprägt ist.

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