Evaluierung/Entwicklung von IoT-Systemen Edge-to-Enterprise: Lösungen flexibel entwickeln

Die Herausforderungen bei der Evaluierung und Entwicklung von IoT-Systemen sind vielfältig. Benötigt man für neue und bestehende Installationen eine Edge-to-Enterprise-Lösung,helfen einem Tools wie die Visible-Things-Plattform dabei, schnell und einfach zu evaluieren und zu entwickeln.

Das Internet der Dinge führt zu einer technologischen Revolution: Es ermöglicht, bestehendes Equipment effizienter und produktiver einzusetzen. Fast noch wichtiger ist aber die Tatsache, dass man durch Cloud-basierte IT-Technologien und die Implementierung einer Datenanalyse auch autonome Entscheidungsprozesse in nahezu Echtzeit ermöglichen kann. Und mit diesen können sich Unternehmen neue Services und Einnahmequellen erschließen. Die Einführung solcher Technologien ist insbesondere im industriellen Umfeld oftmals komplex und fragmentiert und dadurch auch ein mit Risiken behafteter Transformationsprozess. Die Ausstattung und Infrastruktur in der industriellen Welt ist meist seit Jahren in Betrieb und kann nicht mal so eben und vor allem auch nicht kostenneutral ersetzt werden. Die Einführung neuer Embedded-Hardware und -Software, um smarte Sensortechnologien mit der Cloud und Unternehmenssoftware zu verbinden, wirft zudem auch Fragen bei der Vernetzung, Kompatibilität, Sicherheit und Skalierbarkeit auf. Bei bislang nicht mit dem Internet verbundenen Geräten und Systemen kann dies zu einer ernsthaften Herausforderung werden und die Herausforderungen verschärfen sich zusätzlich, wenn Lösungen von unterschiedlichen Anbietern eingesetzt werden müssen.

Märkte und Anwendungen


Es gibt viele Prognosen zum IoT-Markt. Sie variieren zum Teil stark. Alle gehen aber von hohen Wachstumsraten aus. Deshalb sei an dieser Stelle nur eine genannt: Das Marktforschungsunternehmen IHS prognostiziert eine rasche Expansion für die nächsten Jahre, die zu über 50 Milliarden mit dem Internet verbundenen Devices bis zum Jahr 2025 führen soll. Es wird dabei erwartet, dass rund 20 Milliarden der angebundenen Geräte auf industrielle Applikationsbereiche entfallen. Zu diesen zählen beispielsweise die industrielle Automatisierung sowie die Gebäude- und Hausautomatisierung.

Das Wachstum wird in diesen Segmenten durch zahlreiche neue, höchst unterschiedliche Anwendungsfälle und Fähigkeiten vorangetrieben. Besonders häufig nachgefragt ist dabei die vorausschauende Wartung (predictive maintenance), bei der beispielsweise Produktions- oder Betriebsdaten von Sensoren im oder in der Nähe des Equipments gesammelt und zur Analyse in die Cloud geschickt werden. Durch das umfassende Wissen über Betriebsarten und -zeiten sowie Zustand der Infrastruktur werden damit präzise Diagnosen möglich, die letztlich teure Betriebsstörungen verhindern helfen. Das bringt nicht nur klassisch produzierenden Unternehmen signifikante Vorteile, sondern ist auch für servicekritische Infrastrukturen von essentieller Bedeutung. Die vorausschauende Wartung hat folglich auch erhebliche Auswirkungen auf die Verfügbarkeit von High-Tech-Produktionsprozessen in Smart-Factories und Industrie-4.0-Applikationen.
Eine weitere Schlüsselanwendung ist die Sendungsverfolgung in Transport- und Logistik-Märkten. Der Einbau von Energieeffizienten Sendern in Fahrzeugen und in großen Assets wie zum Beispiel Containern ermöglicht das Echtzeit-Tracking von Sendungen über die Clouds, was Vorteile sowohl bei der Zustellung als auch in Versicherungsfragen bietet. Außerdem lassen sich darüber Logistikwege auf Umschlagplätzen oder Lagerkapazität optimieren.
Ein Beispiel für sich ändernde Geschäftsfelder ist das Bereitstellen von Brandmeldern in Eigenheimen, wo ihre Verbindung zu weiteren Geräten wie Fenster- oder Raumbelegungssensoren es ermöglicht, dem Endkunden umfassende Applikationen und neue Services anzubieten – unter anderem das Schließen der Fenster oder das Absetzen einer SMS an den Hausbesitzer, sofern er sich nicht vor Ort befindet.

Hausforderungen und Verbindungsoptionen

Neben den vielen neuen Möglichkeiten gibt es allerdings auch viele Herausforderungen bei der Entwicklung von Edge-to-Enterprise angebundenen IoT-Lösungen. Dazu zählt ein möglichst geringer Energieverbrauch der Edge-Devices, insbesondere bei schlecht zugängigen und räumlich verteilten Applikationen. Sie müssen nämlich mit kleinen Batterien über eine lange Zeit betrieben werden können. Die Edge-Devices müssen zudem auch eine hohe Skalierbarkeit bieten – bis hin zur Installation von Tausenden oder gar Millionen Geräten, die einfach zu managen sein müssen. Auch die Sicherheitsanforderungen und die Interoperabilität von diskreten Lösungen in den verschiedenen Ebenen der IoT-Kette müssen geklärt sein.

Zudem müssen viele Entscheidungen bei der Anbindung der Edge-Devices getroffen werden. Zu den traditionellen Möglichkeiten zählen WLAN, BLE (Bluetooth Low Energy), Thread oder ZigBee für die Kommunikation im Nahbereich zwischen Edge-Device und Gateway, das oft über Ethernet oder möglicherweise auch WLAN an das Internet angebunden ist. Eine gängige weitere Option besteht darin, das Gateway oder sogar die Edge-Devices direkt über Mobilfunk anzubinden, um die Daten ohne Umwege über lokale Infrastrukturen in die Cloud zu schicken. Dies ist zum Beispiel dann interessant, wenn die Reichweite der lokalen Funkverbindungen nicht ausreicht oder nur ein Edge-Device in einem weiten Areal benötigt wird. Nachteilig ist dabei der hohe Energiebedarf bei der Nachrichtenübermittlung, der nicht immer zu den kleinformatigen Informationspaketen passt, wie sie für IoT-Daten allgemein typisch sind.
Diese Nachteile müssen aber nicht in Kauf genommen werden, wenn alternativ LPWA (Low-Power-Wide-Area) Netzwerktechnologien wie LoRaWAN und Sigfox eingesetzt werden, die eine Nachrichtenübermittlung mit geringem Energiebedarf auch über weitere Strecken ermöglichen. Das grundlegende Konzept von LoRaWAN und Sigfox beruht darauf, dass viele IoT- und M2M-Edge-Devices nur kleine Datenmengen übermitteln und nur mit Batterien geringer Kapazität arbeiten. Beide LPWAN-Technologien ermöglichen bedeutend niedrigere Kosten und geringeren Energiebedarf als Mobilfunk-Technologien. Zudem unterstützen sie große Netzwerke mit Millionen von batteriebetriebenen Edge-Devices.
LoRaWAN bietet Datenübertragungsraten von 0,3 kbps bis hin zu 22 kbps, während Sigfox mit dem UNB (Ultra Narrow Band) arbeitet und somit sogar für noch kleinere Datenmengen bei Übertragungsraten von 10 bps bis zu 1000 bps geeignet ist.
Die durchschnittliche Stromaufnahme eines Sigfox-Modems liegt beispielsweise zwischen 20 mA und 70 mA und bei Inaktivität sogar nahezu bei Null. Diese Eigenschaft verschafft den Edge-Devices eine jahrelange Batterielaufzeit, besonders wenn nur eine gelegentliche und keine kontinuierliche Übertragung gefordert ist. Derzeit ist die Netzabdeckung für Sigfox jedoch noch auf Großstädte begrenzt und das hauptsächlich in Westeuropa, wie zum Beispiel Benelux, Frankreich, Portugal, Spanien und das Vereinigte Königreich.
Daneben gibt es aber auch noch den neuen LPWAN-Standard NB-IoT (NarrowBand IoT), der weltweit von großen Telekommunikationsbetreibern und Geräteherstellern gestützt wird. Die Technologie ist Teil der Mobile-IoT-Initiative von GSMA und soll eine kostengünstige Kommunikation mit niedriger Energieaufnahme für IoT-Netzwerke auf Basis von Mobilfunkstandards liefern. Die Initiative steckt zwar erst in den Anfängen, ist aber durchaus als vielversprechend einzustufen.

Die Edge-to-Enterprise-Plattfrom Visible Things

Um Unternehmen die IoT-Entwicklung zu erleichtern, hat Avnet Silica alle diese optionalen IoT-Bausteine in einer Edge-to-Enterprise-Lösung zusammengefasst. Entstanden ist so eine höchst flexible und umfassende Evaluierungs- und Entwicklungsplattform - die Visible-Things-Plattform. Sie richtet sich an verschiedenste Märkte und ist eine der ersten Plattformen für die Entwicklung von IoT-Applikationen und -Systemen, die von einem Distributor elektronischer Komponenten und Systeme bereitgestellt wird. Die Plattform integriert umfassend getestete, bewährte und sichere Hardware sowie Embedded-Software, mit der man smarte Sensoren und Embedded-Devices über unterschiedliche Gateway- und Netzwerktechnologien an Clouds und Enterprise-Systeme anbinden kann. Hierfür wird eine Vielzahl unterschiedlicher Optionen geboten:

Die Plattform unterstützt alle bereits erwähnten Kurzstreckenanbindungen an Gateways sowie die Wi-Fi-, 3G- und 4G-Mobilfunkanbindung an die Cloud und Enterprise-Systeme. Sie unterstützt zudem Sigfox- und LoRaWAN-IoT-Netzwerke. Deren Anbindung wurde mit speziellen Sicherheitsfunktionen ausgestattet, um die kostengünstige Schmalband-Nachrichtenübermittlung an die Anforderungen an IoT- und Smart-City- sowie für Machine-to-Machine- und Industrie-Anwendungen erfüllen zu können.
Ein weiteres Merkmal der Plattform ist die Bereitstellung von Bauelementen nach dem EUICC-Standard, der von der GSMA vorangetrieben wurde. Diese Silicon-on-Board-Technologie ersetzt normale SIM- Karten und ermöglicht das Hosting mehrerer Mobilfunkanbieterprofile. Wichtig zu wissen ist, dass die EUICC-Technologie Over-the-Air (OTA) programmiert werden kann. So können Applikationen bedarfsgerecht ein bestimmtes Profil zugewiesen bekommen oder wechseln, ohne dass der physische Austausch der SIM-Karte erforderlich ist. Für Kunden im Automotive- oder Smart-Metering-Bereich kann dies von entscheidendem Vorteil sein. Beispielsweise kann der Wechsel des Mobilfunkbetreibers einfach und drahtlos erfolgen, ohne dass innerhalb des – möglicherweise jahrelangen – Lebenszyklus eines Endknotens jemals Hardware ausgetauscht werden muss.
Im Hinblick auf die Sicherheit bietet die Plattform ein hohes Sicherheitslevel mit Sensor-to-Server-, Edge-to-Enterprise- oder Ende-zu-Ende-Sicherheit. Hierfür integriert sie die Embedded Software UbiquiOS, die allgemeine Datenverschlüsselungstechnologien, die Authentifizierung und Verschlüsselung von Internetverbindungen (TLS v1.2) sowie die Validierung von Client- und Server-Zertifikaten (OCSP) bietet. Zusätzlich stellt die Visible-Things-Plattform auch chipbasierte Sicherheitselemente, die sich für den Einsatz in intelligenten Sensor-Edge-Devices eignen zur Verfügung. So integriert die Plattform ein Gateway, das für industrielle Applikationen entwickelt wurde und das eine einzigartige Sicherheitsarchitektur bereitstellt, die Sicherheit auf vollem Enterprise-Niveau bietet - vom IP-Netzwerk bis hin zu intelligenten Sicherheitskonfigurationen am Rande des Netzwerks inklusive der Integration von stromsparenden, nicht-IP-basierten Sensoren, die zum Beispiel via Bluetooth kommunizieren.