Was muss für ein IoT-Projekt bedacht werden?

Was muss für ein IoT-Projekt bedacht werden?

IoT steht für Internet of Things und umfasst üblicherweise Geräte, die mehrheitlich autonom funktionieren, deren Verhalten jedoch aus der Ferne abgefragt oder gesteuert werden kann. Die Informationen vom und zum Gerät werden dabei über das Internet transportiert.

Nebst den bekannten Geräten zur Heimautomatisierung gibt es jedoch eine ganze Menge an Industriegeräten, die bereits internetfähig sind oder zurzeit bzw. dereinst dahingehend aufgerüstet werden. Solche Geräte sind überall anzutreffen, auch wenn man dies auf den ersten Blick nicht sieht. Plakatwände, deren Anzeige wechselt, synchronisieren sich mit anderen Plakatwänden, damit der Wechsel gleichzeitig durchgeführt wird. Sie melden auch Störungen an der Elektronik, womit ein Techniker automatisch aufgeboten wird.

Rolltreppen und Lifte melden dem Betreiber und dem Hersteller betriebs- und sicherheitsrelevante Daten und lassen sich fernsteuern. So kann das Empfangspersonal einem Gast den Lift rufen und diesen dann gleich auch in den richtigen Stock senden. Über die gleiche Schnittstelle informiert sich die Wartungsfirma über den Zustand der Anlage, um gegebenenfalls präventiv eine Wartung durchzuführen. Fahrzeuge wie Busse oder Züge melden der Zentrale konstant ihre Position. Damit können bei zeitnahen Fahrplanabfragen die Kunden rechtzeitig informiert und entsprechend umgeleitet werden.

Des Weiteren wird auf die unterschiedlichen Möglichkeiten eingegangen, wie Geräte internettauglich gemacht werden und was dazu ausser der Anpassung dieser Geräte sonst noch notwendig ist. So muss auch darüber entschieden werden, wie die Gegenstelle, das sogenannte Backend, aufgebaut wird und wie die Kommunikation zwischen dem Gerät und dem Backend funktioniert. Zu guter Letzt muss auch bedacht werden, wie der Benutzer mit dem System interagiert.

 

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Things

Es gibt verschiedene Varianten, wie bestehende oder neue Geräte internetfähig gemacht werden. Nicht zuletzt hängt dies auch von der Grösse des Projektes ab. Eine Industrieanlage, ein Spital oder Heimautomation habe unterschiedliche Ansprüche an die Vernetzung.

Es gibt drei wesentliche Methoden. Meist ist der einfachste Weg, sich bei der Wahl der Anlage oder des Gerätes bereits zu versichern, dass es Telemetriedaten übermitteln kann, respektive dass es über eine entsprechende Verbindung aus der Entfernung gesteuert werden kann. So gibt es beispielsweise bereits eine Vielzahl von Sensoren zur Temperaturüberwachung oder Durchflusskontrolle und auch Pumpen, Ventile und dergleichen, die über das Internet ausgelesen oder gesteuert werden können.

Sollte dies nicht möglich sein, verfügen gerade Industrieanlagen und Fahrzeuge meist über eine zentrale Steuerungseinheit. Daran kann häufig ein Gerät (meist Concentrator genannt) angeschlossen werden, welches die Übermittlung der Steuerungsdaten zum Backend übernimmt, aber auch vom Backend Steuerungsbefehle empfangen kann. Diese werden dann durch den Concentrator in Befehle übersetzt, die das zu steuernde Gerät versteht. Wird ein Gerät von Grund auf entwickelt, sollte bei der Wahl der Computereinheit bereits darauf geachtet werden, dass Kommunikations- und Funkmodule entweder direkt eingebaut, oder aber einfach nachgerüstet werden können. Solche Systeme sind zumeist als «System on a Chip» (kurz SoC) erhältlich, so dass nur noch die entsprechende Antenne und gegebenenfalls die SIM Karte organisiert werden müssen, damit das Gerät mit dem Backend kommunizieren kann.

Verbindungen

Welche Verbindungsart (oder gar Arten) gewählt werden, hängt von vielerlei Faktoren ab. Wichtig hierbei sind die benötigte Bandbreite, die notwendige Latenz sowie der entsprechende Strombedarf. Während bei fest verbauten Anlagen der Stromverbrauch nur geringfügig eine Rolle spielt und meist auch kabelgebundene Internetzugänge via Dial-Up, DSL und Glasfaser möglich sind, sieht dies bei einem Sensor, der beispielsweise auf einem Gewässer treibt, ganz anders aus.

Es muss dementsprechend die passende Funkverbindungen aus einer grösseren Auswahl an Möglichkeiten mit unterschiedlichen Eigenschaften gewählt werden.

  • Verbindungen basierend auf dem Mobilfunknetz bieten bisweil hohe Bandbreiten und vergleichsweise geringe Latenz, benötigen jedoch vergleichsweise viel Strom.
  • WiFi Verbindungen sind in ihrer räumlichen Ausprägung beschränkt, bieten dafür noch zuverlässigere Bandbreiten und Latenzzeiten, sind jedoch nicht besonders energieeffizient und somit nicht für batteriebetriebene Anwendungen geeignet.
  • Satellitenverbindungen haben meist geringe Bandbreiten und vor allem grosse Latenzen, dafür sind sie selbst in abgelegenen Gebieten einsetzbar.
  • Spezialisierte IoT-Protokolle wie LoRaWAN benötigen meist nur sehr wenig Energie und haben trotzdem hohe Reichweiten, es müssen jedoch grobe Abstriche bei der zur Verfügung stehenden Bandbreite hingenommen werden. Im Gegenzug können solche Aufbauten häufig mit kleinen Solarzellen betrieben werden.

Nicht alle Funkverbindungen bieten eine IP-basierte Übertragung zwischen dem Gerät und dem Backend. Häufig ist dies ein Kompromiss, um die Datenübertragung energieeffizienter zu machen. Beispielsweise werden bei LoRaWAN übermittelte Daten erst kurz vor der Übergabe ans Backend des Kunden vom Netzbetreiber in IP-Pakete übersetzt. Die eigentliche Funkübertragung hingegen bedient sich eines proprietären Formats.

Backend

Die Rolle des Backend ist es, die von den Geräten erhaltenen Daten auszuwerten und die nützliche Essenz daraus zu extrahieren. Zudem leitet das Backend Anweisungen der Benutzer auf eines oder mehrere betroffene Geräte weiter. Als Backend kommt grundsätzlich jegliche Art von permanent mit dem Internet verbundene Computerinstanz in Frage. Klassischerweise wurden dazu ganze Server verwendet, modernere Ansätze beschränken sich auf Container-Technologien oder fix fertige Software-as-a-Service (SaaS) Angebote. Ein relativ neuer Trend sind sogenannte Function-as-a-Service (FaaS) Plattformen, auch als “Serverless Computing” bekannt.

Bei der Wahl der Technologie für das Backend muss vor allem dem geplanten Anwendungsfall Rechnung getragen werden. Wie viele Daten müssen verarbeitet werden? Wie steht es um Verfügbarkeits- und Echtzeitanforderungen? Wie fest sind die Geräte und die Benutzer auf der Welt verteilt? Da diese Entscheidungen wesentlichen Einfluss auf die Entwicklung der Software auf den Geräten und im Backend haben, sollte hierzu frühzeitig kompetenter Rat bei einem entsprechenden Service Provider eingeholt werden.

Benutzer / Gegenstelle

Bei klassischen Heimautomatisierungssystemen sind die Benutzer typischerweise die Bewohner. Doch bereits bei einem Lift-System können die Nutzer vielfältig sein: Einerseits möchte der Hersteller Telemetriedaten zu seinem Produkt sammeln, um dieses verbessern zu können. Die Wartungsfirma hingegen möchte diese Daten nutzen, um rechtzeitig einen Service Techniker aufzubieten; im Idealfall, bevor die Anlage den Dienst verweigert. Die Benutzer des Lifts möchten diesen gegebenenfalls zu bestimmten Zeiten oder Anlässen umprogrammieren und fernsteuern.

Auch die erhobenen Daten beim zuvor erwähnten Beispiel der Fahrzeuge eines ÖV-Anbieters, welche ihre Position der Zentrale melden, sind für eine Vielzahl Parteien zu unterschiedlichen Zeiten von Nutzen: Für die Betriebsleitstelle und die Kunden möglichst zeitnah, für die Service-Abteilung am selben Abend und für die Fahrplan-Architekten als Durchschnittswerte über einen längeren Zeitraum, um möglichst realitätsnahe Simulationen zu berechnen, die dann für ein verbessertes Angebot sorgen. Solche Daten werden auch nicht immer in erster Linie von Menschen konsumiert. So kann die Messung der Durchflussgeschwindigkeit eines Flusses dazu führen, dass an einer anderen Stelle der Abfluss durch ein Wehr beeinflusst wird.

Generell muss sich genau überlegt werden, wer entsprechende Geräte steuern darf (falls möglich) und wer auf die damit gewonnen Informationen, zu welcher Zeit und in welcher Granularität Zugriff hat, respektive wer oder was die Informationen überhaupt konsumiert.