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IoT Architektur Teil 1: Welche Hardware Möglichkeiten haben Sie?

ProfilfotoMartin Fehre
Teamleiter IoT Hardware bei q.beyond

02.11.2021

Mit einer gut durchdachten Architektur kann das Internet of Things die Sicherheit, Effizienz und Produktivität in vielen Branchen verbessern. Dafür brauchen Sie Hardware, die sich vernetzen lässt. Wir zeigen Ihnen, welche Möglichkeiten Sie bei der Wahl der richtigen Hardware haben.

Die IoT Systemarchitektur ist ein mehrstufiger Prozess: Maschinendaten werden durch ein Netzwerk in ein Unternehmensrechenzentrum oder in die Cloud geleitet. Dort werden sie verarbeitet, analysiert und gespeichert. Wenn Sie nun auch Ihre Produktion smart machen wollen, dann beginnen Sie zuerst damit, sich Gedanken über die richtige Hardware zu machen. Welche Voraussetzungen erfüllt Ihr Bestand und wo liegt Ihr Bedarf? Wir geben Ihnen einen Überblick, der Ihnen bei der Beantwortung Ihrer Fragen helfen wird!

Inhaltsverzeichnis

Was sind IoT Geräte?

Wann genau wird von IoT Geräten gesprochen? Dazu gehören alle Geräte oder Sensoren mit Computing-Funktionen, die mit dem Internet verbunden, aber nicht traditionell internetfähig sind. Ein intelligentes Thermostat kann beispielsweise die Temperatur Ihres Besprechungsraums herunterregeln, wenn das Zimmer gelüftet wird. Intelligente Sensoren erfassen Vorgänge in Ihrer Umgebung und reagieren mit vordefinierten Funktionen, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind, bevor die Daten vom Gerät gesendet werden.

Vorhandene Geräte smart machen

Sie möchten IoT-Lösungen auch für Ihr Unternehmen, aber wollen deswegen nicht alle Maschinen austauschen? Das ist oft gar nicht nötig! Überprüfen Sie Ihre schon vorhandene Hardware auf mögliche Potentiale, um diese auf eine Vernetzung mit einem Retrofit upzugraden. Mit einem Retrofit werden vorhandene Maschinen um smarte Technologien erweitert. Die Stärke der Vernetzung hängt von den Eigenschaften Ihrer Maschinen ab. Je nach Eigenschaft, gestaltet sich auch die Interaktivität. Wir geben Ihnen Hilfestellung, damit Sie feststellen können, welche Gegebenheiten Ihre Maschine aufweist und welche Möglichkeiten zur Übertragung sie bieten:


Das Hauptaugenmerk sollte darauf liegen, dass Sie die Daten auslesen können. Besitzen Ihre Maschinen drahtgebundene, optische oder Funk-Schnittstellen? Vorhandene Geräte können durch den Kauf des passenden Zubehörs weiter betrieben werden. Potentiale haben vorhandene Sensoren, bei denen überprüft werden muss, wie Sie die empfangenen Daten aus dem Gerät herausziehen und weiterverwenden können. Zudem können Sie mit programmierbaren Controllern arbeiten, da diese über eine austauschbare Software oder einen lokalen Speicher verfügen können. Zuletzt sind bereits existierende Kommunikationswege (Feldbussysteme, RFID, NFC, Bluetooth oder Wifi) ein guter Start, da diese wertvolle Daten generieren.


Nachdem Sie im ersten Schritt überprüft haben, ergeben sich durch den Retrofit mehre Optionen: Gewinnen Sie mit symbiotischen Sensoren an Ihren Maschinen Daten (s.u.), diese können Sie auch ohne eine Zwei-Wege-Kommunikation auslesen. Hierbei übertragen blinkende LEDs Bytesequenzen, Kameras lesen die Bildschirmhelligkeit aus und dadurch wird die Embedded Software des Produktes gesteuert und Daten gewonnen. Außerdem können Sie mit Mobile to Cloud Bridge über eine mobile App oder ein kleines zusätzliches Gerät via Bluetooth Low Energy oder ähnliche Kommunikationswege Daten aus dem Gerät auslesen. Diese werden über die eigene Internetverbindung in die Cloud gesendet. Beim Cloud Memory Replacement werden Ihre Daten nicht lokal, sondern in einer Online-Datenbank, bzw. in der Cloud gesichert. Dadurch vermeiden Sie Kosten für lokale Speicherplätze und haben auch mehr Speicherkapazitäten für Ihre Daten.

Mit symbiotischen Sensoren Daten auslesen

Falls Ihre Maschine von Werk aus keine Sensoren mit bringt, können Sie symbiotische Sensoren anbringen. Diese helfen Ihnen, die wertvollen Daten Ihrer Maschine zu erfassen. Voraussetzung ist, dass die wesentlichen Maschinenparameter von außen messbar sind. Hierfür werden die externen Sensoren am Maschinengehäuse befestigt, mit Magneten versehen oder in Silikonhüllen eingebettet. Dadurch bekommen Sie die Möglichkeit, im Bereich Predictive Maintenance zum Beispiel Laufzeiten, Geschwindigkeiten, Umdrehungen und Temperaturen zu messen. Das Gegenstück zum Sensor ist der Aktor. Die Aktoren setzen die empfangenen Signale um. Sie sorgen folglich dafür, dass Befehle des Geräts auch ausgeführt werden (Bewegungen, Veränderungen in Druck oder Temperatur). Ein Aktor kann etwas so einfaches tun wie das Einschalten einer Lampe oder etwas so folgewirksames wie das Herunterfahren einer Montagelinie, wenn ein drohender Fehler erkannt wird.


Ein Beispiel für eine erfolgreiche IIoT Umsetzung ist mit unserem Kunden e-nizing gelungen. Dort wurde mit einer hochskalierbaren IIoT Plattform ein digitaler Zwilling der Maschinen dargestellt. Wodurch die Maschine standortunabhängig überwacht, analysiert und gesteuert werden kann.

Möglichkeiten bei eingeschränkter Stromversorgung

Wenn Ihr Produkt nur kinetische Energie oder gar keinen Strom benötigt, sind Ihre Möglichkeiten der Aufrüstung direkt am Gerät stark eingeschränkt. Allerdings gibt es auch hier smarte Methoden für Ihre Anwendung: Mit Low Energy Sensoren, die ihren nötigen Strom aus der kinetischen Energie ziehen können oder indem Sie auf die Ergänzung durch Mobile Anwendungen setzen. Im letzteren Fall hat Ihre eigentliche Hardware wenig zu tun und muss lediglich die Daten weitergeben. Ein stärkeres Gerät, welches dann permanent Strom erhält (zum Beispiel ein Smartphone), kann diese Daten dann aufnehmen und sich darum kümmern, sie beispielsweise in die Cloud transportieren. Diese Möglichkeit der Verwendung von Edge Devices ist wesentlich günstiger als neue, smarte Maschinen zu kaufen.

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Was ist Edge Computing?

Beim Edge Computing wird im Vergleich zum "normalen" IoT sehr leistungsstarke Hardware eingesetzt. Dieser besondere Zweig des Internet of Things ermöglicht es, Geräten, welche nicht mit der Cloud verbunden sind, sondern noch mit dem eigenen Firmennetzwerk oder in der Fertigungshalle liegen, vollständige Anwendungen zu enthalten. Ein für Machine Learning trainiertes Modell, dass auf dem Edge Device eingesetzt wird, kann die Daten bereits direkt im Firmennetzwerk schnell analysieren und Ausfälle oder Probleme vorhersagen – ohne die Daten in die Cloud zu senden. Hierbei erhalten Sie die Daten schnellstmöglich direkt vor Ort ohne, vom Bandbreitenbedarf und den Latenzzeiten, die zwangsläufig bei der Datenübertragung und der Datenverarbeitung in einem Rechenzentrum entstehen, abhängig zu sein. Ganz egal, ob dafür ein Inhouse- oder ein Cloud-Datacenter genutzt wird.

Was können RFID-Tags?

Radio Frequency Identification Tags liefern ebenfalls für Tracking-Zwecke wertvolle Daten: So können diese beispielsweise Warenbestände oder Personendaten erfassen und verwalten. Die RFID-Tags können, dank ihrer geringen Größe, leicht in einem Container oder Kleidung untergebracht und dann beim Passieren eines Lesegeräts registriert werden – ohne Sichtkontakt. Im Gegensatz zu Barcodes können Geräte hunderte von RFID-Tags gleichzeitig lesen – sie funktionieren in verschieden Materialien, aufgedruckt oder sogar unter der Haut. Dabei benötigen nur die Geräte zum Auslesen Strom, die Tags funktionieren ohne. Im Zusammenhang mit kontaktlosem Zahlen haben Sie vielleicht schon einmal von NFC-Tags gehört: Auch diese sind RFID-Tags, aber nur für kurze Distanzen wie beim Bezahlen.

Welche Betriebssysteme für IoT Hardware gibt es?

Der Markt für IoT-Betriebssysteme ist bislang fragmentiert und unübersichtlich. Die bekanntesten Systeme sind:

  • Canonical Ubuntu for IoT
  • Contiki
  • Google Brillo OS
  • Kaspersky OS
  • RIOT OS
  • VxWorks RTOS
  • Windows 10 für IoT

Wichtig bei der Entscheidung sind aber nicht zwangsläufig die Namen, sondern die Fähigkeiten eines IoT-Betriebssystems. Durch ein intelligentes Energiemanagement, sollte das System auch bei Stromausfällen keinen Ausfall verursachen. Ein Hauptaugenmerk sollte auf eine effiziente Speicherverwaltung gelegt werden. Je knapper die Hardware-Ressourcen sind, desto wichtiger ist eine Systemstabilität. Für reibungslose Abläufe ist eine Unterstützung moderner Kommunikationsprotokolle essenziell. Die Daten sollten, wenn möglich, mit geringer Latenzzeit übertragen werden, damit eine schnelle Analyse und Handlung erfolgen kann. Das wichtigste für ihr IoT System ist jedoch die Sicherheit. Hierauf sollten Sie besonders achten, denn bei drahtloser Konnektivität mit sensiblen Daten, steht eine besondere Absicherung an erster Stelle.


Es kommt aber nicht nur auf die Hardware an, auch Softwarekomponenten sollten beachtet werden. Ebenso wie die Konnektivität Ihrer Geräte.


Sie haben noch Fragezeichen zu einzelnen Begriffen? Wir haben für Sie die 15 wichtigsten Begriffe rund um IoT zusammengefasst.

Titelbild: Ajeet Mestry auf Unsplash
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