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      • Veröffentlicht am 31. Mai 2024
      • Zuletzt bearbeitet am 31. Mai 2024
    • 14 min

    Open Source Hardware

    Open Source Hardware (OSH) revolutioniert die Industrie, indem es die Prinzipien der Offenheit und Zusammenarbeit aus der Softwarewelt auf physische Geräte überträgt. Von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) über robuste Industriecomputer bis hin zu leistungsstarken IoT-Gateways – OSH bietet flexible, kosteneffiziente und anpassbare Lösungen, die speziell für industrielle Anwendungen entwickelt wurden. Tauchen Sie ein in die Welt der Open Source Hardware und entdecken Sie die Vorteile.

    Open Source Hardware

    Was ist Open Source Hardware?

    Der Begriff Open Source Hardware (OSH), teilweise auch einfach als Open Hardware bezeichnet, bezieht sich auf physische Geräte, deren Designinformationen öffentlich zugänglich sind. Jeder kann diese Informationen einsehen, modifizieren und nachbauen. Das Konzept ähnelt der Open-Source-Software, bei der der Quellcode frei verfügbar ist. Bei OSH umfasst dies alle Komponenten eines Hardwareprojekts, wie Schaltpläne, Layouts, Stücklisten, CAD-Dateien und sogar die Firmware.

    Wichtige Prinzipien und Konzepte von OSH sind:

    • Transparenz: Alle Designdaten und Spezifikationen sind öffentlich zugänglich, sodass jeder die Funktionsweise der Hardware verstehen und überprüfen kann.
    • Zusammenarbeit: Durch die Offenlegung der Designs wird die Zusammenarbeit zwischen Entwicklern und Unternehmen gefördert, was zu schnelleren Innovationen und verbesserten Produkten führt.
    • Nachhaltigkeit: Open Source Hardware kann dazu beitragen, die Lebensdauer von Produkten zu verlängern, da Modifikationen und Reparaturen einfach durchführbar sind.
    • Bildung: OSH spielt eine wichtige Rolle in der Bildung, da es Lernenden ermöglicht, praktische Erfahrungen mit echten Hardwareprojekten zu sammeln und das Verständnis für Technik zu vertiefen.

    Wie unterscheiden sich Open Source Hardware und proprietäre Hardware?

    Der Hauptunterschied zwischen Open Source Hardware und proprietärer Hardware liegt in der Zugänglichkeit und Freiheit der Nutzung. Während proprietäre Hardware von Unternehmen entwickelt und geschützt wird, sodass sie nur unter bestimmten Bedingungen verwendet werden kann, steht OSH unter Lizenzen, die die freie Nutzung, Modifikation und Weitergabe ermöglichen. Dies führt zu einer transparenten Entwicklung und oft zu einer schnelleren Innovation, da viele Entwickler und Ingenieure weltweit zusammenarbeiten können.

    Geschichte und Entwicklung von Open Source Hardware

    Die Wurzeln der Open Source Hardware reichen bis in die frühen Tage der Heimcomputerbewegung zurück, als Hobbyisten und Ingenieure ihre Designs frei teilten. Ein bedeutender Meilenstein war die Veröffentlichung des Arduino-Projekts im Jahr 2005, das eine einfache, flexible Entwicklungsplattform für elektronische Projekte bot. Arduino zeigte, dass Open Source Hardware nicht nur möglich, sondern auch kommerziell erfolgreich sein kann.

    Seitdem hat sich die Bewegung stark weiterentwickelt. Viele Projekte und Plattformen sind entstanden, die in verschiedenen Industrien eingesetzt werden, von der Automatisierung bis hin zur Forschung und Entwicklung. Diese Entwicklung wird durch die zunehmende Verfügbarkeit kostengünstiger Fertigungstechnologien und die wachsende Community von Entwicklern und Ingenieuren unterstützt.

    Typische Open Source Hardware-Komponenten in der Industrie

    Open Source Hardware spielt eine zunehmend bedeutende Rolle in der Industrie, insbesondere in den Bereichen speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Industriecomputer und IoT-Gateways. Diese Komponenten bieten flexible, kosteneffiziente und anpassbare Lösungen für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen.

    Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)

    Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind essenzielle Komponenten in der industriellen Automatisierung, die zur Steuerung von Maschinen und Prozessen eingesetzt werden. Eine bemerkenswerte Open Source SPS-Lösung ist OpenPLC, die eine vollständige SPS-Funktionalität bietet und auf verschiedenen Hardwareplattformen wie Arduino, Raspberry Pi und Industrie-PCs betrieben werden kann. OpenPLC unterstützt Standardprotokolle wie Modbus und bietet eine Entwicklungsumgebung, die den IEC 61131-3-Standards entspricht, was sie zu einer vielseitigen und leistungsfähigen Lösung für industrielle Automatisierungsaufgaben macht. Typische Anwendungen umfassen die Steuerung von Produktionsanlagen, die Implementierung von Sicherheitsfunktionen und die Integration in größere Automatisierungssysteme, wodurch die Effizienz und Flexibilität in industriellen Prozessen erheblich gesteigert werden.

    Industriecomputer

    Industriecomputer sind anpassungsfähige, robuste und modulare Systeme, die speziell für industrielle Anforderungen entwickelt wurden. Sie unterstützen verschiedene Verbindungsmöglichkeiten, einschließlich digitaler und analoger I/O-Module, um eine nahtlose Integration in bestehende Anlagen und Prozesse zu ermöglichen. Industriecomputer auf Basis von Open Source Hardware bieten den Vorteil der Transparenz, was Innovationen und Anpassungen fördert.

    Ein wesentlicher Aspekt ist die Softwareintegration, da diese Computer gängige industrielle Softwarelösungen, wie IEC 61131-3-konforme Programmierumgebungen, unterstützen müssen. Dies ermöglicht die Erstellung und Implementierung komplexer Steuerungsprogramme für eine Vielzahl von Anwendungen, von der Produktionsliniensteuerung bis zur Maschinenüberwachung und Gebäudeautomatisierung.

    IoT-Gateways

    IoT-Gateways sind entscheidend für die Verbindung und Kommunikation zwischen verschiedenen Geräten in einem IoT-Netzwerk. Sie sammeln Daten von Sensoren und Aktoren, verarbeiten diese und übertragen sie an zentrale Server oder Cloud-Dienste. IoT-Gateways bieten umfangreiche Schnittstellen, einschließlich Ethernet und WLAN, sowie Unterstützung für verschiedene industrielle Protokolle. Sie ermöglichen die nahtlose Anbindung von Maschinen und Anlagen an Cloud-basierte IoT-Plattformen, was für die Überwachung und Steuerung von Produktionsprozessen, die Sammlung und Analyse von Sensordaten und die Fernwartung von Industrieanlagen von großer Bedeutung ist.

    Vorteile von Open Source Hardware in der Industrie

    1. Kostenreduktion: OSH reduziert die Kosten durch den Wegfall von Lizenzgebühren und teuren Entwicklungsprozessen. Unternehmen können vorhandene Designs nutzen und anpassen, wodurch Entwicklungs- und Produktionskosten gesenkt werden.
    2. Flexibilität und Anpassungsfähigkeit: OSH ermöglicht es Unternehmen, Hardware nach ihren spezifischen Anforderungen zu modifizieren und zu optimieren. Dies ist besonders wertvoll für Branchen, die schnelle Anpassungen benötigen.
    3. Transparenz und Sicherheit: Die öffentliche Zugänglichkeit der Designdaten erhöht die Transparenz und ermöglicht eine gründliche Überprüfung und Behebung von Sicherheitslücken. Dies sorgt für robuste und zuverlässige Systeme.
    4. Innovationsförderung: Die Offenheit von OSH fördert die Innovation durch weltweite Zusammenarbeit. Entwickler können bestehende Designs verbessern und neue Anwendungen entwickeln, was den Innovationsprozess beschleunigt.
    5. Nachhaltigkeit und Langlebigkeit: OSH trägt zur Verlängerung der Produktlebensdauer bei, da alte Hardware modifiziert und verbessert werden kann, was vorzeitiges Veralten verhindert und elektronische Abfälle reduziert.
    6. Unabhängigkeit von Anbietern: OSH verringert die Abhängigkeit von einzelnen Anbietern, da Unternehmen ihre eigenen Anpassungen vornehmen können und nicht auf Updates eines spezifischen Herstellers angewiesen sind.

    Bekannte Open Source Hardware-Plattformen und Marken

    Revolution PI RevPi Connect SE Industrie-PC

    Revolution Pi

    Revolution Pi ist eine offene, modulare und kostengünstige industrielle PC-Plattform, basierend auf dem Raspberry Pi. Entwickelt von Kunbus, ist Revolution Pi speziell für industrielle Anwendungen konzipiert und bietet robuste Hardware sowie zahlreiche Erweiterungsmodule für verschiedene Schnittstellen und Protokolle.

    Anwendungsbeispiele:

    • Industrielle Automatisierung:

      Revolution Pi wird in vielen industriellen Automatisierungsprojekten eingesetzt. Ein Beispiel ist die Implementierung als IIoT-Gateway für die Datenerfassung und -verarbeitung in Fertigungsanlagen. Die Plattform ermöglicht die Integration von Echtzeitdaten aus Produktionsmaschinen in ERP-Systeme, um die Effizienz zu steigern und die Produktionsplanung zu optimieren.

    • Sicherheitslösungen:

      Revolution Pi wird auch in smarten Schränken zur sicheren Verwaltung von Chemikalien eingesetzt. Diese Schränke nutzen RFID-Scanner und Wiegesysteme, um die Nutzung von Chemikalien in Laboren zu überwachen und zu steuern. Dies hilft, die Sicherheit zu erhöhen und die Bestandsverwaltung zu optimieren.

    Barth Lococube Mini-SPS

    Barth Elektronik

    Barth Elektronik bietet kompakte, programmierbare Steuerungen (SPS) und Elektronikmodule, die für verschiedene industrielle Anwendungen verwendet werden können. Diese Module sind für ihre Zuverlässigkeit und Flexibilität bekannt und können leicht in bestehende Systeme integriert werden.

    Anwendungsbeispiele:

    Fahrzeugtechnik: Barth-Module werden oft in Fahrzeugsteuerungssystemen eingesetzt, um komplexe Steuerungsaufgaben zu übernehmen. Ein konkretes Beispiel ist die Nutzung von Barth-SPS zur Steuerung von Aufbauten in Nutzfahrzeugen, wie z.B. Kranen und Hebebühnen.

    Gebäudeautomation: Barth-Produkte finden auch Anwendung in der Gebäudeautomation, wo sie zur Steuerung von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC) eingesetzt werden. Diese Systeme helfen, die Energieeffizienz zu verbessern und die Betriebskosten zu senken.

    Arduino UNO

    Arduino

    Arduino ist eine der bekanntesten Open Source Hardware-Plattformen, die ursprünglich für Prototyping und Bildung entwickelt wurde, aber auch in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt wird. Die Plattform bietet eine Vielzahl von Mikrocontrollern und Entwicklungsboards, die einfach zu programmieren und zu erweitern sind.

    Anwendungsbeispiele:

    Industrielle Überwachung: Arduino wird oft zur Überwachung von Umgebungsbedingungen in industriellen Umgebungen verwendet. Ein Beispiel ist die Nutzung von Arduino-Boards zur Überwachung von Temperatur und Feuchtigkeit in Lagerhäusern, um die Qualität von gelagerten Produkten sicherzustellen.

    Robotik: In der industriellen Robotik wird Arduino verwendet, um Roboterarme und Automatisierungssysteme zu steuern. Dies ermöglicht präzise Bewegungen und die Integration in größere Automatisierungssysteme.

    ESP32 Development Board

    ESP32 Development Board

    Das ESP32 Development Board ist ein leistungsstarkes und kostengünstiges Entwicklungsboard und ist bekannt für seine Vielseitigkeit und integrierten Wi-Fi- und Bluetooth-Funktionen, die es ideal für IoT-Projekte und eingebettete Systeme machen. Das Board unterstützt eine breite Palette von Anwendungen, von der einfachen Sensordatenerfassung bis hin zu komplexen Automatisierungsaufgaben.

    Anwendungsbeispiele:

    • IoT-Anwendungen: Das ESP32 Development Board wird häufig in IoT-Projekten eingesetzt, bei denen drahtlose Konnektivität entscheidend ist. Mit seinen integrierten Wi-Fi- und Bluetooth-Funktionen kann der ESP32 problemlos Daten von Sensoren sammeln und an Cloud-Dienste oder zentrale Server übertragen. Dies macht ihn ideal für die Überwachung und Steuerung von Umgebungsbedingungen in Echtzeit, wie beispielsweise in intelligenten Gebäuden oder landwirtschaftlichen Anwendungen.
    • Industrie 4.0: Der ESP32 findet auch in der industriellen Automatisierung Anwendung. Er kann zur Echtzeitüberwachung von Maschinen und Anlagen verwendet werden, um Ausfallzeiten zu minimieren und die Effizienz zu steigern. In Kombination mit verschiedenen Sensoren kann der ESP32 Daten zu Temperatur, Druck und anderen wichtigen Parametern sammeln und verarbeiten, um proaktive Wartungsmaßnahmen zu unterstützen.

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    Lizenzierung und rechtliche Aspekte von Open Source Hardware

    Die Lizenzierung und die rechtlichen Aspekte von Open Source Hardware sind entscheidend für die Nutzung und Verbreitung dieser Technologien. Diese Aspekte gewährleisten, dass die Rechte und Pflichten aller Beteiligten klar definiert sind, was sowohl die Weiterentwicklung als auch die kommerzielle Nutzung von OSH erleichtert. Im Folgenden werden die wichtigsten Punkte zu Lizenzierung und rechtlichen Rahmenbedingungen erläutert.

    Open Source Lizenzen für Hardware

    Ähnlich wie bei Open Source Software gibt es spezifische Lizenzen für Open Source Hardware, die festlegen, wie die Designs verwendet, modifiziert und weitergegeben werden dürfen. Zu den bekanntesten Open Source Hardware Lizenzen gehören:

    • CERN Open Hardware License (OHL): Diese Lizenz wurde vom Europäischen Kernforschungszentrum (CERN) entwickelt und ist speziell auf die Anforderungen von Open Source Hardware zugeschnitten. Sie erlaubt die freie Nutzung, Modifikation und Verbreitung der Hardware-Designs, verlangt jedoch, dass alle abgeleiteten Werke ebenfalls unter der gleichen Lizenz veröffentlicht werden.
    • TAPR Open Hardware License: Diese Lizenz wurde von der Tucson Amateur Packet Radio Corporation (TAPR) entwickelt und bietet eine ähnliche Offenheit wie die CERN OHL, mit spezifischen Anforderungen an die Offenlegung und Dokumentation der Hardware-Designs.
    • Creative Commons: Die Arduino-Plattform verwendet beispielsweise die Creative Commons Attribution Share-Alike Lizenz (CC BY-SA) für ihre Hardware-Designs. Dies ermöglicht es Nutzern, die Designs frei zu verwenden und zu modifizieren, solange sie die gleichen Freiheiten bei abgeleiteten Werken gewähren.

    Diese Lizenzen fördern die Zusammenarbeit und Innovation, indem sie sicherstellen, dass die entwickelten Designs weiterhin offen und zugänglich bleiben.

    Rechte und Pflichten bei der Nutzung und Modifikation von OSH

    Die Nutzung und Modifikation von Open Source Hardware ist durch die jeweilige Lizenz geregelt. Im Allgemeinen gewähren OSH-Lizenzen folgende Rechte:

    • Nutzung: Jeder darf die Hardware für private oder kommerzielle Zwecke verwenden.
    • Modifikation: Die Designs dürfen modifiziert und an spezifische Bedürfnisse angepasst werden.
    • Verbreitung: Modifizierte und unmodifizierte Designs dürfen weitergegeben werden, oft unter der Bedingung, dass der ursprüngliche Lizenztext beibehalten wird.

    Gleichzeitig beinhalten diese Lizenzen auch Pflichten, wie:

    • Dokumentation: Alle Änderungen am ursprünglichen Design müssen dokumentiert und offen zugänglich gemacht werden.
    • Namensnennung: Die ursprünglichen Urheber müssen in den abgeleiteten Werken genannt werden.
    • Lizenzkompatibilität: Abgeleitete Werke müssen unter der gleichen oder einer kompatiblen Lizenz veröffentlicht werden.

    Haftung und Gewährleistung

    Ein weiterer wichtiger rechtlicher Aspekt ist die Haftung und Gewährleistung. Open Source Hardware wird in der Regel "as-is" bereitgestellt, was bedeutet, dass keine Gewährleistung oder Haftung für Mängel übernommen wird. Die meisten OSH-Lizenzen enthalten Klauseln, die dies explizit festhalten, um die Entwickler vor rechtlichen Ansprüchen zu schützen.

    Expertentipp: Pilotprojekte & Prototyping

    Starten Sie mit kleinen Pilotprojekten, um die Machbarkeit und den Nutzen von OSH in Ihrem Unternehmen zu testen. Prototyping ermöglicht es Ihnen, schnell erste Erfahrungen zu sammeln und potenzielle Herausforderungen frühzeitig zu identifizieren.

    Häufige Fragen

    Im Zusammenhang mit Open Source Hardware werden verschiedene Programmiersprachen verwendet, um die unterschiedlichen Anforderungen und Aufgaben bei der Entwicklung und Implementierung von Projekten zu erfüllen.

    C und C++ sind weit verbreitete Sprachen in der Firmware-Entwicklung für Mikrocontroller. Diese Sprachen bieten die nötige Performance und Kontrolle über die Hardware-Ressourcen, was sie ideal für Anwendungen macht, die eine effiziente und direkte Steuerung der Hardware erfordern. Ihre Fähigkeit, auf niedrigster Ebene zu arbeiten, ermöglicht es Entwicklern, die maximale Leistung aus den begrenzten Ressourcen eines Mikrocontrollers herauszuholen.

    Python wird häufig für die Entwicklung von Prototypen und Anwendungen verwendet, die auf Open Source Hardware basieren. Diese Sprache ist besonders nützlich für die Automatisierung und Datenverarbeitung in IoT-Anwendungen. Pythons einfache Syntax und umfangreiche Bibliotheken machen es zu einer beliebten Wahl für schnelle Entwicklungszyklen und die Verarbeitung großer Datenmengen, was besonders in der IoT-Welt von Vorteil ist.

    JavaScript, zusammen mit Frameworks wie Node.js, wird oft in Webanwendungen verwendet, die mit Open Source Hardware interagieren. Diese Sprache ist nützlich für die Erstellung von Dashboards und Benutzeroberflächen, die eine Echtzeit-Interaktion mit der Hardware ermöglichen. Durch die Verwendung von JavaScript können Entwickler Webanwendungen erstellen, die Daten von der Hardware erfassen, verarbeiten und visualisieren, was eine benutzerfreundliche Schnittstelle für Endnutzer schafft.

    Open Source Hardware (OSH) profitiert von einer Vielzahl von Betriebssystemen, die speziell entwickelt oder angepasst wurden, um die speziellen Anforderungen von Hardwareprojekten zu erfüllen. Beispiele dafür sind:

    Raspbian / Raspberry Pi OS ist ein Debian-basiertes Betriebssystem, das speziell für den Einsatz auf Raspberry Pi-Geräten entwickelt wurde. Es ist besonders beliebt in der OSH-Community aufgrund seiner Benutzerfreundlichkeit und der großen Auswahl an vorinstallierten Softwarepaketen. Es unterstützt eine Vielzahl von Anwendungen und bietet eine stabile Plattform für Projekte, die auf dem Raspberry Pi basieren, wie IoT-Anwendungen, Bildungsprojekte und Prototyping von Embedded-Systemen.

    Yocto Project ist ein Open-Source-Projekt, das Entwicklern hilft, maßgeschneiderte Linux-basierte Betriebssysteme für eingebettete Systeme zu erstellen. Es bietet Werkzeuge und Prozesse, um Distributionen zu erstellen, die spezifisch auf die Hardware-Anforderungen zugeschnitten sind. Yocto wird häufig in industriellen Steuerungen, anpassbaren Embedded-Systemen und bei der Entwicklung spezifischer Linux-Distributionen verwendet.

    Ubuntu Core ist eine minimalistische Version von Ubuntu, die für den Einsatz in IoT- und eingebetteten Systemen entwickelt wurde. Es bietet eine sichere, stabile und zuverlässige Plattform, die auf Snaps (containerisierte Softwarepakete) basiert, was eine einfache Verwaltung und Aktualisierung ermöglicht. Ubuntu Core wird oft in IoT-Gateways, industriellen Steuerungen und Automatisierungssystemen eingesetzt.

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