Der IoT-Begriff

Was steckt hinter dem Internet der Dinge?

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Sensoren und Aktoren

Beginnen wir bei den kleinsten Geräten, typischerweise Sensoren oder Aktoren, welche über ein sogenanntes Sensornetzwerk miteinander, sowie mit einem IoT Gateway (Basisstation), verbunden sind. Diese Devices basieren üblicherweise auf einem kleinen 8, 16 oder 32-bit Microcontroller wie einem Atmel AVR oder einem ARM Cortex M. Zur Vernetzung kommt ein typischerweise auf IEEE 802.15.4- basiertes Funknetzwerk zum Einsatz. Für diese Devices wurden eine Reihe von kleinen, spezialisierten Betriebssystemen entwickelt, wie z. B. Contiki, Tiny OS, RIOT oder mbed. Diesen Betriebssystemen ist gemeinsam, dass sie von Grund auf für Vernetzung, als auch Energieeffizienz ausgelegt sind. 6LoWPAN und CoAP dürften sich hier als Standard-Netzwerkprotokolle zu etablieren, da diese Protokolle offen und frei verfügbar sind. Technologien wie ZigBee, Z-Wave, Bluetooth, Enocean, aber auch schon Wi-Fi kommen hier ebenfalls zum Einsatz. Gerade im Industriebereich sind hier aber auch Feldbussysteme anzutreffen, OPC-UA und DDS sind ebenso von Bedeutung.

IoT Gateway als Vermittler

Der IoT Gateway stellt das Bindeglied zwischen den kleinen Devices, den Sensornetzwerken und der Internet-Welt dar. IoT Gateways sind oft Linux-basierte Geräte mit leistungsfähigen ARM Cortex A oder Intel Quark/Atom CPUs. Verschiedene Netzwerkschnittstellen sorgen für Konnektivität, ein UMTS/4 G Modul für mobilen Internetzugang kann integriert sein. Neben Ihrer Funktion als Übersetzer und Vermittler zwischen Sensor und Cloud/IT-Welt können Gateways ebenso komplexere Applikationen ausführen. Beispiele sind die Filterung, Vorverarbeitung und Protokollierung von Sensordaten, (unkritische) Steuerungsaufgaben, Alarmierungen per SMS oder E-Mail, Visualisierungen von Anlagenzuständen über eine Webseite, usw. Der sichere Fernzugriff über VPN oder Relay Services wie my-devices.net ist ebenso hier angesiedelt. Schlussendlich ist es jedoch meistens das Ziel, die erfassten Daten an einen Server weiterzusenden, wo sie dann in einer Datenbank gespeichert, mit anderen Daten kombiniert und analysiert werden. Zur Kommunikation zwischen Gateway und Server haben sich zwei Protokolle etabliert. Zunächst einmal werden HTTP/REST Web Services verwendet, die sich im Internet-Bereich weitgehend als Standard etabliert haben. Ausgezeichnet für das Internet der Dinge eignet sich allerdings das MQTT Protokoll. (Bild 3 in der Bildergalerie)

Bildergalerie

Obwohl bereits seit 1999 entwickelt erfreut es sich erst jetzt großer Beliebtheit. Ein Grund dafür ist einerseits die Effizienz, speziell im Vergleich zu HTTP. Andererseits ist MQTT sehr robust, was gerade im Fall schlechter Verbindungen (z. B. mobiles Internet) ein Vorteil ist. MQTT ist auf die Übertragung von Telemetriedaten optimiert, was sich auch im Namen – Message Queueing Telemetry Transport – widerspiegelt. Eine spezielle Eigenschaft von MQTT ist, dass Sender und Empfänger einer Nachricht nicht direkt miteinander kommunizieren. Die Kommunikation läuft immer über einen sogenannten Broker, nach dem Publish-Subscribe Verfahren. Das heißt, ein Gerät oder eine Applikation welche Nachrichten senden möchte, sendet diese unter einem sogenannten „Topic“, ein hierarchisch aufgebauter Name. Geräte, bzw. Applikationen welche Daten empfangen möchten geben jene Topics an, zu denen sie Nachrichten empfangen möchten. Es ist dann Aufgabe des Brokers, alle Nachrichten den jeweils interessierten Empfängern zuzustellen. Jeder Teilnehmer (im MQTT Jargon „Client“) kann gleichzeitig Sender und Empfänger sein. Der MQTT Broker ist für die Authentifizierung und Autorisierung der Clients verantwortlich, und die Kommunikation erfolgt üblicherweise verschlüsselt (SSL/TLS), so dass auch ein hohes Maß an Datensicherheit erreicht werden kann. Ein wichtiger Grund für die Beliebtheit von MQTT ist die Verfügbarkeit qualitativ hochwertiger Open Source Implementierungen für eine Vielzahl von Plattformen.

Schneller Einstieg ins Internet der Dinge

Dank kostengünstiger Hardware wie Raspberry Pi und frei verfügbarer Open Source Software ist für experimentier- und spielfreudige Techniker ein Einstieg recht schnell möglich. So bietet z. B. das deutsche Unternehmen Tinkerforge diverse Sensoren und Aktoren an, die über USB einfach mit einem PC oder Kleincomputer, wie z. B. einem Raspberry Pi oder BeagleBone, der als IoT Gateway fungiert, verbunden werden können. Als Software für den IoT Gateway bietet sich das Open Source Projekt macchina.io an. Damit kann eine Applikation für Linux-basierte IoT Gateways in JavaScript entwickelt werden. Programmierschnittstellen zum Zugriff auf verschiedenste Sensoren, als auch Cloud Dienste ermöglichen rasche Erfolgserlebnisse.

Zusammenfassung

Zusammenfassend ist zu sagen, dass das Internet der Dinge keine ferne Zukunftsvision ist, sondern von den ersten Unternehmen bereits gewinnbringend eingesetzt wird. Dazu ist neben der Einführung neuer Technologien jedoch vor allem ein Umdenken auf Geschäftsprozessebene erforderlich. Der Einstieg in die neuen Technologien ist dank kostengünstiger Hardware und Open Source Software recht einfach zu schaffen.

Dieser Beitrag ist auf unserem Partnerportal Elektronikpraxis erschienen.

* Günter Obiltschnig ist Gründer der Open Source Projekte POCO C++ Libraries und macchina.io, IoT Consultant sowie Gründer und kreativer Kopf der Applied Informatics Software Engineering GmbH.

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