Internet of Things: Vernetzung von Alltagsgegenständen und Maschinen

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Das Internet of Things (IoT, Internet der Dinge)ist zunächst eine Vision. Durch die Informations- und Kommunikationstechnologien soll eine vernetzte Infrastruktur von Alltagsgegenständen oder Maschinen erreicht werden. Den Gegenständen oder Maschinen wird eine eigene Identität zugeordnet und sie können selbstständig miteinander kommunizieren oder Befehle ausführen.

Auf diese Weise lassen sich verschiedene Anwendungen im privaten oder industriellen Bereich automatisieren und Aufgaben ohne weitere Eingriffe erledigen.

Internet of Things: Die Anfänge einer Vision

Bereits 1991 erläuterte Mark Weiser in seinem Aufsatz „The Computer for the 21st Century“ die Vision eines IoT. Dabei sollen physische Objekte (things) zunächst mit einer eigenen Identität (Adresse) ausgestattet werden, die es ermöglicht, die „Dinge“ eindeutig zu identifizieren. Diese Objekte werden dann mit ihrer virtuellen Repräsentation im Internet verknüpft. Daraus entstehen Strukturen, die nicht nur aus Personen, sondern auch aus Objekten, den things, bestehen. Kevin Ashton prägte 1999 den Begriff des Internet of Things für diese Vision.

Bereits 1991 erläuterte Mark Weiser in seinem Aufsatz "The Computer for the 21st Century" die Vision eines IoT. Dabei sollen physische Objekte (things) zunächst mit einer eigenen Identität (Adresse) ausgestattet werden, die es ermöglicht, die "Dinge" eindeutig zu identifizieren.(#01)

Bereits 1991 erläuterte Mark Weiser in seinem Aufsatz „The Computer for the 21st Century“ die Vision eines IoT. Dabei sollen physische Objekte (things) zunächst mit einer eigenen Identität (Adresse) ausgestattet werden, die es ermöglicht, die „Dinge“ eindeutig zu identifizieren.(#01)

Internet of Things: Die nächste Stufe der Digitalisierung

Mit dem IoT wird eine neue Stufe im Prozess der Digitalisierung erreicht. Es geht dabei nicht nur um industrielle Anwendungen. Das IoT wird auch das private Leben der Menschen grundlegend verändern. Ziel ist die immer stärkere Vernetzung von Geräten und Sensoren über das IP-Netz.

Beim Internet of Things werden Informationen aus der realen Welt automatisch erfasst, verknüpft und im Netz zur Verfügung gestellt. Dabei werden die Zustände der Dinge für das Netzwerk verfügbar gemacht. Ist eine Druckerpatrone beispielsweise leer, erfolgt eine Meldung ans System und es wird automatisch die Lieferung einer neuen Patrone angestoßen, ohne dass ein Mitarbeiter den leeren Zustand bemerken, melden und die Bestellung auslösen muss. Schon dieses einfache Beispiel lässt die Potentiale erahnen, die mit der Vision des IoT verbunden sind.

Als Folge der Entwicklung wird der PC mehr und mehr verdrängt und stattdessen durch smarte Geräte, die sogenannten Smart Devices, substituiert. Zum einen sind dies Smartphones und Tablets, zum anderen verbergen sich dahinter jedoch auch Alltagsgegenstände, die zusätzlich mit Prozessoren, Sensoren und der entsprechenden Netzwerktechnik ausgestattet sind. Es ergeben sich sowohl im privaten wie auch im industriellen Bereich unendliche Möglichkeiten. Unter dem Stichwort Smart Home kann die Heizung, Beleuchtung oder Alarmanlage eines Hauses gesteuert werden.

Im Produktionsbereich wird es möglich, ganze Wertschöpfungsketten automatisiert ablaufen zu lassen. Auf diese Weise wird eine Kommunikation zwischen den Geräten (Machine-to-Machine-Kommunikation, M2M) ermöglicht und außerdem bieten die vernetzten Devices eine Schnittstelle über das Internet. Der Nutzer kann über diese Schnittstelle das Gerät von jedem beliebigen Ort aus steuern. So wird es möglich, bereits beim Einsteigen ins Auto nach der Arbeit, die Heizung im Haus anzustellen oder die Kaffeemaschine zu bedienen.

Die Intention ist sowohl im privaten wie auch im gewerblichen Bereich identisch: Das Internet of Things soll den Alltag vereinfachen und die Potentiale, die moderne technologische Lösungen bieten, möglichst optimal nutzen. Die Anwendungsbereiche reichen vom autonomen Fahren bis zur vollständig integrierten industriellen Produktion und werden das Leben der Menschen mit hoher Wahrscheinlichkeit in ähnlichem Umfang revolutionieren wie die industrielle Revolution im 19. Jahrhundert.

Video: IoT Internet of Things – Das Internet der Dinge

Die technischen Prämissen des Internet of Things

Das IoT basiert auf den technischen Grundlagen des Internets und der Mikroprozessortechnologie. Weil die Mikroprozessoren und Chips immer kleiner und auch immer kostengünstiger werden, ist es überhaupt erst möglich, Devices mit überschaubarem Aufwand mit elektronsicher Intelligenz auszustatten. Die Geräte werden selbst zu Sensoren und Aktoren und lösen dabei Handlungen aus. Es ist ausreichend, den Geräten eine zusätzliche Schnittstelle zu geben, mit der sie ans Netz angebunden werden. Darüber hinaus erhalten die Geräte noch eine eigene Identität in Form einer eindeutigen Internetadresse. Über die Schnittstelle werden jetzt Daten und Befehle gesendet und empfangen. Es stehen verschiedene effiziente drahtlose Kommunikationstechniken zur Verfügung wie beispielsweise WLAN und Bluetooth oder Mobilfunkstandards wie UMTS und LTE.

Eine wichtige Technologie für die Identifizierung der Waren und Güter ist die RFID-Technik (Radio-Frequency Identification – Identifizierung durch elektromagnetische Wellen). Sie ermöglicht die Verfolgung der Waren und Güter in der logistischen Kette. Zu diesem Zweck benutzt ein RFID-System winzige Transponder und vernetzte Lesegeräte. Die erfassten Daten werden im Internet zu den anderen beteiligten Kommunikationspartnern gesendet. Es ist ein Trend abzusehen, dass die RFID-Technologie in Zukunft den Barcode ersetzen wird.

Zu diesem Zweck benutzt ein RFID-System winzige Transponder und vernetzte Lesegeräte. Die erfassten Daten werden im Internet zu den anderen beteiligten Kommunikationspartnern gesendet.(#02)

Zu diesem Zweck benutzt ein RFID-System winzige Transponder und vernetzte Lesegeräte. Die erfassten Daten werden im Internet zu den anderen beteiligten Kommunikationspartnern gesendet.(#02)

Wie verändert das IoT den privaten Lebensbereich?

Die privaten Anwendungen haben das Ziel, das Leben angenehmer, komfortabler und in manchen Bereichen auch sicherer zu gestalten. Zu diesem Zweck werden alltägliche Gegenstände miteinander vernetzt. Ein wichtiger Anwendungsbereich sind intelligente Gebäudeautomatisierungen. Eine weitere Möglichkeit sind Devices, die mit dem Nutzer in Verbindung treten, sobald bestimmte, definierte Ereignisse eintreten. Registriert eine Alarmanlage den unbefugten Zutritt ins Haus, erfolgt eine automatische Benachrichtigung des Hauseigentümers und idealerweise außerdem gleichzeitig der Polizei.

Auch die sogenannten Wearables werden immer mehr genutzt. Dabei handelt es sich um winzige, tragbare Sensoren, die beispielsweise in die Kleidung eingearbeitet werden. Auch kleinste, fast unsichtbare Hörgeräte fallen unter diesen Anwendungsbereich. Durch die Vernetzung kann sichergestellt werden, dass der Träger rechtzeitig, bevor die Batterie ausfällt, informiert wird. Ein Rauchmelder kann außerdem die Rauchentwicklung nicht nur durch ein akustisches Signal melden, sondern direkt eine Warnung an den Hausbesitzer, der sich vielleicht gar nicht im Haus befindet, oder sogar die Feuerwehr schicken. Letztlich sollen die Devices dem Nutzer auch Arbeit abnehmen und ihn im hektischen Alltag entlasten. Ein beliebtes Beispiel ist der intelligente Kühlschrank, der selbstständig feststellt, was fehlt und die Bestellung im Supermarkt auslöst.

In diesem Zusammenhang wird diskutiert, ob die Cloud Lösungen, die die Leistungsfähigkeit der Mobilgeräte determinieren, dafür geeignet sind. Mit den Anwendungen aus dem Bereich IoT sind die tendenziell zu niedrigen Cloud Bandbreiten überfordert. Aktuell werden die Anfragen über ein mobiles Gerät an den Cloud Service übermittelt, der die Anfrage abarbeitet und das Ergebnis zurückmeldet. Mit der Tendenz hin zum IoT wird sich das Vorgehen aber grundlegend ändern, den IoT-Devices zeichnen sich durch andere Charakteristika aus als ein Cloud Service. Zunächst einmal werden sehr viel größere Datenmengen erzeugt. Eine 4-K-Überwachungskamera generiert jede Stunde unglaubliche 80 Terabyte Rohdaten. Die IoT-Daten werden dazu genutzt, dass ein Machine-Learning-System daraus lernt und autonom Schlussfolgerungen zieht. Cloud Services werden jedoch mit Sicherheit für weniger datenlastige oder zeitkritische Anwendungen weiterhin wichtige Aufgaben übernehmen und zudem als Datensammler fungieren.

Welche Nachteile sind mit dem Internet of Things im Privatbereich verbunden?

Es gibt inzwischen eine Vielzahl von Geräten, die für das IoT geeignet sind. Teilweise erschweren jedoch fehlende Standards, die vor allem im Bereich der Datensicherheit erforderlich sind, eine weitere Verbreitung der Technologie. Durch die Vernetzung werden enorm viele Daten gespeichert und es ergeben sich somit neue Angriffspunkte für Hacker. Mit jedem smarten Gerät im Haushalt entsteht eine neue Sicherheitslücke. Außerdem sind die potentiellen Schäden, die von Hackern angerichtet werden können, wesentlich schwerwiegender. Das ist sicherlich auch ein Grund, warum die Menschen dem Thema „autonomes Fahren“ immer noch grundlegend misstrauen. Die Auswirkungen, die ein Hackerangriff hätte, wenn man gerade mit 180 Kilometern pro Stunde über die Autobahn fährt, sind dann vielleicht sogar tödlich.

Cyberangriffe auf das Internet of Things sind ein nicht zu unterschätzendes Problem. Die Entwickler der smarten Devices sehen sich vor die Aufgabe gestellt, diese unter Sicherheitsaspekten zu verwalten. Auch für Nutzer entstehen neue Herausforderungen. Dabei sind sehr viele User schon kaum in der Lage, den PC, das Tablet und das Smartphone durch adäquate Aktualisierungen und die entsprechende Sicherheitssoftware auf den aktuellsten und damit sichersten Stand zu bringen. Sind diese Nutzer dann nicht komplett überfordert, wenn sie sich auch noch um eine steigende Zahl smarter Geräte in ihrem privaten Umfeld kümmern müssen?

Es ist nötig, dass neue Sicherheitsstandards definiert und deren Umsetzung gesichert wird. Darüber hinaus besteht eine weitere Herausforderung darin, die Kompatibilität der Geräte untereinander zu gewährleisten. Bisher versuchen die Hersteller jeweils eigene Plattformen zu etablieren. So muss beispielsweise ein Nutzer, der von einem Fitness-Tracker auf den eines anderen Herstellers wechselt, datentechnisch wieder bei Null starten. Es gibt erste Bestrebungen, dieses Chaos zu beseitigen. Einige Firmen haben sich zu einem „Open Interconnect Consortium“ zusammengeschlossen, um gemeinsame Standards zu entwickeln.

Cyberangriffe auf das Internet of Things sind ein nicht zu unterschätzendes Problem. (#03)

Cyberangriffe auf das Internet of Things sind ein nicht zu unterschätzendes Problem. (#03)

Wie verändert das Internet of Things den industriellen Bereich?

Die Kommunikation zwischen Maschinen bietet in der Produktion von Industrieunternehmen unglaubliche Potentiale. Wenn Maschinen und Anlagen selbstständig digital miteinander kommunizieren und auch noch aus den erhobenen Daten lernen, sich also weiterentwickeln können, wird es möglich, komplette Industrieprozesse zu automatisieren. Dadurch werden die Produktionsabläufe beschleunigt und Kosten gesenkt. Das IoT ist ein zentraler Bestandteil von Business Intelligence und Industrie 4.0 und stellt das Management vor neue Herausforderungen. Ergebnis sind industrielle Prozesse, die sich vollständig selbst organisieren, weil Menschen, Maschinen, Anlagen und Waren direkt miteinander kommunizieren.

Auf diese Weise ist es möglich, ganze Wertschöpfungsketten zu automatisieren und die Effizienz entscheidend zu steigern. Unter dem Stichwort Predictive Maintenance werden Ansätze hin zu einem Internet of Things in der Industrie bereits seit einigen Jahren verwirklicht.

Predictive Maintenance: Wichtiger Anwendungsbereich des IoT

Predictive Maintenance, die vorausschauende Wartung von Anlagen, ist das Schlagwort, unter dem das Internet of Things in die Industrieunternehmen Einzug hält. Dabei wird prognostiziert, wann Maschinen aller Wahrscheinlichkeit nach ausfallen werden. Dann wird vorausschauend eine Wartung initiiert und somit werden hohe Kosten eines ungeplanten Produktionsausfalls vermieden.

Maschinen können kontinuierlich datenüberwacht werden und auf diese Weise wird die Wartung der Anlagen optimiert. Außerdem werden Produktionsengpässe aufgrund ungeplanter Ausfallzeiten im besten Fall vollständig verhindert. Die Produktionsabläufe sind reibungsloser und Kosten werden gesenkt. Für das Management von Industrieunternehmen ist die Realisierung der Predictive Maintenance eine wichtige Kernaufgabe und unverzichtbar, um die Digitalisierung mit dem Ziel Industrie 4.0 umzusetzen.

Voraussetzung ist die Erfassung von riesigen Datenmengen durch das Data Mining und die darauf aufbauende Auswertung in Simulationsmodellen. Diese Entwicklung wurde möglich durch die moderne Sensortechnik, die intelligenten Business Intelligence Tools und letztlich die Kommunikation von Maschinen und Werkstoffen untereinander im Zusammenhang mit dem IoT.

Predictive Maintenance, die vorausschauende Wartung von Anlagen, ist das Schlagwort, unter dem das Internet of Things in die Industrieunternehmen Einzug hält. (#04)

Predictive Maintenance, die vorausschauende Wartung von Anlagen, ist das Schlagwort, unter dem das Internet of Things in die Industrieunternehmen Einzug hält. (#04)

Wohin geht die industrielle Entwicklung des Internet of Things?

Predictive Maintenance ist nur ein, wenn auch wichtiger, Meilenstein hin zur vollständigen Vernetzung von Maschinen und Anlagen, wie sie Industrie 4.0 vorsieht. Weltweit boomt der Markt für Industrieanlagen, die diese Vision erfüllen. Eine Untersuchung des globalen Marktforschungs- und Informationsinstituts Transparency Market Research ergab, dass der Sensorikmarkt als wichtiger Bereich des IoT bis zum Jahr 2023 sein Umsatzvolumen von 4,4 Milliarden Euro auf über 31 Milliarden Euro erhöhen wird.

Immer mehr Industrien forcieren diese Technologien. Besonders Japan, China und der Mittlere Osten investieren in diesem Bereich. Den größten Teil am Weltmarkt machen derzeit Temperatursensoren aus, die nicht nur in privaten Fitnessgeräten, sondern auch in industriellen Geräten eingesetzt werden. Des Weiteren werden immer mehr Maschinen mit Beschleunigungsmessern, Licht- oder Drehratensensoren ausgestattet. Unternehmen aus dem Bereich der Unterhaltungselektronik, Automobilhersteller und das Gesundheitswesen wenden diese Technik bereits vermehrt an. Versorgungsunternehmen ersetzen konventionelle Stromzähler durch Smart Meter, um die Energiewende digital zu bewältigen.

Ein wichtiger Zukunftstrend ist auch die gemischte Nutzung der generierten Daten für private und gewerbliche Zwecke. Fahrzeuge kommunizieren mit den Werkstätten, wenn Fehler auftreten oder die Daten privat genutzter Wearables werden von Versicherungsunternehmen für die Berechnung individueller Tarife genutzt. Es gibt bereits Autoversicherer, die defensives Fahren mit günstigeren Tarifen belohnen. Ebenso kann eine gesunde Lebensführung mit besonderen Tarifen der Lebensversicherung honoriert werden. Letztlich sind der Datennutzung kaum Grenzen gesetzt.

Welche Sicherheitsaspekte müssen beim IoT berücksichtigt werden?

Die Vernetzung birgt immer die Gefahr eines Hackerangriffs oder auch der unbefugten Datennutzung im System selbst. Dabei können persönliche Daten gestohlen und missbräuchlich genutzt oder ganze Industrieanlagen sabotiert und zerstört werden. Diesen Gefahren kann nur mit erhöhten Anstrengungen im Bereich der Security begegnet werden.

Zu diesem Zweck muss die Kommunikation der Anlagen untereinander abgesichert werden. Es muss verhindert werden, dass die Prozesse gestört oder Daten gestohlen werden. Alle Komponenten des IoT sollten vor Hackerangriffen und Schadsoftware geschützt werden.

Die Architektur des IoT muss dafür verschiedene Voraussetzungen erfüllen:

  • Zuverlässiges, sicheres Identitäts- und Zugriffsmanagement
  • Verschlüsselung aller Daten
  • Schutz der Systeme durch Firewalls
  • effektives Software- und Patchmanagement

Neben dem Setzen von Standards wird auch gefordert, die Zertifikatsinfrastrukturen innerhalb der Produktionsanlagen zu reformieren, damit Sicherheitsaspekte angemessen berücksichtigt werden. Außerdem muss die Frage geklärt werden, wer die Eigentumsrechte an den Daten besitzt und wer auf die Daten zugreifen darf. Bisher steht die Nutzung personenbezogener Daten unter Erlaubnisvorbehalt. Es ist also notwendig, schützenswerte personenbezogene Daten exakt von den Maschinendaten zu trennen. Werden beispielsweise Produktions- mit Personaldaten abgeglichen, sind ansonsten Rückschlüsse auf einzelne Personen möglich.

Zu diesem Zweck muss die Kommunikation der Anlagen untereinander abgesichert werden. Es muss verhindert werden, dass die Prozesse gestört oder Daten gestohlen werden. (#05)

Zu diesem Zweck muss die Kommunikation der Anlagen untereinander abgesichert werden. Es muss verhindert werden, dass die Prozesse gestört oder Daten gestohlen werden. (#05)

Der Weg zum IoT und Big Data ist unumkehrbar

Trotz aller berechtigten Bedenken im Bereich Security: Fast 75 Prozent aller befragten Industrieunternehmen gaben an, künftig mehr Maschinen, Anlagen und auch Produkte digital mit intelligenten Sensoren ausstatten zu wollen, um eine Vernetzung mit den Produktionsprozessen zu ermöglichen. Es wird über Erfolg oder Misserfolg eines Unternehmens entscheiden, ob es gelingt, durch die Integration von Daten aus der realen Welt einen Mehrwert für das Unternehmen zu generieren.

Wichtige Voraussetzung dafür ist die lückenlose Datenerfassung entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Das beginnt bei der Idee für ein neues Produkt und endet erst beim Service. Ziel ist das schnelle, flexible Reagieren auf veränderte Kundenbedürfnisse, mit dem sich das Unternehmen von der Konkurrenz abheben kann. Das World Economic Forum geht davon aus, dass bis zum Jahr 2020 eine Billiarde Devices mit dem Netz verbunden sein werden. Die Sensoren sind überall auf dem Vormarsch. Sie werden in Autos, Industrieanlagen und sogar Infrastrukturkomponenten eingebaut und liefern mit den Daten den begehrten Rohstoff für immer neue IoT-Anwendungen.


Bildnachweis:©Shutterstock-Titelbild:TierneyMJ  – #01:agsandrew – #02:REDPIXEL.PL #03: Gorodenkoff – #04:Zapp2Photo – #05:Andrea Danti

Über 

Marius Beilhammer, Jahrgang 1969, studierte Journalismus in Bamberg. Er schreibt bereits viele Jahre für technische Fachmagazine, außerdem als freier Autor zu verschiedensten Markt- und Businessthemen. Als fränkische Frohnatur findet er bei seiner Arbeit stets die Balance zwischen Leichtigkeit und umfassendem Know-how durch seine ausgeprägte Affinität zur Technik.

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