Edge-Architektur für autonome Systeme Wie Embedded-Systeme die Hochverfügbarkeit von Verkaufsterminals gewährleisten

Automatisierte Verkaufsumgebungen, Kiosk-Terminals und Micromarkets stellen hohe Anforderungen an Rechenleistung und Zuverlässigkeit. Eine große Herausforderung für Edge-Server, KI-fähige Plattformen und energieeffiziente Embedded-Boards.

Die eingesetzte Hardware von Verkaufsumgebungen und Terminals muss gleichzeitig Sensordaten erfassen, Bildanalysen ausführen, Transaktionen verarbeiten und mit Cloud-Plattformen kommunizieren, und das unter Bedingungen, die für klassische IT-Systeme kaum beherrschbar sind. Dauerlast, wechselnde Temperaturen und durchgängiger Betrieb verlangen industrielle Plattformen, die für Edge-Szenarien optimiert sind. Zentrale Rolle spielt der Edge-Server, der sämtliche lokale Prozesse koordiniert und Daten mit der Unternehmensinfrastruktur synchronisiert.

Kontrons µATX-Motherboard bildet das technische Rückgrat

Plattformen wie das µATX-Motherboard K3881-C mit Intels Xeon-E-2400- oder Xeon-6300-Prozessoren bilden hier das technische Rückgrat. Mehrere redundante Netzwerkinterfaces sichern die Kommunikation zwischen Peripherie und Cloud, der integrierte Intel-Chipsatz C266 stellt hohe Datenbandbreiten bereit. Der 5G-Support ermöglicht synchrone Datenübertragung selbst bei Ausfall kabelgebundener Verbindungen.

Auf dieser Ebene laufen alle Datenströme zusammen: Videostreams der Überwachungskameras, Logfiles aus dem Kassensystem, Sensordaten der Regale und Steuerbefehle für Digital Signage oder Energieverwaltung. Damit Analyseprozesse nicht durch Latenzzeiten beeinträchtigt werden, erfolgt ein Großteil der Verarbeitung lokal. Die Systeme analysieren in Echtzeit, priorisieren nach definierten Regeln und übertragen nur relevante Informationen in die Cloud. Das reduziert Datenvolumen, senkt Latenzen und ermöglicht eine autarke Betriebsweise bei Netzstörungen.

Edge-Systeme dieser Klasse sind für den Dauerbetrieb mit Verfügbarkeiten im Carrier-Grade-Bereich ausgelegt. Werte bis 99,9999 Prozent bedeuten Ausfallzeiten von nur wenigen Minuten oder Sekunden pro Jahr. Diese Hochverfügbarkeit wird durch redundante Netzwerkschnittstellen, robuste Stromversorgungen und ausfallsichere Firmware erreicht. On-Premises-Cloud-Systeme, auch als Fogs bezeichnet, können zusätzlich als lokale Sicherungsschicht dienen, falls die Verbindung zur zentralen Cloud unterbrochen ist.

Videoanalyse und Zutrittskontrolle

Die Überwachung unbemannter Umgebungen erfordert Systeme, die hochauflösende Bilddaten in Echtzeit erfassen und KI-gestützt auswerten. Das Micro-ATX-Motherboard K3841 ist für solche Anwendungen ausgelegt. Es unterstützt bis zu drei LAN- und sechs USB-Anschlüsse, was den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Kameras erlaubt. Die Plattform nutzt Intel Core Prozessoren der 12. bis 14. Generation und lässt sich mit dedizierten KI-Beschleunigern erweitern.

Durch diese Architektur können Videoanalyse und Zutrittskontrolle unabhängig von zentralen Servern ausgeführt werden. Ereigniserkennung, Bewegungsanalyse oder biometrische Authentifizierung erfolgen unmittelbar am Ort der Datenerfassung. Zusätzlich bietet das System Optionen für redundante Speicheranbindung und Failover-Betrieb, um auch bei Teilausfällen der Infrastruktur eine lückenlose Aufzeichnung sicherzustellen.

Für den Betrieb in rauen Umgebungen sind Motherboards dieser Klasse auf Temperaturschwankungen, Staub und Vibrationen vorbereitet. Langlebige Bauelemente, validierte Spannungsregler und beschichtete Leiterplatten sichern eine konstante Leistung, auch in Kälte- oder Eingangsbereichen mit hoher Luftfeuchtigkeit. Hersteller garantieren Langzeitverfügbarkeit über mehrere Jahre und erweiterten Support, um Integratoren planungssichere Produktzyklen zu bieten.

Computing im Point of Interaction

Für kompakte Kiosk-Systeme oder Self-Checkout-Terminals sind platzsparende und energieeffiziente Lösungen erforderlich. Die Mini-ITX-Plattform K3931-N und ist für den 24/7-Dauerbetrieb konzipiert und unterstützt eine Vielzahl serieller und USB-Schnittstellen für Peripheriegeräte wie Scanner, Bezahlsysteme oder Drucker. Alle Varianten lassen sich lüfterlos betreiben, was den Wartungsaufwand verringert und die Ausfallsicherheit erhöht.

Die Rechenleistung geht über reaktive Benutzeroberflächen, Echtzeit-Transaktionsverarbeitung und parallele Aufgaben wie Ticketdruck oder Zahlungsabgleich hinaus und bietet somit Erweiterungsmöglichkeiten in der Zukunft. Die Integration von LVDS oder eDP ermöglicht die direkte Anbindung eingebetteter Displays ohne zusätzliche Adapter. Firmware und BIOS-Optionen sind auf langfristige Produktzyklen ausgelegt, was Migration und Ersatzteilstrategie vereinfacht.

Das K3931-N bietet zusätzlich die ccTALK-Schnittstelle für den Zahlungsverkehr. Damit lassen sich Kassensysteme und Geldverarbeitungsmodule direkt anbinden, ohne dass proprietäre Zusatzhardware erforderlich ist. Regelmäßige Sicherheitsupdates sichern den Manipulationsschutz, und der Energiebedarf bleibt so gering, dass sich auch lüfterlose POS-Terminals mit permanenter Verfügbarkeit realisieren lassen.

Digital Signage und Steuerungssysteme

Für die Ansteuerung mehrerer Displays oder interaktiver Informationssysteme ist das Mini-STX-Motherboard K3921-N konzipiert. Es unterstützt Intel Core i3 und N-Series Prozessoren, bietet USB-C- und DisplayPort-Schnittstellen sowie die Möglichkeit zum Dual-Display-Betrieb in Full-HD. Der lüfterlose Aufbau reduziert Geräuschentwicklung und verbessert die Energieeffizienz. Aufgrund der geringen Bauhöhe lässt sich das Board direkt hinter Bildschirmen oder in kompakten Gehäusen, beispielsweise dem Smartcase S501 verbauen.

In Kombination mit Edge-Servern können diese Systeme dynamische Inhalte verarbeiten, Werbedaten zeitabhängig austauschen oder Sensorinformationen zur Anpassung von Helligkeit und Energieverbrauch auswerten. Damit bilden sie die unterste Ebene einer mehrstufigen Edge-Architektur, die bis hin zur Cloud skalierbar bleibt.

Standardisierte Hardwarebasis

Die Integration verschiedener Systeme erfordert homogene Plattformen mit kompatiblen BIOS-Konfigurationen, Board-Support-Packages und APIs. Eine einheitliche Hardwarebasis senkt Komplexität und erhöht die Servicefähigkeit. Über Monitoring-Tools lassen sich Temperatur, Spannung, CPU-Last und Netzwerkstatus permanent überwachen. Watchdog-Timer sorgen für automatischen Neustart bei Fehlfunktionen, Remote-Management-Funktionen wie Intel Active Management Technology ermöglichen Fernwartung und Softwareupdates. Diese Kombination aus industrietauglicher Hardware und Remote-Management schafft eine Infrastruktur, die sich ohne physischen Eingriff betreiben und warten lässt. Für Anwendungen mit erhöhtem Sicherheitsbedarf lassen sich zusätzliche Schutzmechanismen wie TPM-Module oder Secure Boot implementieren.

Ein weiterer Vorteil der Standardisierung liegt in der Skalierbarkeit über unterschiedliche Applikationen hinweg. Systeme für Videoüberwachung, Digital Signage oder Checkout können mit identischen Komponenten ausgerüstet werden, wodurch Wartung, Ersatzteilhaltung und Zertifizierung erheblich vereinfacht werden. Das führt zu geringeren Total-Cost-of-Ownership und beschleunigt Rollouts bei Serienprojekten.

Integration von IoT und Robotik

Neben stationären Geräten rücken zunehmend Smart Robots und intelligente Regale in den Fokus. Sie erfassen Bestände, identifizieren Fehlmengen und melden Nachlieferbedarf in Echtzeit. Die Verbindung dieser Daten mit Verkaufs- und Checkout-Systemen ermöglicht eine präzise Steuerung des Warenflusses. Studien prognostizieren für In-Store-Robotik zwischen 2024 und 2030 ein jährliches Wachstum von rund 23 Prozent.

Zur technischen Umsetzung werden IoT-fähige Motherboards mit Mehrfachnetzwerk, seriellen Busprotokollen und erweiterbarer Sensorik benötigt. RFID-Reader, Bewegungssensoren und Kameras lassen sich über standardisierte Schnittstellen integrieren. In der Summe entsteht eine adaptive Edge-Infrastruktur, die Sensordaten, Videoanalyse und Prozesssteuerung in einem lokalen System zusammenführt.

Hybrid-Cloud und zukünftige Technologien

Zukunftsfähige Architekturen kombinieren lokale Edge-Systeme mit zentralen Cloud-Plattformen. Diese Hybrid-Cloud-Struktur ermöglicht die Verteilung von Workloads nach Bedarf: zeitkritische Prozesse laufen lokal, datenintensive Analysen zentral. Gartner benennt in seinem Hype Cycle for Retail Technologies 2024 mehrere Schlüsseltechnologien, die künftig in solche Infrastrukturen einfließen werden, darunter KI-optimierte Videoanalyse, Sensorfusion und adaptive Steuerungen.

Edge-Systeme dienen dabei als Brückenschicht zwischen den physischen Komponenten und den Cloud-Diensten. Sie übernehmen Echtzeitverarbeitung, Datenselektion und Synchronisation. Diese Architektur minimiert Latenzzeiten, reduziert Kosten und erlaubt den Einsatz auch in netzwerkkritischen Umgebungen.

Technische Kontinuität im Lebenszyklus

Entscheidend für die Planung solcher Systeme ist die Langzeitverfügbarkeit der Komponenten. Industrieplattformen wie die hier beschriebenen Boards sind auf Produktlaufzeiten von bis zu sieben Jahren ausgelegt und bieten erweiterten Herstellersupport. Damit lassen sich Projekte über den gesamten Lebenszyklus stabil betreiben, ohne dass durch Abkündigungen oder Hardwarewechsel neue Validierungen erforderlich werden. Die Kombination aus robuster Mechanik, standardisierten Schnittstellen, langfristig verfügbaren Komponenten und Remote-Wartung ergibt eine Infrastruktur, die für Dauerlast, Echtzeitverarbeitung und hohe Sicherheitsanforderungen ausgelegt ist.

Robuste Hardwarearchitekturen sind erforderlich

Die Digitalisierung verteilter Systeme erfordert robuste Hardwarearchitekturen, die Dauerbetrieb, Echtzeitverarbeitung und Sicherheit vereinen. Edge-Server, KI-fähige Plattformen und energieeffiziente Embedded-Boards bilden dabei die Grundlage für autonome Prozesse an dezentralen Standorten. Durch Standardisierung, Remote-Management und Langzeitverfügbarkeit entsteht eine technische Basis, die sich in unterschiedlichsten Szenarien einsetzen lässt, vom Retail-Bereich über Logistik und Fertigung bis hin zu sicherheitskritischen Infrastrukturen. (mk)

* Thomas Stanik ist Senior Sales & Business Development Manager bei Kontron.

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