Gerätetechnologien für die Anbindung an das Internet of Things
Nachfolgend werden Gerätetechnologien für die Anbindung an das Internet of Things beschrieben, die in Geräten und Systemen implementiert sind, welche an das Internet nach dem Konzept des Internets der Dinge (Internet of Things, IOT) angeschlossen sind. Primär betrifft dies den Aufbau der geräteinternen Elektronik sowie die auf dieser ablaufenden Gerätefirmware.
Technologischer Ausgangspunkt[Bearbeiten]
IOT als Konzept resultierte in der Gerätetechnik der letzten Jahre in einer Ansammlung von Technologien, um Geräte und andere Systeme (z.B. Maschinen, Autos etc.) über das Internet zu vernetzen. Dies ermöglicht einerseits den Fernzugriff auf diese Geräte bzw. Systeme für z.B. Bedien- und Wartungszwecke. Andererseits aber auch die Querkommunikation zwischen zwei oder mehreren Geräten/Systemen, um intelligente Gesamtsystemfunktionen zu realisieren. Es gibt dabei nicht einen technologischen Standard. Vielmehr sind bei der Integration eines IOT-Anschlusses im Rahmen einer Geräteentwicklung auf mehreren technischen Ebenen jeweils verschiedenste Implementierungsvarianten möglich[1][2][3][4]. Oftmals wird ein Unternehmen, das seine Geräte bzw. Systeme IOT-fähig macht, hierbei sinnvollerweise für sich einheitlche Varianten festschreiben.
Nachfolgend sollen kurz diese technischen Ebenen mit ihren Technologievarianten angesprochen werden, wobei beim Gerät/System mit IOT-Anschluss nachfolgend nur noch von „Gerät“ gesprochen werden soll. Grundsätzlich kann jedes Gerät mit integrierter Elektronik auch so entwickelt werden, dass es über eine IOT-Anbindung verfügt. Vorteilhaft erscheint dies insbesondere für z.B.: Messgeräte, Sensoren, Elektromotoren, Frequenzumrichter, Maschinensteuerungen, Kfz, Lkw, Informationsdisplays, elektronische Kiosksysteme, Getränke- und Warenautomaten, Überwachungskameras, elektronische Türschilder, Brandmeldesysteme, Alarmanlagen, Beleuchtungssysteme, Heizungssteuerungen, Haushaltsgeräte, fahrerlose Transportsysteme, Spielautomaten, Fahrradcomputer, Ladesäulen für Elektrofahrzeuge, Systeme zur automatisierten Verkehrsüberwachung und -steuerung, Parkautomaten, Tankanlagen und Zapfsäulen, Stromspeicher, medizinische Geräte, Trainingsgeräte für Fitnessstudios, Fitnessarmbänder etc.[5][6]
Kommunikationsschnittstelle am Gerät[Bearbeiten]
In den unteren technischen Ebenen handelt es sich bei einem IOT-Anschluss zunächst nur um einen normalen Internet-Zugang für das Gerät. Dies bedeutet, dass seitens des Entwicklers der geräteinternen Elektronik eine wie auch immer geartete Kommunikationsschnittstelle am Gerät vorzusehen ist, über die es einen Zugriff auf ein lokales Netzwerk erhält, das wiederum über einen entsprechenden Netzwerkknoten (z.B. einen Internet-Router oder Proxy-Server) den Zugang zum Internet erlaubt. Prinzipiell kommen hierfür z.B. folgende Schnittstellen in Frage:
Hier sind zwei Elektronikvarianten üblich: Zum einen können schnittstellenspezifische Kommunikationschips bzw. Chipsets einen Großteil der Schnittstellenfunktionen der beiden untersten Ebenen Physical Layer und Data Link Layer des OSI-Modells realisieren. Zu allen Schnittstellentypen bieten Chiphersteller entsprechende Chips an, die dann auf der Elektronikplatine des Geräts als Peripheriechip zum eigentlichen Prozessor arbeiten. Andererseits haben leistungsfähigere Prozessoren wie z.B. solche auf Basis der ARM-Architektur oder auf FPGA-Basis mitunter bereits diese Schnittstellenfunktionen mit integriert, was sich derzeit jedoch primär auf LAN und WLAN beschränkt.[7][8]
IOT-Protokolle[Bearbeiten]
Diese Protokolle wurden speziell für Funktionalitäten, wie sie für die Geräteeinbindung in ein IOT-konformes virtuelles Netz vorteilhaft sind, definiert. Leider gibt es kein einzelnes Protokoll, auf das man sich z.B. weltweit verständigt hat. Vielmehr hängt es stark von der etwaig zur Anwendung kommenden Cloud-basierten IOT-Plattform (siehe übernächster Abschnitt) ab, welche/s in einem Gerät mit IOT-Anbindung konkret implementieren ist. Auch meist einfachere herstellerspezifische Versionen sind hier möglich. U.a. folgende Protokollstandards findet man hier häufiger[9][10][11]:
Spezifische IOT-Protokolle[Bearbeiten]
Generische Protokolle, die bei IOT-Anwendungen häufig ebenfalls relevant sind[Bearbeiten]
Insbesondere die Protokolle der erstgenannten Gruppe definieren in standardisierter Form z.B. die Codierung von Gerätedaten (Nutzdaten wie auch Konfigurationsdaten), Geräteidentifikationsmechanismen, Fernsteuerfunktionen, Triggerprozesse etc. Es gibt jedoch deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen Protokollen, was die Funktionsabdeckung wie auch die Protokollkomplexität betrifft.
Auch für diese Protokolle existieren mehr oder weniger vollständige Codemodule verschiedener Anbieter (IOT-Middleware). Diese Protokollen verwenden auf unterlagerter Ebene i.d.R. die aus der normalen IT-Vernetzung bekannten Protokolle wie IP, TCP, UDP, HTTP u.s.w. Die interne Firmware derartiger Geräte beinhaltet deshalb neben der IOT-spezifischen Middleware auch entsprechende Standardprotokollstacks.[12]
IOT-Hardwaremodule[Bearbeiten]
Alternativ zur separaten Implementierung der oben ausgeführten technischen Ebenen können IOT-fähige Geräte den IOT-Anschluss auch über miniaturisierte IOT-Hardwaremodule realisieren. Eine zunehmende Zahl von Herstellern bietet hierzu meist kompakt ausgeführte Komponenten an, die sehr viele der Funktionen bereits beinhalten, die oben angesprochen wurden. In der Entwicklung spart man sich somit Entwicklungszeit und -kosten. In Abhängigkeit der angepeilten Stückzahlen und des daraus resutlierenden wirtschaftlichen Entwicklungsaufwands ist im Entwicklungsprozess eine grundlegende Entscheidung über die Komplexität des verwendeten Hardwaremoduls zu treffen.
Derartige Hardwaremodule sind in folgenden Varianten erhältlich[13]:
- COM Controller: Chipset für Implementierung der Basis-Schnittstellen-Funktionen, wobei die Kopplung zur weiteren Gerätelektronik (Prozessor) meist über bidirektionale Schnittstellen wie I²C oder SPI ausgeführt ist
- IOT COM Module: COM Controller zuzüglich einer sog. Frontend-Beschaltung (Schnittstellen-Buchse bzw. Antennen, Trafo, etc.)
- IOT System on Chip: i.d.R. entwicklerseitig frei programmierbarer Prozessor inkl. COM Controller (jedoch ohne Frontend)
- IOT Smart Module: Komplettmodul inkl.Prozessor, COM Controller und Frontend
IOT-fähige Geräte müssen stets über einen entsprechenden Prozessor verfügen. Auf dem Prozessor laufen Standardprotokollstack und IOT-Middleware sowie kopplerspezifische Nutzerdatentransferprotokolle.[14] Dieser Prozessor kann ein geräteseitig bereits vorhandener sein oder der in den beiden letztgenannten Modulvarianten vorhandene.
Cloud-basierte IOT-Plattformen[Bearbeiten]
Ein Unternehmen, das für seine Produkte einen IOT-konformen Fernzugriff vorsieht, kann diesen technologisch mit drei verschiedenen Strukturen implementieren. Diese unterscheiden sich darin, ob der Internet-Zugriff auf das Gerät
- direkt ohne dazwischen geschalteten Datenserver oder
- indirekt über einen eigenen Datenserver oder
- indirekt über den Cloud-basierten Datenserver eines entsprechenden Diensteanbieters
erfolgt. Für ersteren Fall reicht im einfachsten Fall z.B. eine in das Gerät eingebettete, über HTTP zugreifbare Wartungswebseite, ggf. ergänzt um einen über TCP zugreifbaren Datenbereich. Soll jedoch systematisch ein System von vielen über das Internet zugreifbaren Geräten mit entsprechenden Geräteverwaltungs- und Gerätedatenauswertefunktionen realisiert werden, so kommt das Unternehmen um Datenserver-basierte Strukturen nicht herum. Der Vorteil der Anlehnung an einen Diensteanbieter ist, dass hier viele Elemente wie Gerätezugriffsoberfläche, Nutzerautorisierung, Datenauswertung- und -darstellung (bis hin zu Big Data-Applikationen) standardmäßig vorhanden sind, die nicht separat aufwendig entwickelt werden müssen.[15][16]
Cloud-basierte IOT-Plattformen werden beispielsweise angeboten von meist größeren IT-Unternehmen wie Bosch, Deutsche Telekom, Hewlett-Packard Enterprise, IBM, Oracle, SAP, Siemens, Software AG etc.
Jede IOT-Plattform schreibt spezifische IOT-Protokolle vor, um Geräte über das Internet an sie anzubinden. Die Plattformen bieten i.d.R. integrierte Web-Oberflächen, über die nach entsprechender Nutzerautorisierung auf die angebundenen Geräte für z.B. das Auslesen von geräteseitigen Messdaten oder für die Gerätediagnose per Browser zugegriffen werden kann. Außerdem lassen sich virtuelle Datenkanäle zwischen mehreren angebundenen Geräten konfigurieren, um eine Querkommunikation zwischen Geräten zu realisieren.[17]
Einzelnachweise[Bearbeiten]
- ↑ IOT-Produkte und Technologien. Abgerufen am 20. März 2018.
- ↑ I. Yaqoob, E. Ahmed, I. A. T. Hashem, A. I. A. Ahmed, A. Gani: Internet of Things Architecture: Recent Advances, Taxonomy, Requirements, and Open Challenges. In: IEEE Wireless Communications. Band 24, Nr. 3, Juni 2017, ISSN 1536-1284, S. 10–16, doi:10.1109/MWC.2017.1600421 (ieee.org [abgerufen am 17. März 2018]).
- ↑ M. J. Beevi: A fair survey on Internet of Things (IoT). In: 2016 International Conference on Emerging Trends in Engineering, Technology and Science (ICETETS). Februar 2016, S. 1–6, doi:10.1109/ICETETS.2016.7603005 (ieee.org [abgerufen am 17. März 2018]).
- ↑ KREIL, HARRY.: INTERNET OF THINGS. EINE ANALYSE DES STATE OF THE ART. GRIN PUBLISHING, [S.l.] 2017, ISBN 978-3-668-39081-2.
- ↑ Vogel Business Media GmbH & Co. KG: Hardwarehersteller setzen auf intelligente Geräte und Vernetzung. (vogel.de [abgerufen am 23. März 2018]).
- ↑ Bundesministerium für Wirtschaft und Energie: Internationale Best-Practice-Studie Intelligente Vernetzung. Abgerufen am 23. März 2018.
- ↑ Asche, Rüdiger R.: Embedded Controller Grundlagen und praktische Umsetzung für industrielle Anwendungen. Springer Vieweg, Wiesbaden 2016, ISBN 978-3-658-14850-8.
- ↑ Menge, Matthias.: Moderne Prozessorarchitekturen Prinzipien und ihre Realisierungen. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2005, ISBN 978-3-540-27471-1.
- ↑ A. Al-Fuqaha, M. Guizani, M. Mohammadi, M. Aledhari, M. Ayyash: Internet of Things: A Survey on Enabling Technologies, Protocols, and Applications. In: IEEE Communications Surveys Tutorials. Band 17, Nr. 4, 2015, ISSN 1553-877X, S. 2347–2376, doi:10.1109/COMST.2015.2444095 (ieee.org [abgerufen am 17. März 2018]).
- ↑ C. H. Lee, Y. W. Chang, C. C. Chuang, Y. H. Lai: Interoperability enhancement for Internet of Things protocols based on software-defined network. In: 2016 IEEE 5th Global Conference on Consumer Electronics. Oktober 2016, S. 1–2, doi:10.1109/GCCE.2016.7800510 (ieee.org [abgerufen am 17. März 2018]).
- ↑ Giancarlo Fortino, Antonio Guerrieri, Wilma Russo, Claudio Savaglio: Middlewares for Smart Objects and Smart Environments: Overview and Comparison. In: Internet of Things Based on Smart Objects (= Internet of Things). Springer, Cham, 2014, ISBN 978-3-319-00490-7, S. 1–27, doi:10.1007/978-3-319-00491-4_1 (springer.com [abgerufen am 17. März 2018]).
- ↑ Jäger, Edgar.: Industrial Ethernet : Funktionsweise, Implementierung und Programmierung von Feldgeräten mit netX. Hüthig Verlag, Heidelberg 2009, ISBN 978-3-7785-4031-2.
- ↑ Internet of Things. Abgerufen am 1. Mai 2018.
- ↑ Elektor-Verlag GmbH: Serielle Schnittstellen I²C, SPI und 1-Wire. 1. Auflage. Aachen 2017, ISBN 978-3-89576-318-2.
- ↑ A. Bröring, S. Schmid, C. K. Schindhelm, A. Khelil, S. Käbisch: Enabling IoT Ecosystems through Platform Interoperability. In: IEEE Software. Band 34, Nr. 1, Januar 2017, ISSN 0740-7459, S. 54–61, doi:10.1109/MS.2017.2 (ieee.org [abgerufen am 17. März 2018]).
- ↑ Hemdan Ezz El-Din, D. H. Manjaiah: Internet of Things in Cloud Computing. In: Internet of Things: Novel Advances and Envisioned Applications (= Studies in Big Data). Springer, Cham, 2017, ISBN 978-3-319-53470-1, S. 299–311, doi:10.1007/978-3-319-53472-5_15 (springer.com [abgerufen am 17. März 2018]).
- ↑ Uwe Kubach: Device Clouds: Cloud-Plattformen schlagen die Brücke zwischen Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge. In: Handbuch Industrie 4.0 Bd.3 (= Springer Reference Technik). Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg, 2017, ISBN 978-3-662-53250-8, S. 181–200, doi:10.1007/978-3-662-53251-5_14 (springer.com [abgerufen am 24. März 2018]).
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