IoT in der Praxis

Hochwasserwarnung

Bei starkem Regen oder einsetzendem Tauwetter kommt es in manchen Ortschaften schnell zu Überschwemmungen. Dann werden selbst Bäche zu reißenden Strömen und treten über die Ufer. Der Bonner Bezirk Bad Godesberg ist davon häufig betroffen: In diesem Gebiet führt ein heftiger Starkregen innerhalb kürzester Zeit zu Hochwasser. Die betroffenen Bürger konnten nicht rechtzeitig gewarnt werden und hatten in der Vergangenheit große Schäden zu verzeichnen. Die Stadt Bonn hat sich deshalb etwas einfallen lassen: An vielen Brücken werden jetzt Messeinheiten mit Sensoren montiert, die erkennen sollen, ob der Pegel steigt. Mit Radartechnik werden kontinuierliche Kontrollen vorgenommen. Kommt es zu signifikanten Veränderungen, wird in den Leitständen Alarm ausgelöst, damit sie die Anwohner betroffener Straßen informieren können. Zukünftig sollen sogar automatisch Warnungen über die Katastrophenschutz-App NINA angestoßen werden.

Links:

http://www.godesberg.info/Warnung-Mehlemer-Bach/

https://www.ksta.de/region/rhein-sieg-bonn/bonn/sieben-messstellen-neuer-alarmpegel-soll-bonner-vor-hochwasser-warnen-26697058

Mülltonne voll, Parkplatz leer

Auch Barcelona hat Sensoren installiert, allerdings nicht an Brücken, sondern an Mülltonnen. Die Stadtverwaltung will damit die Müllabfuhr optimieren: Ist die Mülltonne voll, funkt sie die Abfallbetriebe an. Dadurch können die Tonnen bedarfsgerecht geleert werden, in touristischen Zentren öfter, als etwa am Stadtrand. In Hamburg soll IoT-Technik die Parkplatzsuche optimieren. Auf Parkplätzen installierte Sensoren melden per App, ob ein Parkplatz belegt oder frei ist. Autofahrer können darüber zum nächsten freien Parkplatz geleitet werden und sparen sich auf der Suche nach Parkraum so manche Runde um den Block.

Wir sind aber nicht nur auf der Straße von Sensoren umgeben: In der Wohnung halten die Komponenten genauso Einzug, wie auf Bahnhöfen oder Flughäfen. Vernetzte Alarmanlagen und Heizungssteuerungen sollen Komfort und Sicherheit erhöhen: Aus der Ferne wird schon auf dem Heimweg die Heizung eingeschaltet und die Alarmanlage kann aus dem Urlaub überwacht werden. Nicht jeder wird sich dafür begeistern können und nicht immer funktionieren diese Geräte problemlos, dennoch gilt dieser Bereich als Wachstumssektor.

Links:

http://datasmart.ash.harvard.edu/news/article/how-smart-city-barcelona-brought-the-internet-of-things-to-life-789

https://iot.telefonica.com/multimedia-resources/smart-city-services-smart-waste-management

https://www.computerwoche.de/a/intelligent-parken-mit-nb-iot,3331487

Wenn der Koffer mit dem Flughafen spricht

Pro Stunde gehen weltweit 3000 Gepäckstücke verloren. Das ergibt jährlich rund 26 Millionen Koffer und Taschen, die nicht ihr Ziel erreichen. Die Fluggesellschaften koste das 2,6 Milliarden Euro, berichtete Peter Pirklbauer, bei Airbus mit innovativen Technologien beschäftigt, auf einer Veranstaltung zum Thema M2M (Machine To Machine), also der Kommunikation von Maschine zu Maschine. Der Flugzeugbauer startete deshalb zusammen mit dem Gepäckhersteller Rimowa und T-Systems ein IoT-Projekt, bei dem ein intelligenter Koffer konstruiert wurde. Der erhält vom Smartphone Reisedaten, ortet seinen Standort und zeigt auf einem E-Ink-Display passende Informationen und Barcodes für den Transport an. Airlines können diese einscannen und wissen, wo das Gepäckstück herkommt, wo es hin soll und wem es gehört. „In manchen Städten kann der Koffer durchreisen bis ins Hotel“, ergänzte Pirklbauer. Denn auch Transporteure wie DHL oder Taxi-Unternehmen könnten auf dem Display eingeblendete Informationen erhalten oder als Barcode übermittelt bekommen. „Theoretisch kann der Koffer von zu Hause bis ans Ziel alleine reisen“, beschreibt Pirklbauer die Fähigkeit des smarten Gepäcks. Zusätzlich sei noch eine Waage eingebaut, die das Gewicht ans Smartphone und die Fluggesellschaft funkt. Bag-2-Go nennen die drei Firmen ihre Gemeinschaftsentwicklung.

Links:

https://www.heise.de/tr/artikel/Ein-Koffer-der-nicht-verloren-gehen-kann-2166237.html

http://www.vdi-nachrichten.com/Technik-Wirtschaft/Wenn-Koffer-Flughafen-spricht

Die Bezeichnung für Sensoren dieser Art lautet MEMS für Mikro Elektro-Mechanische Systeme. „Intelligente Sensoren sind die Schlüsseltechnologie für die Datenproduktion im Internet der Dinge“, sagte der ehemalige Bosch-Manager Thorsten Müller einst während der Bosch Connected World. Schon 2014 stellte das Unternehmen rund 1,2 Milliarden MEMS-Sensoren pro Jahr her. Neuere Modelle von Bosch können neben Luftdruck, Feuchtigkeit und Temperatur sogar die Qualität der Raumluft ermitteln. Deren minimale Abmessungen von lediglich drei mal drei Millimetern verschaffe dem Unternehmen nach eigener Aussage ein Alleinstellungsmerkmal. Der integrierte Gassensor misst flüchtige organische Verbindungen, VOC, und kann anhand dessen die Luftgüte in Innenräumen beurteilen. Zu den VOC gehören auch Schadstoffe wie Formaldehyd sowie Dämpfe von Lacken und Rauch. Ein solcher Sensor erlaubt neue Funktionen für mobile Geräte, ein handelsübliches Smartphone könnte beispielsweise abhängig von der Luftqualität Heizung, Lüftung oder Klimaanlage automatisch schalten. Sogar für die Navigation in Gebäuden, die nicht zuverlässig per GPS möglich ist, können diese Sensoren eingesetzt werden. Sie liefern durch die Messung von Luftveränderungen Hinweise auf das Stockwerk, in dem man sich gerade befindet.

Link:

http://www.vdi-nachrichten.com/Technik-Wirtschaft/Bosch-mutiert-Internet-Company

Sensoren sind nicht nur in Smartphones zahlreich vorhanden, das Anwendungsfeld erstreckt sich genauso auf das Smart-Home, wie auch die Industrie-4.0. Doch der Einsatz von Sensoren will durchdacht sein: „Man kann nicht einfach die Daten aller Sensoren ins Netz schicken, das verbraucht zu viel Strom und ließe das Mobilnetz kollabieren“, so Müller. Eine intelligente Steuerungssoftware ist erforderlich, um Wichtiges von Unwichtigem zu trennen. Sie steuert auch die Vernetzung der Sensoren, damit der Stromverbrauch minimiert werden kann. Damit sind die Anforderungen für industrielle IoT-Komponenten grob charakterisiert und die Eigenschaften dieser Komponenten werden deutlich: Ein Sensor wird mit einem Netzwerkmodul, etwas Steuerungslogik und einer Batterie gepaart. Dieser Miniaturcomputer ist häufig nicht größer als ein Cent-Stück und in der Regel auf minimalen Stromverbrauch optimiert. Denn diese Bauteile werden häufig an unzugänglichen Stellen eingesetzt. Eine Lebensdauer von zehn Jahren ohne Batteriewechsel ist keine Seltenheit.

Diese Vorgaben stellen an die zumeist drahtlos erfolgende Vernetzungstechnik hohe Ansprüche. Befinden sich alle Geräte in einer Werkshalle, ist die Umsetzung eher trivial. Aber oftmals sind Netzwerkverbindungen über große Entfernungen erforderlich: Ob Ventile eines städtischen Wasserversorgers oder Mülltonnen – beide sind in der Regel über einen gewissen Radius verteilt und deren Sender müssen größere Distanzen überwinden. Echtzeitanwendungen erfordern zudem geringe Latenzen, denn die Zeit zwischen Signal und Reaktion soll möglich gering gehalten werden, damit keine Verzögerungen auftreten. Beispielsweise kann die Zeit zwischen Auslösung eines Steuerungsimpulses und Reaktion der Maschine die Arbeitsgeschwindigkeit eines Systems bestimmen. Im Gegenzug sind die übertragenen Datenmengen bei typischen IoT-Anwendungen normalerweise sehr gering: Einzelne Werte zum Steuern und Messen dominieren, multimediale Daten treten selten auf, außer beim Einsatz von Kameras.

Typische Technologien, wie WLAN oder Ethernet sind diesen Anforderungen jedoch häufig nicht gewachsen, alleine weil sie zu viel Energie verbrauchen oder wie die Smart-Home-Technologien Bluetooth LE, Z-Wave oder enOcean auf eher geringe Reichweiten optimiert sind. Besondere IoT-Netzvarianten stehen inzwischen bereit, etwa LoRaWAN, Sigfox oder LTE-M. Sie erlauben Vernetzungen über große Distanzen bei geringem Stromverbrauch und geringen Datenübertragungsraten, die für Sensoren aber üblicherweise ausreichen. Diese Technologien unterscheiden sich wesentlich darin, ob eigene Netze aufgebaut werden müssen, oder ob die vorhandene Infrastruktur, beispielsweise eines Mobilfunkanbieters genutzt werden kann.

Um den Stromverbrauch gering zu halten, wird die lokale Datenverarbeitung innerhalb der IoT-Elemente auf das Notwendigste reduziert und so weit wie möglich ausgelagert. Ein bisschen digitale Logik ist notwendig, damit die gemessenen Daten erfasst und gesendet werden können. Der Rest findet auf speziellen Plattformen statt. Unternehmen, die solche Plattformen nicht selbst betreiben wollen, können auf zahlreiche Anbieter zurückgreifen, die entsprechende Plattformen in der Cloud zur Verfügung stellen. Dort können Daten ausgewertet und weiterverarbeitet werden. Typischerweise werden Messwerte und andere Daten dort auch archiviert, um langfristige Auswertungen und Prognosen zu ermöglichen, beispielsweise zur Verschleißermittlung oder für Wartungsintervalle von Maschinen.

Unternehmen beginnen verstärkt, den Wert dieser Daten zu erkennen und schätzen die Möglichkeiten moderner Analyseverfahren. Da Speicherplatz und Rechenkapazitäten im industriellen Umfeld nur noch einen geringen Kostenfaktor darstellen, werden so viele Daten erhoben, wie möglich und langfristig gespeichert. Denn durch ständig neue Verknüpfungen der Daten ergeben sich immer wieder neue Erkenntnisse, durch die etwa Produktionsprozesse optimiert werden können. Beispielsweise versuchen KFZ-Hersteller mit Akkuschraubern, die Drehmomente messen können, die Festigkeit von Schraubverbindungen festzustellen. Sie vergleichen die Werte und können minderwertige Schrauben- Chargen frühzeitig aussortieren, bevor mangelhafte Verschraubungen später Defekte hervorrufen.

Links:

https://www.hna.de/kassel/kreis-kassel/volkswagen-werk-verbraucht-jedes-jahr-millionen-schrauben-3593298.html

(Vortrag Dirk Würzler (Volkswagen AG, Verschraubungstechnik) Bosch Connected World 2015)

In letzter Zeit gelangten spektakuläre Hackerangriffe in den Vordergrund, bei denen IoT-Geräte eine zentrale Rolle spielten. Aufsehen erregte im September letzten Jahres eine DDoS-Attacke (Distributed Denial of Service) von bis dahin unbekanntem Ausmaß. Diese Angriffe zielen darauf ab, eine Internet-Präsenz durch Bombardierung mit Datenpaketen aus verteilten Quellen zu blockieren. Im letzten Jahr schossen Angreifer mit rund 650 Gbps auf die Webseite von Brian Krebs. Der investigative IT-Journalist hatte eine Gruppe enttarnt, die mit gekaperten IoT-Geräten DDoS-Attacken durchführte und damit viel Geld verdiente. Dazu hatte sie Schwachstellen in vernetzten Überwachungskameras, digitalen Videorekordern, WLAN-Routern und ähnlichen Komponenten ausgenutzt. Die Quelle berichtet von 100.000 bis 150.00 kompromittierten IoT-Geräten, von denen Attacken dieser Art gleichzeitig ausgingen.

Die meisten Angriffe dieser Art betreffen vorrangig die intelligenteren IoT-Geräte, auf denen sich Schadprogramme installieren lassen. Im IoT wären das also die Gateways bzw. Basisstationen, Clouds oder andere Netzwerkkomponenten.

Einfache Sensoren oder Regler, die kaum Rechenleistung und nur wenig Software haben, sind für solche Angriffe normalerweise wenig attraktiv. Dennoch wird auch bei diesen IoT-Komponenten der Sicherheitsaspekt oft unterschätzt. Wird die Frequenz, auf denen diese kommunizieren, blockiert, funktionieren sie nicht. Wird ihr Datenverkehr manipuliert, könnten beispielsweise bei Strom- oder Wasserversorgern von Unbefugten aus der Ferne Schalter und Ventile beeinflusst oder Daten sensibler Messvorrichtungen mitgelesen und verändert werden.

Schon in der Entwicklung von IoT-Modulen stehen der Stromverbrauch und der Endgerätepreis im Vordergrund und setzen der Sicherheitstechnik Grenzen. So erfordert etwa die Verschlüsselung von Daten zusätzliche Rechenkapazität, die wiederum einen höheren Stromverbrauch zur Folge hat. Die Pflege und Aktualisierung der Software von IoT-Geräten mit langen Laufzeiten ist teuer, was mit dem Ziel billiger Endgeräte ebenfalls in Konflikt steht. Außerdem sind die Verfahren zur Softwareaktualisierungen aus der Ferne noch nicht bei allen IoT-Technologien ausgereift.

Des Weiteren wird im industriellen Umfeld oft vergessen, dass Maschinen durch eine Vernetzung zwar eventuell aus dem Internet heraus erreichbar sind, aber dann auch Unbefugte Zugriff erlangen könnten. Eine entsprechende Absicherung wird jedoch oft nicht oder unzureichend vorgenommen. Immer wieder finden Sicherheitsexperten bei wichtigen Geräten die ab Werk vergebenen Standardpasswörter vor, sofern überhaupt welche vorhanden sind.

Auch bei der Nutzung von Cloud-Plattformen sollten Sicherheitsaspekte nicht vernachlässigt werden.

Links:

https://www.enisa.europa.eu/publications/info-notes/major-ddos-attacks-involving-iot-devices

Die Suchmaschine Shodan findet IoT-Geräte im Internet und hilft beim Aufspüren von Sicherheitslücken: https://www.shodan.io/

Angesichts fortschreitender Digitalisierung in allen Produktions- und Dienstleistungsbereichen scheint es nicht sinnvoll, anstehende Projekte zu verschieben. Die Gelegenheit, frühzeitig innerbetriebliche Kompetenzen aufzubauen und Erfahrungen zu gewinnen, kann einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil darstellen. Zumal Fachkräfte mit dem für diesen Bereich erforderlichen Spezialwissen nicht einfach zu finden sind. Außerdem gebietet der interdisziplinäre Charakter von IoT-Projekten die Zusammenarbeit verschiedener Fachdisziplinen, die zuvor nicht unbedingt miteinander in Kontakt standen: Maschinenbauer müssen sich mit Programmierern verständigen, Elektroniker, Netzwerktechniker und Betriebswirte kommen noch hinzu. Es bedarf erfahrungsgemäß einiger Anstrengungen, ehe diese Spezialisten eine gemeinsame Sprache sprechen. Wie bei neuen Technologien üblich, ist also auch bei IoT-Projekten mit anfänglichen Schwierigkeiten zu rechnen, die Lehrgeld erfordern. Rechtzeitige Beschäftigung mit dieser Technologie kann also verhindern, dass ein Unternehmen ins Hintertreffen gerät. Das gilt sogar dann, wenn man sich gegen eine Eigenentwicklung entschieden hat und entsprechende Hardware und Anwendungen zukaufen will, da man nur dann sachgerechte Aufträge erteilen kann.

Für die gängigen bei Hardwareentwicklern ebenso wie bei Elektronikbastlern beliebten Hardwareplattformen Arduino, Raspberry Pi, libelium, adafruit und viele weitere sind neben den schon lange verfügbaren Kommunikationsmodulen für Ethernet, WiFi und Technologien aus dem smart-home-Bereich inzwischen Erweiterungsmodule für LPWAN-Kommunikationstechnologien wie LoRaWAN oder Sigfox verfügbar. Module für NB-IoT sind angekündigt. Dies ermöglicht den Zugang zu IoT über solche Plattformen. Auch Intel hat IOT-Geräte für Entwickler im Programm. Das Quark-D2000 Board, dessen Stiftleisten angabegemäß Arduino-kompatibel sind, stellt erheblich mehr Rechenleistung zur Verfügung und wird mit einer eigenen IDE programmiert (https://www.mouser.de/new/Intel/intel-d2000-dev-kit/).

Die Technologiestiftung hat eine ausleihbare Bildungsressource, „Hackingbox IoT-Edition“, angekündigt, die in Berlin interessierten Dritten zur Verfügung steht. Diese besteht aus Leih-Gateway, Arduinos, LoRaWAN-Kommunikationsmodulen und Experimentieranleitungen.

Links:

http://www.technologiestiftung-berlin.de/hackingbox

Auch für die softwareseitige Beherrschung von IoT existieren unterschiedliche „Baukästen“, die dazu dienen, schnell Applikationen entwickeln zu können.

Seit 2010 existiert die Plattform „if this than that“ (IFTT). IFTT ermöglicht es jedermann, kostenlos eigene Dienste und eigene Sensoren über die IFTT-Server auf seinem Smartphone zu seiner eigenen Anwendung zu verknüpfen.

Weitere „Baukästen“, die stark von der Anwendungsseite/Softwareseite her gedacht sind und darauf fokussieren, möglichst schnell Demo-Applikationen erstellen zu können, sind geeny.io oder die Hardware/Software/Cloud/App-Kombination von globio.biz aus Potsdam.

Ähnliche Ansätze aus Berlin im eher industriellen Bereich, die auf die  Verknüpfung von IoT-Daten mit eigenen System bzw. Daten zielen, sind z.B. Relayr und m2mgo.

Ein Engpass für erste Experimente ist der Zugang zu IoT-Netzen. In Berlin ist bisher kein IoT-Netz flächendeckend in Betrieb. Neben den Aktivitäten von The Things Network (TTN) sind solche Netze von Sigfox (Sigfox-Technologie), Deutsche Telekom (Narrowband-IoT) und dem Berliner Startup MatchX (LoRaWAN) angekündigt. Außerdem ist ein Netz von eMessage flächendeckend verfügbar, das bisher allerdings nur Downlinks zu Endgeräten erlaubt. Testzugänge zu den Datenplattformen und – sofern vorhanden – zu ersten Testinstallationen sind bei den meisten Netzwerkprovidern erhältlich. Private IoT-Netze im Kundenauftrag, z.B. für Zählerfernablesungen, errichten etliche Berliner Unternehmen.

Zugang zu einschlägigen Veranstaltungen zur IoT bietet z.B. die Plattform meetup.com, die in Berlin eine ganze Reihe Veranstaltungs-Gruppen zu vielfältigen IoT-relevanten Themen bietet.

Spezialisiert auf die IoT ist die Eventplattform iotevents.org, mit deutlich indutriellem Fokus auch die Website des industrial internet consortiums.