IoT: Das Gesamtsystem entscheidet

IoT: Das Gesamtsystem entscheidet

von Bernhard Steimel 6. Juni 2017

„Oft liegen, je nach Fertigkeiten, die individuellen Schwerpunkte auf einzelnen Komponenten der IoT-Lösung. Allerdings ist stets das Gesamtsystem zu optimieren, da Leistungsvermögen und Kosten für eine IoT-Lösung vom schwächsten Glied abhängen“, erklärt Christian Pereira, Geschäftsführer des IoT-Spezialisten Q-Loud GmbH.

Die für die Leistung einer IoT-Lösung entscheidenden Komponenten lassen sich sehr gut am Fluss der Daten zeigen. Es gibt insgesamt vier Abschnitte: Datenerfassung, Datenübertragung, Datenspeicherung und die Datenverarbeitung. Entlang dieser Kette gibt es unterschiedliche Infrastrukturelemente, die jeweils eine bestimmte Aufgabe erfüllen.

Komponenten zur Datenerfassung sind die Devices und Gateways. Sie werden oft Edge-Komponenten genannt, da sie sich am Rand der Kette befinden und die Daten zur späteren Übertragung in die Cloud sammeln. Die nächste Komponente ist „Connectivity und Kommunikation“ – hier kommt also das „Internet“ zur Übertragung der gesammelten Daten über Mobil- und/oder Festnetze ins Spiel. Danach gelangen die Daten zur Verwaltung und Speicherung in die IoT Plattform und schließlich werden die Daten dann in IoT Anwendungen analysiert und visualisiert, wobei diese Anwendungen oft über Programmierschnittstellen (API) auf die Daten in der IoT Plattform zugreifen.

Elementar für IoT Systeme ist selbstredend die Security. Entscheidend für die Sicherheit des Gesamtsystems ist die Strategie, Security schon im Gerät zu verankern.

„Q-loud nutzt hierfür ein eigenes Verfahren auf der Basis von Standard Texas-Instrument-Prozessoren“, sagt Christian Pereira.

Es unterstützt im Wesentlichen die Funktionen Identität, Sicherheit und Funkkommunikation in einem Bauelement, welches im Fertigungsprozess mit den notwendigen Protokollen, Schlüsseln und Zertifikaten „betankt“ wird.

Kommunikation mit dem Gateway

Ein wichtiger Standard für das Internet der Dinge in Europa ist heute das 868-MHz-Band. Es wird bereits für einfache Anwendungen wie Alarmanlagen und Funkmikrofone genutzt und hat den großen Vorteil, dass der Einsatz lizenzfrei – aber reguliert – ist. Dieses offene Band ist WLAN für definierte Anwendungsfälle überlegen, da der 868-Funk auch längere Strecken überbrücken kann und die Leistungsaufnahme sehr gering ist. Gerade letzteres ist oft entscheidend, da nicht immer ein Stromanschluss am Gerät realisierbar ist und zudem häufig lange Batterielaufzeiten gefordert sind.

In einer typischen IoT-Lösung ist ein solches Bauelement in andere Geräte verbaut oder mit diesen verbunden, beispielsweise einem Temperatursensor. Das Gerät ist damit in der Lage, per Funk über eine abgesicherte Verbindung mit einem Gateway zu kommunizieren. Das Gateway ist dafür verantwortlich, die Daten zu sammeln und in die Cloud zu senden.

„Unsere IoT-Lösung basiert darauf, dass alle Geräte mit dem Gateway kommunizieren und das Gateway anschließend die Daten in die Cloud sendet“, sagt Christian Pereira.

Die IoT-Geräte sind keine Smart Devices und nur für die sichere Übertragung von Sensordaten geeignet. Lediglich das Gateway ist ein Smart Device im eigentlichen Sinne: Es ist ein Computer, der mit einer IP-Adresse erreichbar ist, mit Linux als Betriebssystem arbeitet und entsprechend Speicherplatz und Rechenkapazität anbietet.

Diese Lösung – Anbindung von Geräten über Gateways an die IoT Plattform – ist optimal, wenn in der Edge mehrere Geräte eingesetzt werden und mit einem Gateway kommunizieren. Werden in der Edge nur einzelne Geräten genutzt, so wird die Connectivity direkt in das eigentliche Gerät integriert und die Daten werden unmittelbar in die Cloud übertragen. In diesen Fällen kann auf die Gateway-Elektronik verzichtet werden: die Kosten für die Hardware liegen damit bei nur wenigen Euro, so dass auch niedrigpreisige Geräte („Kaffeemaschine“) wirtschaftlich sinnvoll vernetzt werden können.

Doch auch Systemlösungen für ganze Anlagen und Maschinenparks sind häufig stark kostenoptimiert: Ein einzelnes, relativ teures Smart Device verbindet sich mit einer großen Zahl an kostengünstigen Simple Devices. Diese sind vom Grundsatz her Massenprodukte. Ein einzelner Chip kostet wenige Euro, ein Gateway dagegen weit mehr als 50 Euro, bei Intel-Geräten auch schon 3-stellig.

„Unter Kostengesichtspunkten ist es empfehlenswert, sehr viele kostengünstige Geräte mit einem einzelnen, höherwertigen Gerät zu verbinden“, meint Christian Pereira.

Es gibt zwei unterschiedliche Möglichkeiten für die Verknüpfung der Geräte im Edge-Bereich. Eine gängige Lösung ist, jedes IoT-Device mit einem bestimmten Gateway zu verbinden, per Funk oder per Kabel. Eine typische Installation in einer Industrieanlage sieht so aus, dass der IoT-Chip in die Steuerelektronik einer Maschine oder eines Gerätes integriert wird und sendet dann Daten an das vorher definierte, zugeordnete Gateway.

Diese Lösungen sind fehleranfällig, denn der Ausfall eines einzelnen Gateways führt sofort zu einem Verbindungsverlust aller angeschlossenen Devices.

„Deswegen haben wir ein anderes Konzept gewählt“, sagt Christian Pereira. „Unsere Funkverbindungen sind wie ein Mobilfunknetz mit Roaming aufgebaut. Sensoren senden (und empfangen) an/von allen Gateways in Reichweite. Das erhöht gegenüber einer Direktverbindung die Ausfallsicherheit und erleichtert die Planung.“

Bei der Q-Loud-Lösung für das Internet der Dinge sind die einzelnen Devices also nicht fest mit einem bestimmten Gateway verbunden. Sie verbinden sich stattdessen mit allen in Reichweite liegenden Gateways. Dadurch können erstens große Flächen und auch mehrstöckige Gebäude problemlos und ohne großen Installationsaufwand abgedeckt werden. Zweitens ist die IoT-Lösung einfach ausfallsicher: Bei Störung eines Gateways wird ein anderes genutzt.

Optimale Rechenleistung zu den besten Kosten

„Kosten- und Leistungsoptimierung sind die beiden wichtigsten Treiber des Edge-Computing“, erklärt Christian Pereira.

Wenn Leistung weniger wichtig ist, können IoT-Systemanbieter kostengünstige, allerdings weniger leistungsfähige Hardware einsetzen. Nicht alle Geräte benötigen unbedingt die Leistungsfähigkeit eines vollwertigen Industriecomputers.

Ein wichtiges Kriterium für die Auswahl der Hardware: Die Rechenleistung muss so dimensioniert sein, dass Datenverschlüsselung zusätzlich zur normalen Datenverarbeitung möglich ist. Verschlüsselungsroutinen erfordern relativ viel Rechenleistung, sodass häufig bereits installierte Geräte unterdimensioniert sind.

Zudem muss die Stromversorgung von beachtet werden. In vielen Fällen geschieht die Versorgung mit einer Batterie. Ein typisches Beispiel sind Rauchmelder: Dort sind Laufzeiten der Batterie von mindestens acht Jahren gefordert. Zusammen mit einem Sicherheitspuffer, unter anderem für die im Handel oft übliche Lagerung, fordern hier viele Abnehmer eine garantierte Laufzeit von einem Jahrzehnt. Dies kann ausschließlich über die 868-MHz-Funktechnologie erreicht werden und erfordert zusätzlich eine Optimierung der Sendevorgänge.

„Die Daten dürfen nicht regelmäßig verschickt werden, sondern nur dann wenn es wirklich notwendig ist“, sagt Christian Pereira.

Ganz generell sind die meisten Devices auf eine möglichst effiziente Systemleistung bei gleichzeitig niedriger Leistungsaufnahme optimiert. Am anderen Ende des Spektrums finden sich Geräte, bei denen ein vollwertiges Computing innerhalb des Edge-Bereichs verwirklicht werden muss.

„Einige Kunden fordern, dass SAP-Anwendungen auf dem Shopfloor arbeiten können“, sagt Christian Pereira.

Ein Beispiel dafür sind Maschinensteuerungen, die auch ohne Verbindung mit der Cloud umfangreiche Rechenoperationen ohne zusätzliche Kommunikationsvorgänge autark bearbeiten können.

Diese Anforderung lässt sich nur mit sehr rechenstarken Geräten verwirklichen, die vollwertige Industriecomputer mit einem ebenso vollwertigen Betriebssystem sind, etwa ein Enterprise-Linux oder Windows 10. Dadurch erhalten die Unternehmen höchstmögliche Leistung, müssen aber entsprechend hohe Kosten kalkulieren.

Connectivity: M2M, WLAN und LPWAN

Auch in der Verbindungsschicht eines IoT-Stacks gibt es verschiedene Möglichkeiten, Leistung und Kosten zu optimieren, unter anderem durch den Einsatz unterschiedlicher Connectivity-Arten. Das häufigste Szenario sind M2M-Karten, die in vielen Geräten eingebaut werden. Sie haben vor allem bei mobilen Einsatzszenarien zum Beispiel in der Logistik wichtige Vorteile.

Üblicherweise wird für den Datenaustausch eine Verbindung zu einem 3G-oder 4G-Netz geöffnet. Ein typisches Szenario ist ein Container, der sich gerade von Rotterdam nach Hamburg bewegt und über das herkömmliche Mobilfunknetz Informationen überträgt, etwa die Innentemperatur oder Daten von einem Bewegungssensor, der die korrekte Behandlung des Containers ermittelt.

Dasselbe Prinzip wird auch für die Tourenverfolgung von Lkw eingesetzt. Mangels anderer Alternativen werden die Daten über das Mobilfunknetz gesendet und erst am Empfangsort an die eigentliche Cloud-Anwendung übertragen. Diese Connectivity-Form ist allerdings ein Kostenfaktor, da bei Benutzung der Mobilfunknetze Übertragungsgebühren entstehen. Ein typischer Tarif liegt hier bei drei Euro für 50 MB Datenübertragung je Monat.

Eine häufig praktisch kostenlose Alternative ist WLAN. Sie wird insbesondere bei Geräten für Privatkunden benutzt, aber auch in Unternehmen. In beiden Fällen wird ein vorhandenes WiFi-Netz eingesetzt, was normalerweise keine zusätzlichen Kosten bedeutet – meist gibt es ja bereits eine WiFi-Flatrate. Die Daten werden anschließend über das Internet in die Cloud gesendet.

„Das hat für unsere Kunden den Riesenvorteil, dass im Geschäftsmodell die unterschiedlichen Mobilfunktarife nicht zu berücksichtigen sind“, sagt Christian Pereira.

Zudem sind viele Konsumenten nicht geneigt, zusätzlich zu einem bestimmten Gerät auch noch eine monatliche Gebühr zu zahlen.

„Wer ein Gerät für ein paar 100 Euro kauft, der will, dass es problemlos und ohne Zusatzkosten läuft.“

Seit einigen Jahren gibt es auch einige neue Technologien für LPWANs (Low Power, Wide-Area Networks), beispielsweise SigFox und LoRa oder NarrowBand-IOT (NB-IOT), eine Weiterentwicklung der Mobilfunktechnologie. Die verschiedenen Anbieter und Netzbetreiber, die diese Technologie entwickeln, versprechen eine besonders effiziente und kostengünstige M2M-Kommunikation.

„Da sehen viele neue Anbieter eine noch nicht erschlossene Goldgrube“, meint Christian Pereira.

Im Moment lässt sich noch nicht absehen, wie kostengünstig die entsprechenden Standards wirklich sind, da sie von den neuen Anbietern oder den etablierten Mobilfunkbetreibern noch nicht im Markt angeboten werden. Außerdem wird mindestens noch ein weiteres Jahr vergehen, bevor die Netze entsprechend ausgerüstet sind. Christian Pereira:

„Es gibt das Gerücht, dass es sich bei NB-IOT nur um ein Softwareupdate handelt. Das stimmt leider nur in Regionen, in denen relativ neue Funkstationen vorhanden sind.“

Aber sei es drum – die Netzbetreiber werden bald eine Entscheidung über den eingesetzten Standard treffen und die Dienste innerhalb der nächsten zwei Jahre anbieten.

Initiativen wie SigFox und LoRa steigen im Moment mit einer sehr aggressiven Preisstrategie in den deutschen Markt ein. Entscheidend für den Erfolg dieser spezifischen IoT-Funknetze ist allerdings, möglichst schnell eine große Flächenabdeckung zu garantieren. Eine Option hierbei sind die Energieanbieter. So wird beispielsweise E.ON sämtliche Smart Meter mit LoRa anbinden. Der Konzern nutzt dafür das LPWAN-Funknetzwerk des deutschen Smart-Meter-Herstellers Digimondo, einer E.ON-Tochter.

Im Moment ist für einen Einstieg in LPWAN der Use Case entscheidend: Wenn Unternehmen einen regionalen Fokus haben, sollen sie beispielsweise die regionalen Versorger ansprechen.

„Eine kleinere Stadt ist recht schnell mit so einem Funknetz ausgeleuchtet“, erklärt Pereira den aktuellen Stand der Technik. „Es ist denkbar, dass zum Beispiel für Parkraumüberwachung schnell eine kostengünstige Lösung aufgebaut werden kann.“

Doch von einer flächendeckenden Versorgung sind die Netzanbieter weit entfernt, die ganze Entwicklung ist noch in einem sehr frühen Stadium.

„Wir empfehlen unseren Kunden, den Markt zu beobachten, und durchaus für den Start hybride Konzepte in Erwägung zu ziehen“, sagt Christian Pereira. „Es dauert sicher noch neun Monate, bevor eine ernsthafte Entscheidung zwischen LPWAN und NB-IOT möglich wird.“

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