Internet of Things oder kurz IoT

In unserer heutigen Welt sind wir rund um die Uhr von Technologie umgeben. Von unseren Smartphones, die wir ständig bei uns tragen, bis hin zu unseren Autos, die immer mehr Funktionen übernehmen. Technologie ist ein fester Bestandteil unseres Alltags geworden. Doch haben Sie sich jemals gefragt, wie all diese Geräte miteinander kommunizieren und zusammenarbeiten? Die Antwort liegt im Internet der Dinge, oder kurz IoT.

Im Rahmen eines Cudos Trail Workshops hat Dr. Johannes Müller von der Hochschule Luzern uns Juniors eine Einführung in IoT gegeben. Meine wichtigsten Learning habe ich in diesem Beitrag zusammengefasst.

Das Internet der Dinge ist eine revolutionäre Technologie, die es ermöglicht, dass Geräte und Maschinen miteinander kommunizieren und Daten austauschen können. Dies ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen, die unser Leben einfacher, effizienter und komfortabler machen. Von der intelligenten Steuerung unserer Haushaltsgeräte, über die Überwachung unserer Gesundheit bis hin zur Optimierung von Geschäftsprozessen - die Möglichkeiten sind nahezu endlos.

Doch wie funktioniert das Internet der Dinge genau? Welche Technologien und Protokolle werden verwendet, um all diese Geräte miteinander zu verbinden? Und wie werden die Daten, die von diesen Geräten erzeugt werden, gesammelt, verarbeitet und genutzt? In diesem Artikel werden wir diese Fragen beantworten und einen detaillierten Einblick in die Welt von IoT geben.

Definition von IoT

Das Internet of Things, oder kurz IoT, bezeichnet die Vernetzung von Gegenständen mit dem Internet, damit diese selbstständig über das Internet kommunizieren und so verschiedene Aufgaben für den Besitzer erledigen können.

Am einen Ende der Kette befinden sich also physische Objekte (“Things”) welche die Umgebungsphysik mithilfe von Sensorik, Elektronik und Software in digitale Signale umwandeln. Diese Daten werden dann typischerweise an IoT Module übermittelt, wo sie gesammelt, bearbeitet und an übergeordnete Netzwerke weitergeleitet werden. Für die Datenübertragung zwischen den verschiedenen Geräten existieren diverse Funktechnologien. Ebenfalls gibt es verschiedene IoT Protokolle welche die eigentlichen Kommunikationsregeln und die Datenstrukturierung genauer festlegen.

Die gesammelten Daten können dann beispielsweise in einer Überwachungsapplikation für den Menschen dargestellt werden. Natürlich funktioniert dieses Prinzip auch in die andere Richtung der Kette. Ein Benutzer einer Überwachungsapplikation kann physische Objekte, in diesem Fall sogenannte Aktoren, ansteuern.

In der Folge werden die technischen Grundlagen der einzelnen Kettenglieder genauer erläutert.

IoT Module

Am Anfang der Kette stehen die IoT-Module, welche typischerweise aus einer Hardwarekomponente und einem Modem bestehen. Die Hardware umfasst verschiedene Peripheriegeräte, beispielsweise Sensoren oder Aktoren, sowie Mikrokontroller, die für die Erfassung und Verarbeitung von Daten sowie für die Steuerung verantwortlich sind. Das Modem ist hingegen für die drahtlose Kommunikation zur Aussenwelt zuständig und ermöglicht die Übertragung von Daten via Funktechnologien. In der Praxis gibt es drei Klassen von IoT Modulen:

Sensor/Aktor

Sensoren sind Geräte, die Daten aus der physischen Welt erfassen und in digitale Signale umwandeln. Sie liefern die Datengrundlage welche für die Überwachung, Steuerung und Automatisierung von Prozessen im IoT-Bereich genutzt werden kann. Sensoren ermöglichen die Erfassung von Umgebungsdaten wie beispielsweise Temperatur, Licht, Bewegung, Druck oder Feuchtigkeit. 

Aktoren sind Geräte, die physische Aktionen basierend auf den empfangenen Daten ausführen können. Auch sie spielen eine zentrale Rolle bei der Automatisierung von Prozessen und der Umsetzung von IoT-Anwendungen. Beispiele von Aktoren wären ein Schalter, welcher Geräte ein- und ausschalten kann oder ein Motor, welcher das automatische Öffnen einer Türe ermöglicht.

IoT Bussysteme

IoT Bussysteme sind für die Kommunikation zwischen den verschiedenen Komponenten innerhalb des IoT Moduls zuständig. Hier einige Beispiele von IoT-Bussystemen, die je nach Anwendungsfall und Anforderungen eingesetzt werden können:

• UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) ist ein serieller Kommunikationsstandard, der häufig für die Kommunikation zwischen Mikrocontrollern und Peripheriegeräten verwendet wird. UART ermöglicht die Übertragung von Daten in beide Richtungen über eine einzige Datenleitung und verwendet eine asynchrone Übertragungsmethode, bei der Start- und Stoppbits verwendet werden, um den Datenfluss zu synchronisieren. 
• I2C (Inter-Integrated Circuit) ein serieller Kommunikationsbus, der für die Kommunikation zwischen integrierten Schaltkreisen entwickelt wurde. I2C ermöglicht die Verbindung mehrerer Geräte über nur zwei Leitungen und eignet sich gut für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und kurzen Entfernungen.
• SPI (Serial Peripheral Interface)  ist ein synchroner serieller Kommunikationsbus, der für die Kommunikation zwischen Mikrocontrollern und Peripheriegeräten entwickelt wurde. SPI ermöglicht die gleichzeitige Kommunikation mit mehreren Geräten über separate Datenleitungen und bietet eine hohe Datenübertragungsrate, was ideal für Anwendungen mit hoher Bandbreite ist.

IoT Betriebssysteme

Auf den Mikrokontrollern in den IoT Modulen können verschiedene Betriebssysteme ausgeführt werden. In der Folge werden drei wichtige Arten von IoT Betriebssystemen kurz vorgestellt:

• Bare-metal bezieht sich auf ein Betriebssystem, das direkt auf der Hardware eines Geräts läuft, ohne eine zusätzliche Softwareebene dazwischen. Es bietet eine hohe Leistung und Effizienz, da keine Overhead-Kosten für ein Betriebssystem anfallen. Bare-metal Betriebssysteme werden oft in IoT-Geräten mit begrenzten Ressourcen eingesetzt, bei denen eine schnelle und effiziente Ausführung von Code erforderlich ist.
• RTOS (Real-Time Operating System) ist ein Betriebssystem, das speziell für Echtzeitanwendungen entwickelt wurde. Es bietet eine deterministische Ausführung von Aufgaben, bei der die Reaktionszeit vorhersehbar ist. RTOS wird häufig in IoT-Anwendungen eingesetzt, bei denen Echtzeitreaktionen erforderlich sind, wie beispielsweise in der Industrieautomatisierung oder in sicherheitskritischen Systemen.
• Linux ist ein Open-Source-Betriebssystem, dass in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt wird, einschließlich IoT. Es bietet eine hohe Flexibilität, Skalierbarkeit und eine breite Palette von Tools und Bibliotheken. Linux eignet sich gut für komplexe IoT-Anwendungen, bei denen eine umfangreiche Funktionalität und Anpassungsfähigkeit erforderlich sind. Natürlich ist ein Linux Betriebssystem einiges ressourcenintensiver als ein bare-metal Betriebssystem.

IoT Funktechnologien

Wenn wir nun einen Kettenglied weiter gehen wollen, müssen die gesammelten Daten vom IoT Modul irgendwie zum Endnutzer gebracht werden. Im IoT Bereich wird das üblicherweise mit verschiedenen Funktechnologien bewerkstelligt. In der Funktechnik spielen Reichweite, Datenübertragungsgeschwindigkeit und Energieverbrauch eine entscheidende Rolle. Es ist schwierig, alle drei Kriterien gleichzeitig zu optimieren, da physikalische Gesetze klare Grenzen setzen. Zum Beispiel kann LoRaWAN über große Distanzen Daten übermitteln und benötigt wenig Energie, hat aber eine geringe Datenrate. Im Vergleich dazu erreichen Wi-Fi und Bluetooth vergleichsweise hohe Datenraten, verbrauchen jedoch mehr Energie und haben eine begrenzte Reichweite.

Die Wahl der IoT-Protokolle und Funktechnologien hängt also stark von den Anforderungen der jeweiligen IoT-Anwendung ab.

IoT Protokolle

IoT Protokolle sind Standards für die Kommunikation zwischen IoT-Modulen und anderen Systemen und ein wichtiger Bestandteil von Funktechnologien. Sie regeln, wie und in welcher Form die Daten zwischen den Geräten übertragen werden. Diese Protokolle können verschiedene Eigenschaften haben, wie Echtzeitfähigkeit, Sicherheit, Energieeffizienz und Skalierbarkeit. Sie bieten auch Mechanismen für die Handhabung von Fehlern und die Wiederholung von Sendungen. In der Folge einige Beispiele von Protokollen welche im IoT Bereich benutzt werden:

• Ethernet
• TCP/IP
• HTTP
• MQTT
• CoAP
• Bluetooth

IoT Plattformen

Bevor die Daten zum Endnutzer kommen, werden sie üblicherweise über eine IoT Plattform aggregiert. IoT-Plattformen sind typischerweise Cloud-Plattformen, welche aus verschiedenen Komponenten bestehen. Dazu gehören unter anderem Konnektivität, Gerätemanagement, Datenmanagement, Cloud-Computing-Dienste und Sicherheitsfunktionen. Die Konnektivität ermöglicht die Verbindung und Verwaltung von IoT-Geräten, während das Gerätemanagement den gesamten Lebenszyklus der Geräte abdeckt (Registrierung, Identifikation, Updates, Authentifizierung und Fehlerbehebung). Das Datenmanagement umfasst die Erfassung, Speicherung, Verarbeitung und Analyse von Daten aus verschiedenen Quellen. Cloud-Computing-Dienste werden genutzt, um die Datenerfassung, -speicherung, -verarbeitung und -analyse effizient durchzuführen und Sicherheitsfunktionen gewährleisten den Schutz sensibler Daten und die Sicherheit des gesamten Systems. Eines der bekanntesten Beispiele einer IoT Plattform wäre das Microsoft Azure IoT-Hub.

Endnutzer

Der Endnutzer bildet das letzte Kettenglied. Aus den Daten, welche über die IoT Plattform gesammelt wurden, können Benutzeroberflächen und andere Applikationen erstellt werden.

Zum Abschluss ein Beispiel einer Endnutzeroberfläche eines spannenden Real-World-IoT-Projekt im Bereich Smart City basierend auf der Vorlesung von Dr. Johannes Müller, ICTpower GmbH.

Quellen Bilder

• https://smartboxgeoportal.io/
• https://www.arm.com/products/silicon-ip-subsystems
• https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/white_paper/module/power_module/specified_low_power/wi-sun-han1_wp-e.pdf