embedded world Conference 2020 Herausforderung IoT

Die embedded world 2020 findet vom 25.-27.02. in Nürnberg statt.
Die embedded world 2020 findet vom 25.-27.02. in Nürnberg statt.

Auf der embedded world Conference 2020 wird das Dauerthema IoT breiten Raum einnehmen. Als wesentlicher Treiber für die Digitalisierung der Wirtschaft und der Industrie hält das IoT für Embedded-Entwickler grundlegende Herausforderungen bereit.

Die Vernetzung von Dingen, also von Sensoren und Aktoren, als Schnittstelle zur physischen Welt wird zunehmend domänenübergreifend. Anwendungen reichen von der Prozess- und Fabrikautomation, der Verkehrstechnik und Logistik über die Heim- und Gebäudeautomatisierung, Telehealth- und Telecare-Anwendungen, die Energie- und Versorgungstechnik (Smart Metering, Smart Grid) und Smart-City-Anwendungen bis hin zur Umwelt- und Sicherheitstechnik. Neben den anspruchsvollen interdisziplinären Anforderungen von Geschäftsmodellen und Marktfunktionen ergeben sich darüber hinaus natürlich auch viele inhaltliche Aufgabenbereiche.

Edge vs. Cloud vs. Fog

Die Anbindung der Sensoren und Aktoren an die Rechner im sogenannten Backend erfolgt in der Regel nicht direkt, sondern über Router und Gateways. Router werden überall dort eingesetzt, wo die Medien gewechselt werden, zum Beispiel von den drahtlosen Zugangsnetzen auf die mediengestützten Internet-Infrastrukturen. Besondere Herausforderungen ergeben sich insbesondere beim so genannten Retrofit, also der nachträglichen Ergänzung von Bestandsanlagen um Sensorik im Zielkonflikt zwischen der Nutzung bestehender Netzwerkstrukturen und der Bereitstellung paralleler Kanäle.

Zusätzlich übernehmen diese Verbindungsknoten nicht nur die Aufgabe einer Zwischenspeicherung, um bei Verbindungsausfall Informationsverlust zu vermeiden, sondern auch einer Vorfilterung. Zunehmend werden die Daten vorverarbeitet, um nicht die gesamten, oft hochaufgelösten Daten komplett ins Backend zu übertragen. Dies ist fast nie kosteneffizient und entspricht auch nicht den Grundsätzen der Datensparsamkeit, sondern führt oft genug zu einer Überlastung der Kommunikationskanäle. Der Router wird also zum Gateway mit Anwendungsfunktionalität (Layer 7).

Hierbei sind viele der realen Installationen jedoch sehr heterogen. Unterschiedliche Daten- und Managementprotokolle werden auf den jeweiligen Ebenen verwendet, Geräte unterschiedlicher Hersteller vernetzt, unterschiedliche Anwendungen verknüpft. Dies führt dann zu der Situation, dass es nicht mehr nur eine, sondern mehrere Gateway-Stufen gibt. Und die Welt ist dann halt nicht mehr schwarz-weiß. Die Informationen sind nicht mehr nur auf dem Edge-Rechner oder in der Cloud, sondern räumlich und zeitlich verteilt, was landläufig als Fog-Computing bezeichnet wird.

Datenmodelle verstehen

In solchen heterogenen und mehrstufigen Systemen ist dann auch die Semantik, die Bedeutung, beziehungsweise die Übersetzbarkeit von Daten und Informationen eine grundlegende Aufgabe. Hier kommen aus den unterschiedlichen Anwendungsdomänen ganz unterschiedliche Lösungen.

Diese reichen vom Generic-Attribute-Profile (GATT) von Bluetooth-Low-Energy aus Sicht der Consumerelektronik über OPC-UA aus Sicht der Industrieautomation bis hin zu Lightweight M2M (LWM2M) aus dem Hintergrund der Mobilkommunikation.

Wie im realen Leben auch, ist das Management der Funktionen – also der tatsächlich arbeitenden Bevölkerung – eine große Herausforderung. Ist es schon schwierig, die Daten und die Datenmodelle zu harmonisieren, so ist dies in Bezug auf die Verwaltung eine noch viel größere Herausforderung. Wie können Filterwerte eingestellt werden, Sicherheits-Features ausgetauscht werden, Identitäten verwaltet werden?

Grundvoraussetzung: Sicherheit

Auf der Grundlage der vernetzten Systeme werden Geschäftsprozesse immer stärker integriert. Regelkreise basieren nicht mehr nur auf Monitoring, sondern immer mehr auch auf automatisierter Steuerung (Control). Folglich gewinnen Kommunikations- und Gerätesicherheit immer mehr an Bedeutung. Sicherheit ist hier als kombinierte Anforderung zu verstehen, die Betriebssicherheit, Arbeitssicherheit, IT-Sicherheit und Privatsphärenschutz berücksichtigt.

Hierbei setzt sich erfreulicherweise immer mehr das Grundverständnis durch, dass die Nutzung der Sicherheitslösungen aus den klassischen IT-Netzen auch für das IoT geeignet sind. Insbesondere das Secure-Socket-Layer-Protokoll TLS 1.2 in Kombination mit Public-Key-Infrastrukturen hat sich zu einer umfassenden und weit verbreiteten Lösung entwickelt, die auch auf kleinen Mikrocontrollern und schmalbandigen Kommunikationskanälen eingesetzt werden kann.

Plattformen als Pauschalpaket

Wurden in der Vergangenheit die heterogenen IoT-Anwendungen typischerweise in einer branchenspezifischen, vertikalen Integration für einzelne Anwendungen entwickelt und betrieben, was zu hohen Entwicklungsinvestitionen und sinnlos teuren Betriebskosten geführt hat, so werden nun immer mehr sogenannte IoT-Plattformen eingesetzt, die als »generische Halbprodukte« flexibel angepasst, erweitert und eingesetzt werden können. Diese sollen den Entwicklern und Betreibern die komplexen und arbeitsaufwändigen Basisaufgaben abnehmen, die für die Einrichtung von IoT-Gesamtsystemen erforderlich sind.

Zusätzlich zu Branchenschwergewichten wie Amazon, IBM und Microsoft haben in den letzten Jahren immer mehr vertikale Anbieter wie Bosch, SAP oder Siemens den Markt betreten. Sie setzen den Schwerpunkt zumeist auf bestimmte Anwendungsgebiete oder Funktionen. Mit dieser Diversifizierung wird der Markt unübersichtlicher. Mit der Entscheidung für eine Plattform bindet man sich an deren Geschäftsmodelle und Interfaces des Cloud-Anbieters. Einen Überblick über die Funktionselemente von IoT-Plattformen auf dem Weg vom Sensor bis zur Cloud zeigt die Grafik.

embedded world

Es gibt also viel Informationsbedarf bei der Integration von eingebetteten Systemen in das Internet der Dinge. Auf der embedded world Conference, die vom 25. bis zum 27. Februar 2020 in Nürnberg begleitend zur gleichnamigen Messe stattfinden wird, werden die beschriebenen Fragestellungen ein Schwerpunktthema sein.

Prof. Dr.-Ing. Axel Sikora
Chairman der embedded world Conference