6. Thema 6: Internet of Things
24.06.2022 Gruppe 52
6.1. Internet der Dinge
Das Internet der Dinge ist seit einiger Zeit ein relevantes Thema. Es entwickelt sich immer weiter, existiert aber such schon seit langer Zeit. Um das Internet der Dinge aufzubauen, werden viele unterschiedliche Geräte benutzt, von Sensoren zum Erfassen von Umweltdaten zu kleinen Computern, die diese verarbeiten und zu den Geräten, die diese Daten verwenden. Dieses Internet der Dinge auch IoT genannt ist in vielen Bereichen des Lebens gefunden von der Industrie bis zu alltäglichen Gegenständen wie Toaster oder Kühlschränken. Doch wenn das IoT schon so verbreitet ist, wird natürlich die Frage aufgeworfen, wozu es sich noch entwickeln kann und was die Zukunft dafür ist.
6.2. Motivation
Die Motivation des Teams ist zum Teil die allgegenwärtige Präsenz des Internets der Dinge im normalen Leben, aber auch im Berufsleben. Das Internet der Dinge ist außerdem ein sehr interessantes Thema, da es zu einem natürlichen Teil des Lebens für sehr viele Menschen geworden ist und sich immer noch weiter ausbreitet.
6.3. Aufgabenstellung
Die Gruppe hat den Bericht untereinander aufgeteilt. Die Einleitung, die Geschichte des Internets der Dinge, wurde von Niklas Kaspar verfasst. Der nächste Abschnitt befasst sich mit den technischen Aspekten des IoT sowohl als auch mit den Geräten, die benutzt werden, um es möglich zu machen, dieser Abschnitt wird von Frank Bänecke verfasst. Die genauen Anwendungsgebiete und was in diesen Gebieten vom IoT gesteuert wird, wird von Florian Kugelmann bearbeitet. Zum Schluss wird von Sebastian Weh die mögliche Zukunft des Internets der Dinge erkundet.
6.4. Geschichte von dem Internet der Dinge
Das Internet der Dinge ist ein Sammelbegriff für alle Technologien, die es ermöglichen verschiedene Physische Gegenstände mit dem Virtuellen zu verbinden. Zu Beginn war das Internet der Dinge nicht unter diesem Namen bekannt, statdessen war es unter Begriffen wie Embedded Internet, in Deutsch eingebettetes Internet, Pervasive Computing oder auch durchdringende Rechnerarbeit und schließlich auch Ubiquitous Computing, also unsichtbare und allgegenwärtige Rechnerarbeit bekannt, der Begriff Internet of Things also Internet der Dinge, unter dem das Prinzip heutzutage bekannt ist, wurde erst im Jahre 1999 von Kevin Ashton gemünzt als er eine Präsentation für Procter & Gamble im Umfang von RFID Lieferketten erstellt hat. Der Gedanke hinter dem Internet der Dinge war sehr früh in den Köpfen Großer Wissenschaftler wie Nikola Tesla oder Alan Turing vorhanden Umgesetzt wurde es aber dann erst im Jahre 1990 als John Romkey und Simon Hackett einen Toaster erschaffen hat den man Remote über das Internet an und wieder aus schalten konnte.
Von diesem Punkt aus hat sich das Internet der Dinge immer mehr verbreitet als neue Anwendungen entwickelt wurden. Ein Beispiel hierfür ist als nur drei Jahre später im Jahre 1993 von Quentin Stafford-Fraser and Paul Jardetzky der sogenannte Trojan Room Coffee Pot erschaffen wurde. Dieser war eine Kaffeemaschine, der im sogenannten Trojan Room innerhalb der Computer Labore der Universität Cambridge stand. Das Besondere an dieser Kaffeemaschine war, dass er mit Bildern überwacht wurde, die 3x die Minute aktualisiert wurden und auf den Universität-Server hochgeladen wurden, später wurden diese Bilder ins Internet hochgeladen, sobald Browser diese auch zeigen konnten.
Der nächste große Durchbruch kam im Jahre 2000 als LG Pläne für einen Kühlschrank mit WLAN-Kompatibilität veröffentlichte, dies war die erste Große Firma die Haushaltsgeräte mit Internetfähigkeit Produzierte. Kurz hiernach haben dann auch große Firmen angefangen der Begriff IoT zu benutzen. IoT hat sich dann sehr schnell immer weiter Entwickelt bis dann in 2014 Dublin bekannt gegeben hat, dass sie die erste Smart City werden würden. Im Jahre 2017 wurde das Thema IoT dann auch von dem Militär in Benutzung genommen, als U.S Army Forschungslabore eine Allianz zur fortgeschrittenen Forschung zur Nutzung von IoT Technologien in der Armee. Das Internet der Dinge hat sich aber auch in andere Zweige der Wirtschaft ausgebreitet, wie zum Beispiel den medizinischen Zweig. Auch heute noch werden täglich neue Anwendungen für das Internet der DInge Produziert und in Betrieb genommen.
6.5. Technologie
6.5.1. Grundlegende Technologien für das IoT
Theoretisch kann man alles als möglichen Teil des „Internet of Things“ (IoT) betrachten.
Schon durch das Anbringen von beispielsweise einem RFID-Chip oder QR-Code, wird ein Objekt zum Teil des IoT-Netzes. Dabei werden lediglich Informationen zur Identifikation, der Akteure im Netzwerk, gespeichert. Ein zentrales System stellt hierbei die weiteren relevanten Daten zur Verfügung.
Sollen die Akteure jedoch auch selbst Informationen verarbeiten (z.B. Messsysteme), benötigen diese dafür datenverarbeitende Hardware.
Das Internet of Things wird durch die Existenz vieler verschiedener Technologien erst ermöglicht. Diese müssen energieeffizient, zuverlässig, zu geringen Kosten und meist auf kleinem physischen, sowie digitalem Raum arbeiten können.
Heute vorhandene IoT-Technologien unterteilen sich in:
Hardware-Komponenten (z.B. RFID, Microcontroller, Sensoren, …)
Protokoll-Stacks (Basisprotokolle des Internets sowie IoT-spezifische Middleware)
Cloud-basierte Plattformen zur Bildung virtueller Gerätenetze
IoT-Software (IoT-Betriebssysteme, …)
6.5.2. Anforderungen an Hardware
- hohe Zuverlässigkeit -> geringer Wartungsaufwand
(sehr viele Geräte, räumlich weit auseinander oder schwer zu erreichen)
- niedriger Energieverbrauch
läuft meist rund um die Uhr
- geringe Anschaffungskosten
viele physische Entitäten auszurüsten
6.5.3. Anforderungen an Software
geringer Speicherverbrauch
hohe Konnektivität
Flexibilität
möglichst auf handelsüblichen Mikrocontrollerarchitekturen lauffähig
6.5.4. Netzwerke
Entscheidend bei der Anwendung des IoT ist das Netzwerk, das für die Kommunikation zwischen den Geräten verwendet wird. Eine Aufgabe, die mehrere drahtlose oder drahtgebundene Technologien erfüllen können:
6.5.4.1. Drahtlos mit kurzer Reichweite
- Bluetooth Mesh Networking
Spezifikation für eine Mesh Networking-Variante von Bluetooth Low Energy (BLE) mit einer größeren Anzahl von Knoten und einer standardisierten Anwendungsschicht (Modelle).
- Light-Fidelity (Li-Fi)
Drahtlose Kommunikationstechnologie, die dem Wi-Fi-Standard ähnelt, aber sichtbares Licht zur Erhöhung der Bandbreite verwendet.
- Nahfeldkommunikation (NFC)
Kommunikationsprotokolle, die es zwei elektronischen Geräten ermöglichen, innerhalb einer Reichweite von 4 cm zu kommunizieren.
- Radiofrequenz-Identifikation (RFID)
Technologie, die elektromagnetische Felder nutzt, um Daten zu lesen, die in Tags gespeichert sind, die in andere Gegenstände eingebettet sind.
- Wi-Fi
Technologie für lokale Netzwerke auf der Grundlage des IEEE 802.11-Standards, bei der Geräte über einen gemeinsamen Zugangspunkt oder direkt zwischen einzelnen Geräten kommunizieren können.
- ZigBee
Kommunikationsprotokolle für Personal Area Networking auf der Grundlage des IEEE 802.15.4-Standards, die einen niedrigen Stromverbrauch, eine niedrige Datenrate, geringe Kosten und einen hohen Durchsatz bieten.
- Z-Wave
Ein drahtloses Kommunikationsprotokoll, das vor allem für Hausautomatisierungs- und Sicherheitsanwendungen verwendet wird.
6.5.4.2. Drahtlos mit mittlerer Reichweite
- LTE-Advanced
Spezifikation für Hochgeschwindigkeitskommunikation in Mobilfunknetzen. Bietet Verbesserungen des LTE-Standards mit erweiterter Abdeckung, höherem Durchsatz und niedrigeren Latenzzeiten.
- 5G
5G-Mobilfunknetze können verwendet werden, um die hohen Kommunikationsanforderungen des IoT zu erfüllen und eine große Anzahl von IoT-Geräten zu verbinden, auch wenn diese unterwegs sind.
6.5.4.3. Drahtlos mit großer Reichweite
- Low-Power Wide-Area Networking (LPWAN)
Drahtlose Netze, die eine Kommunikation über große Entfernungen bei niedriger Datenrate ermöglichen und so den Stromverbrauch und die Kosten für die Übertragung senken.
- Very Small Aperture Terminal (VSAT)
Satellitenkommunikationstechnologie, die kleine Parabolantennen für Schmalband- und Breitbanddaten verwendet.
6.5.4.4. Kabelgebunden
- Ethernet
Netzwerkstandard für allgemeine Zwecke, der Kabel mit verdrillten Doppeladern und Glasfaserverbindungen in Verbindung mit Hubs oder Switches verwendet.
- Power-Line-Kommunikation (PLC)
Kommunikationstechnologie, die elektrische Leitungen zur Übertragung von Strom und Daten nutzt.
6.5.4.5. Standards und Standardisierungsorganisationen
Es gibt viele, meist offene, technischen Standards für das Internet der Dinge (IoT). Jedes hat seine Vor- und Nachteile, für die verschiedenen Anwendungsgebiete des IoT.
- IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
Grundlegende Normen der Kommunikationstechnologie
- IETF (Internet Engineering Task Force)
Standards, wie z.B. TCP/IP
- W3C (World Wide Web Consortium)
Standards für die Interoperabilität zwischen verschiedenen IoT-Protokollen und -Plattformen
- FDA (U.S. Food and Drug Administration)
UDI (Unique Device Identification) System für eindeutige Kennzeichnungen für medizinische Geräte
- EPCglobal (Electronic Product code Technology)
Standards für die Einführung der EPC-Technologie (Elektronischer Produktcode)
- GS1 (Global Standards One)
Standards für UIDs („eindeutige“ Identifikatoren) und RFID für Verbrauchsgüter, Gesundheitsartikel, etc.
- MTConnect Institute
Standard der Fertigungsindustrie für den Datenaustausch mit Werkzeugmaschinen und verwandten Industrieanlagen
Wichtig für die IIoT-Untergruppe („Industrial IoT“) des IoT.
- MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)
offenes Netzwerkprotokoll für Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M), das die Übertragung von Telemetriedaten in Form von Nachrichten zwischen Geräten ermöglicht, trotz hoher Verzögerungen oder beschränkter Netzwerke.
- O-DF (Open Data Format)
Spezifiziert generische Informationsmodellstruktur, die für die Beschreibung jedes „Ding“ sowie für die Veröffentlichung, Aktualisierung und Abfrage von Informationen in Verbindung mit O-MI (Open Messaging Interface) geeignet ist
- O-MI (Open Messaging Interface)
Spezifiziert begrenzte Anzahl von Schlüsseloperationen, die in IoT-Systemen benötigt werden, insbesondere verschiedene Arten von Abonnement-Mechanismen, die auf dem Observer-Muster basieren.
- XSF (XMPP Standards Foundation)
Protokollerweiterungen von XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol), dem offenen Standard für Sofortnachrichten
- Project Connected Home over IP
offenes, lizenzgebührenfreies Projekt für Konnektivitätsstandards in der Hausautomatisierung
basierend auf bewährten Internet-Designprinzipien und Protokollen soll es die derzeit uneinheitlichen Systeme zusammenführen
6.6. Anwendungen
6.6.1. Industrie
In der Industrie werden IoT-Systeme häufig zur Überwachung von Anlagen verwendet. Diese liefern automatisch ihren Statusbericht an andere Maschinen und der Kontrollzentrale. So können die Anlagen ihre Produktion und Aufgaben aufeinander abstimmen und Engpässe besser vermieden oder bewältigt werden. Des Weiteren vereinfacht es die Übersichtlichkeit für Wartungspersonal, da Maschinen selbstständig Wartungsanfragen und Berichte erstellen können. Ein weiterer Aspekt ist die automatisierte Überwachung von Lieferketten. Dies spielt auch bei Logistikunternehmen und E-Commerce wie Amazon eine Rolle, welche bereits vollautomatisierte Lager für ihre Packstationen haben.
Unternehmensweite Arbeitsprozesse und Vorteile des IoT
6.6.2. Gebäude und Haushalt
IoT im Haushalt, heutzutage oft Smart Home genannt, ist heutzutage in Deutschland schon sehr verbreitet. Meistens werden einfache Aufgaben wie das Öffnen von Fenster und Türschlösser, die Überwachung und Temperierung der Heizung, das Ein- und Ausschalten von Lichtern, sowie Sicherheitsfunktionen, wie z.B. das Ausschalten vom Herd oder Alarmanlagen, erledigt. Ein weiteres sehr bekannter IoT-Einsatz sind Sprachassistenten wie Alexa. Doch gibt bereits auch fortgeschrittene Funktionen wie intelligente Kühlschränke, Multimedia Anlagen, situationsbedingte Beleuchtungsanlagen oder Haushaltsroboter.
Amazons Haushaltsroboter „Astro“
6.6.3. Fahrzeuge und Verkehr
Ein großes Einsatzgebiet ist schon heute die Verkehrsüberwachung. Echtzeitdaten von Smartphones und Kameras und anderen Sensoren werden für die Verkehrsplanung sowie Überwachung verwendet. Diese steuern dann Ampeln, Verkehrsleitsysteme, Autobahn-Leitpaneele usw. Tunnel und Brücken mit Sensoren für Umwelt und Zustandswerte sind auch weit verbreitet. Zudem kommen immer neue Funktionalitäten, wie beispielsweise das digitale Parkticket, dazu.
Intelligente Ampelschaltung
6.6.4. Stromnetz
Versorgungsunternehmen können die von angeschlossenen Geräten und Sensoren übertragenen Echtzeitdaten nutzen und analysieren, um Stromausfälle zu erkennen und die Verteilung umzuleiten, sowie auf Änderungen des Energiebedarfs und der Last zu reagieren. Intelligente Zähler bei den Verbrauchern liefern zudem Echtzeit sowie historische Daten, um den Stromverbrauch zu analysieren. Somit können Verbrauchsmuster und Stromausfälle erkannt werden, um optimale Lastvorhersagen zu treffen, um die Verteilung des Netzes zu optimieren und auf Probleme zu reagieren.
„Smart Grid“ ist das Stromnetz der Zukunft
6.6.5. Umweltüberwachung
IoT in der Umweltüberwachung hat 4 wesentliche Komponenten:
Überwachung der Umwelt
Daten Messen
Daten katalogisieren
Erkenntnisse aus den Daten und der Analyse bereitstellen
Die häufigsten Anwendungsfälle dabei sind: Messen von Windstärke und Luftfeuchtigkeit, Überwachung der Wasserqualität, Überwachung der Luftqualität, die Detektion toxischer Gase, sowie die Messung von Strahlungswerten. Basierend auf der dabei gewonnenen Erkenntnisse können Wetter und Umweltprobleme erkannt werden und somit behandelt oder eingedämmt werden. Dies kann zudem Landwirten helfen, um Bewässerungen und das Ausbringen von Düngemitteln zu planen, oder auch das Bestimmen der Erntezeit.
Tragbare Wetterstation
6.7. Quellen
Geschichte
Technologie
Anwendungen