IoT – Wie vernetzte Dinge moderne Anforderungen erfüllen

Das Internet bietet uns seit seinem Aufkommen viele Vorzüge: Einfache Informationsübertragung und Kommunikation, Fernzugriff auf Geräte auch Zusammenarbeit mit Menschen auf der anderen Seite des Globus. Mit dem IoT geht die digitale Vernetzung nun einen Schritt weiter: Es hat zum einen zur Entstehung neuer Technologien und zum anderen zur Entstehung neuer Anwendungsfelder für bestehende Technologien geführt.

IoT-Anwendungen fassen in unterschiedlichen Branchen Fuß

Damit sind vor allem die folgenden Bereiche gemeint: Industrie (z. B. SCADA-Architektur, Protokolle wie Modbus, Profibus), Energie- und Versorgungsunternehmen (DNP3-Protokolle), Kommunikation von Maschine zu Maschine (M2M) sowie Haustechnik (Gebäudeleitsystem mit BACnet, KNX, X10-Protokollen). Das gleiche gilt für die Digitalisierung der industriellen Produktion gemäß dem Konzept Industrie 4.0.

Im IoT sind Millionen intelligenter Geräte durch das Internet miteinander verbunden. Sie übertragen Informationen, empfangen Nachrichten und führen Aktionen aus. Nicht nur im industriellen B2B-Umfeld fasst das IoT Fuß, sondern auch in B2C-Anwendungen für den persönlichen Alltag. Intelligente Haushaltsgeräte lassen sich heute mit einer Fernbedienung steuern – oder agieren sogar autonom.

Das dem IoT zugrundeliegende Konzept der Vernetzung von Dingen wird mittlerweile in allen Branchen umgesetzt. Dabei tauchen je nach Anwendungsfall immer neue Akronyme auf: IIoT („Industrial Internet of Things“ – IoT in der Fertigung), IoMT („Internet of Medical Things“ – IoT in der Medizin), Car2X (Vernetzung von Fahrzeugen). Da in Handel und Logistik zunehmend mit NFC Tags und QR-Codes auf Produkten gearbeitet wird, entstand der Begriff IoP („Internet of Packaging“ – IoT der Verpackungen).

Der Begriff IoT fasst dabei eine Vielzahl von Technologien zusammen und reicht von Einzelgeräten, die integriert und miteinander verbunden werden, über physische Schnittstellen und Kommunikationsprotokolle bis hin zu Servern und der Datensicherung in der Cloud.

In der Zukunft werden sich (fast) alle Geräte vernetzen lassen

Vorstellbar für eine IoT-Anwendung sind alle Geräte, die eine Verbesserung oder Erleichterung des täglichen Lebens für den modernen Menschen bringen können. Egal, ob es sich um die Qualität des Wohnbereichs, die Effizienz bei der Arbeitsproduktivität oder um eine Verbesserung des Komforts handelt.

Dazu gehören zum Beispiel:

• intelligente Steckdosen (die auch via Fernzugriff ein- und ausgeschaltet werden können);
• eine in einem Operationssaal installierte Videokamera, die es Ärzten in einem anderen Land gestattet, eine Operation zu verfolgen (damit wird die Ausbildung von Fachärzten erleichtert);
• ein Gaszähler, der periodisch den aktuellen Verbrauch und den Gesamtverbrauch übermittelt;
• ein Umweltsensor, der den Verschmutzungsgrad und die Umgebungstemperatur meldet;
• ein Roboter in einer Fabrik, der die aktuelle Position, den Status und die Anzahl der durchgeführten Arbeitsgänge überträgt und so Analysen ermöglicht.

Das IoT schließt eine Vielzahl an möglichen Geräten mit ein. Dazu gehören:

• Stromquelle – Ist das Gerät an das Stromnetz angeschlossen oder wird es durch einen Akku betrieben?
• Übertragungstyp und Übertragungshäufigkeit von Daten – Werden eher kleine Datenpakete in Intervallen übertragen (Beispiel: ein Smart Switch) oder sendet das Gerät einen kontinuierlichen Strom an Daten (Beispiel: eine Webcam)?
• Einsatzort und externe Faktoren – Ist die Datenquelle ein Sensor im Meer, ein Gateway im Schaltschrank einer Fabrik oder das intelligente Audiosystem im Zimmer eines Studenten?

Die Kombinationen und Variationen sind dabei so zahlreich wie die möglichen Anwendungsfälle des IoT – nämlich so gut wie unbegrenzt.

Bei der IoT-Implementierung sind unterschiedliche Protokolle zu berücksichtigen

Für die aufgezählten Gerätetypen und Faktoren kommen verschiedene Protokolle in Frage:

• Übertragung auf dem 110VAC- / 230VAC-Netz unter Nutzung der bestehenden Infrastruktur, mit speziellen KNX- bzw. X10-Protokollen – Diese sind eher typisch für Haustechnik-Systeme, aber nicht nur.
• Datenübertragung über verdrillte Kabel – Entweder seriell (RS232, RS485, CAN) unter Verwendung von Modbus-, Profibus-Protokollen, die für den industriellen Bereich spezifisch sind; oder über Ethernet-Kabel, wo die TCP/IP-Protokollfamilien MQTT, HTTP, UDP, ONVIF (Protokolle in der Kategorie IoT für Heimanwender) eingesetzt werden, um nur die wichtigsten zu nennen. Im industriellen Bereich und in der Automatisierung finden die TCP/IP-Protokolle Profinet und Modbus Anwendung.
• Funkübertragung auf dem 433MHz, 868MHz-Band (NSRD-Band, in den meisten EU-Ländern kostenlos) – Dies wird hauptsächlich für IoT-Heimanwendergeräte mit verschiedenen selbst entwickelten oder öffentlichen Protokollen eingesetzt (z. B. SimpliciTi von Texas Instruments). Diese lizenzfreien Umgebungen können mit dem LoRaWAN-Protokoll und der LoRa-Modulation genutzt werden. Dadurch werden große Übertragungsdistanzen (~ 10 km) bei geringem Energieverbrauch möglich. Ein weiteres erwähnenswertes Protokoll ist Z-Wave, das ebenfalls für Heimanwender bestimmt ist.
• Funkübertragung, 2,4GHz-Band, 5GHz-Band – Dafür wurden Protokolle wie Bluetooth, Bluetooth Mesh (2,4GHz), WiFi, Thread, ZigBee und KNXnet / IP implementiert. Sie erlauben höhere Übertragungsraten, einige davon nutzen die vorhandene Infrastruktur (z. B. WiFi).
• Die Übertragung über das GSM- / GPRS-Netz bzw. seine Weiterentwicklungen – Dies erlaubt eine globale Abdeckung über große Distanzen hinweg mit der TCP- / IP-Protokollfamilie, aber auch spezifische Anwendungen wie SMS oder Schmalband-IoT.

Die Möglichkeiten sind vielfältig, allerdings gibt es auch eine lange Liste an Übertragungsmedien und -protokollen. Dies bringt bestimmte Herausforderungen mit sich, was Kompatibilität, Standardisierung und Sicherheit der übertragenen Daten in den unterschiedlichen Protokollen betrifft.

Einige dieser Kommunikationsmittel und Protokolle haben sich bereits etabliert. Andere stecken noch in der Anfangsphase, verzeichnen aber eine beachtliche Entwicklung, durch die ihre Akzeptanz stetig steigt. Dazu gehören: RS485, CAN, LoRa, Bluetooth, Wifi und Modbus, Profibus / Profinet, MQTT, LoRaWAN, OPC UA und die TCP- / IP-Protokollfamilie.

Die IoT-Plattform ist notwendiger Bestandteil einer IoT-Lösung

Die beiden oben vorgestellten Aspekte – nämlich das Gerät und das Übertragungsmedium – beschreiben das Konzept des IoT noch nicht umfassend. Es bleibt die Frage: Wo laufen die übermittelten Informationen zusammen?

Die Antwort gibt das IoT-Konzept in der Regel mit einem zentralen Server. Es spielt keine Rolle, ob dieser Server lokal oder ihr eigener ist, oder ob es sich um eine kommerzielle Plattform handelt. In 99% der Fälle ist ein solcher Server – auch Informationskonzentrator genannt – notwendig.

Am Markt sind bereits große kommerzielle Plattformen zu finden, die Dienste (Verarbeitung auf dem Server & Cloud-Speicher) für den Einsatz mit dem IoT anbieten. Es gibt auch Open-Source-Plattformen, die sich an Heimanwender mit technischen Kenntnissen richten. Jedermann kann also seinen Server implementieren, kann eigene Geräte entwickeln oder sie integrieren.

Die wichtigsten Kommunikationsprotokolle (MQTT, ONVIF, ZigBee, Z-Wave) sind integriert, aber auch Geräte bekannter Hersteller können integriert werden. Darüber hinaus können kundenspezifische Hardware-Module, APIs und Frameworks integriert werden, mit denen sich komplette Anlagen und Lösungen in kürzester Zeit entwickeln lassen.

Intelligente Systeme brauchen intelligente Steuerung

Das IoT eröffnet nicht zuletzt auch neue Möglichkeiten in Kombination mit dem Bereich künstliche Intelligenz. Es entstehen neue Konzepte für die direkte Kommunikation zwischen intelligenten Geräten mit hohem Autonomiegrad. Ebenso im Fokus steht die Entwicklung von Prognosemodellen in verschiedenen Bereichen: Klima, Umweltverschmutzung, lokale Fauna und ihre Wanderungsbewegung, Prognosen zu seismischen Aktivitäten, Prognosen im Versorgungsbereich (Wasser, Energie, Müll) oder im öffentlichen Verkehr.

Seit mehreren Jahrzehnten erleben wir sogar einen Trend, der über die digitale Vernetzung zwischen Maschinen hinausgeht. Dies betrifft die Kommunikation human2human (Mensch-zu-Mensch), human2machine (Mensch-zu-Maschine) wie auch human2environment (Mensch-zu-Umwelt).

Andererseits dürfen wir auch nicht vergessen, dass neben dieser technologischen Entwicklung, die zum breiten Einsatz des IoT geführt hat, auch andere Aspekte in den Vordergrund rücken. Diese sind vom gesellschaftlichen Standpunkt aus sehr wichtig:

• Die Schulung und Information der Anwenderüber diese Konzepte, was sie bedeuten, welche Vorteile sie bringen, welche Verantwortung damit einhergeht.
• Die Standardisierung des Bereichs zur Sicherstellung der Kompatibilität.
• Ein rechtlicher Rahmen, der für den Schutz der Nutzer sowie der Verbraucher von IoT-Geräten und Daten notwendig ist.