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Internt der Dinge

Grundgedanken zum IoT

30. Juni 2014, 15:55 Uhr | Von Thomas Staudinger

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Anbindung an das Internet

Ein Gerät für das Internet der Dinge enthält einen Mikroprozessor sowie einen Sensor, einen Aktuator oder beides und zusätzlich eine Kommunikationsschnittstelle, welche die Verbindung mit dem Internet herstellt. Außerdem muss die Energieversorgung berücksichtigt werden. Nur sehr wenige Halbleiterhersteller verfügen über das komplette Produktportfolio, das zur Umsetzung eines solchen Smart Device erforderlich ist. Genau an dieser Stelle kommt der Distributor ins Spiel, der beim Zusammenstellen und Kombinieren der nötigen Bausteine helfen kann.

Dabei stellt sich die Frage, ob die Internet-Anbindung über eine Kabelverbindung oder drahtlos erfolgen soll. Vor allem wenn die Wahl auf eine Wireless-Verbindung fällt, müssen viele Aspekte beachtet werden, um ein effektives Low-Power Design umzusetzen. Gerade bei der Sensoranbindung fallen oft nur geringe Datenmengen an, die sich mittels schmalbandiger Übertragungsverfahren an einen Konzentrator übertragen lassen, der über einen schnelleren Datenanschluss verfügt. Für Industrie-4.0-Applikationen wird es ebenfalls als Hub fungierende Geräte geben, die mehrere schmalbandige Sensorsignale sammeln und dann über (W)LAN oder Mobilfunk an einen Server beziehungsweise in die Cloud leiten. Auf der schmalbandigen Seite existieren derzeit diverse Übertragungsstandards von Bluetooth und Bluetooth Low Energy (BLE) über ZigBee bis ZWave, deren Kommunikationsschnittstelle die Hubs bzw. Router beherrschen müssen.

Daher ist für IoT-Designs häufig Know-how in den Bereichen Hochfrequenztechnologie, CMOS-Sensoren, Low-Power Design, Mikrocontroller und Datensicherheit erforderlich. EBV differenziert sich auf dem Distributionsmarkt besonders durch seine intensive Unterstützung in zwei Bereichen: Der erste widmet sich den Wireless- und Hochfrequenz-Technologien, die in vielen Designs ein Schlüsselelement darstellen. Der andere deckt die Datensicherheit (Security) ab, wo viele europäische Industriekunden bisher noch kein spezifisches Wissen ansammeln mussten, weil sich diese Problematik vor der Anbindung an das Internet nicht gestellt hat. Ein wesentliches Element eines jeden Systems ist der Mikrocontroller oder Mikroprozessor. Geeignete IoT-Produkte werden von den Halbleiterherstellern in großem Umfang angeboten.

Datensicherheit

Durch das Verbinden von zuvor autonomen Systemen gewinnen die Themen Datensicherheit und Datenschutz an Bedeutung. Security ist mittlerweile ein essenzielles Thema, das trotzdem oft vernachlässigt wird. Um die Privatsphäre sowie Betriebsgeheimnisse zu wahren, ist es wichtig, passende Sicherheitsmaßnahmen bereits von Anfang an im Design zu verankern. Bei Smart Metern gibt es sogar konkrete Vorgaben des Bundesamts für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI), welche Sicherheitskriterien zu erfüllen sind. Obwohl es keine gesetzlichen Vorgaben über das Handling von Daten innerhalb der häuslichen Umgebung gibt, sollten vernetzte Systeme alle sicherheitsrelevanten Daten auf einem angemessen hohen Sicherheitsniveau handhaben, damit ein Abhören oder Manipulieren von diesen verhindert wird.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Schutz des Know-how und der IP des Entwicklungsteams, um das Kopieren mühsam erstellter Hardware- und Software-Designs zu erschweren. Verschiedene Marktführer haben die Bedeutung des IP-Schutzes bereits erkannt und bauen daher entsprechende Schutzmechanismen in ihre Designs ein. Sie setzen FPGAs oder spezielle Security-Chips dazu ein, um entsprechende Sicherheits-Elemente zu realisieren.

Smart Grid

Im Smart Grid und bei Smart Metern ist die Sicherheit der Daten von zentraler Bedeutung. Was passieren kann, wenn Hacker das Stromnetz manipulieren, führt nicht nur der Bestseller-Roman „Blackout“ von Marc Elsberg plastisch aus. Auch eine Untersuchung der Bundesregierung [1] zeigt deutlich, wie elementar ein dauerhaft ordnungsgemäß funktionierendes Stromnetz für die Wirtschaft und die Gesellschaft ist.

Ein Smart Grid soll als intelligentes Netz die flexible Regelung des Energieflusses gestatten, wobei die Einbindung des Verbrauchers eine wesentliche Rolle spielt, der in Zukunft selbst Steuerungsaufgaben übernehmen kann. Die Kommunikation läuft dabei zum Großteil über das Internet der Dinge. Als Schnittstelle zum Verbraucher und zu dessen Heimnetzwerk oder Home-Automation-System dient ein Gateway mit Internet-Anschluss. Waschmaschine, Klimaanlage, Gefrierschrank, Mini-Blockheizkraftwerk, Photovoltaik-Anlage, Rollos und viele Geräte mehr erhalten jeweils ihre eigene Internetadresse und lassen sich bei entsprechender Berechtigung weltweit über das Netz steuern.

Wenn nachts ein Überangebot an Strom herrscht und dieser dadurch zu dieser Zeit preisgünstiger erhältlich ist, können die Energieversorger über das Smart Grid eine entsprechende elektronische Information an die Verbraucher schicken. Verbraucher, die einen Gefrierschrank so programmieren, dass er primär nachts ein paar Grad weiter herunterkühlt als lebensmitteltechnisch gefordert (z.B. auf –25 °C statt auf –18 °C), können Geld sparen, während die Energieversorger die nötigen Abnehmer für ihren Stromüberschuss finden. Genauso könnten die Energieversorger dafür sorgen, dass bei Lastspitzen nur Stromverbraucher aktiviert sind, für deren Tätigkeit eine besonders hohe Priorität eingeräumt wurde, und den Strom zu Spitzenlast-Zeiten zu höheren Preisen verkaufen.

Smart Grids nutzen viele Technologien, die in der Industrieautomatisierung ebenfalls zum Einsatz kommen, so dass dort ähnliche oder die gleichen Mikrocontroller und Wireless-Schnittstellen zum Einsatz kommen. Viele Kommunikationsanwendungen werden vermutlich auf FPGA-Lösungen und SoCs von Altera zurückgreifen, die eine flexibel anpassbare Realisierung solcher Applikationen erlauben und gleichzeitig adäquate Sicherheitsfunktionen integrieren.

Da die entsprechenden Standards im Bereich Smart Grid zum Teil über Software definiert werden, kommt dieser eine immer größere Rolle zu. Über passende Software-Partnerschaften erhalten auch diejenigen Unternehmen Zugang zu der erforderlichen Software, deren Stärke nicht in der Programmierung solcher Basis-Software liegt.

Den ersten Schritt, um die im Rahmen von Smart Grids erforderliche Kommunikation in die Haushalte zu bringen, stellen Smart Meter dar. Innerhalb der Europäischen Union sollen bis 2020 insgesamt 80 % aller Hausanschlüsse ein Smart Meter haben, wobei dieser Zeitplan aus derzeitiger Sicht unrealistisch erscheint. So wird Deutschland höchstwahrscheinlich erst im Jahr 2022 die 80%-Marke erreichen. Im Moment sind nur etwa 15 % der installierten Zähler mit „Intelligenz“ ausgestattet. Somit ist das Smart Grid ein langfristiges Projekt mit zahlreichen Geschäftsmöglichkeiten. Mit den passenden Smart-Meter-Produkten, die für eine clevere Datenanbindung über das Internet of Things mit hohem Verbrauchernutzen sorgen, eröffnet sich ein riesiger Markt.