Definition
Grundgedanke Internet der Dinge (IoT)
Zielbild
“Relevante Informationen aus der physischen Welt erfassen
auswerten und verfügbar machen; über Sensorik
geeignete Netze und Auswertung.”
Anwendung/Beispiele
Anwendungsgebiet: Tagging
RFID
“Waren haben elektronische Identität; erleichtert Logistik und berührungslose Kassen; Beispiel: RFID im Einzelhandel.”
Identifikation im Vordergrund.
Anwendung/Beispiele
Anwendungsgebiet: Industrial IoT (IIoT)
Industrie 4.0
“Produktionsprozesse erfassen und steuern; bessere Planung
Losgröße 1; Verwaltung tausender Sensoren (Big Data).”
Fokus auf Fertigung/Produktion.
Anwendung/Beispiele
Anwendungsgebiet: Automatisierung
Smart Home
“Umgebungsdaten erfassen und verarbeiten (Temperatur
Sonneneinstrahlung
kollabierter Senior); einfache Konfiguration; Netze mit niedrigem Stromverbrauch.”
Definition
Sensor: Begriff
Überblick
“Technisches Bauteil
das physikalische/chemische Eigenschaften messen kann; wandelt Messwerte in elektrische Signale; unterschiedliche Wirkprinzipien.”
Kein Konsens über exakte Definition.
Anwendung/Beispiele
Sensor: Wirkprinzipien (Auswahl)
Kategorien
“Mechanisch (Manometer)
thermoelektrisch (Thermoelement)
resistiv (Dehnungsstreifen)
Abgrenzung
Aktiver vs. passiver Sensor
Energie
“Aktiv: erzeugt ausreichend Energie (thermo-
piezo-
photoelektrisch)
Verständnis
Netzwerke im IoT: typische Probleme
Ressourcen/Firewall
“Sensoren sind ressourcenlimitiert; Energieverbrauch wichtig; Firewalls blockieren eingehende Verbindungen → Sensor als Server ungebräuchlich; typischerweise nur Upload geringer Datenmengen.”
Sicherheit unter Hardwaregrenzen bedenken.
Definition
ZigBee: Kennzahlen
802.15.4
“Reichweite: bis 100m; Datenrate: bis 250 kbit/s; Energieverbrauch: 360nJ/Bit; Frequenzband: 2
4Ghz oder Sub-1Ghz; Sicherheit: 128bit AES; vollvermaschtes Netzwerk; Kollisionen bei gleichzeitiger WLAN-Nutzung möglich.”
Heimautomatisierung/Sensornetze.
Definition
Bluetooth LE: Merkmale
Charakteristiken
“Reichweite: bis 50m (innen 10m); Datenrate: bis 2Mbit/s; Energieverbrauch: ~75nJ/bit (teils 158pJ/bit); 2
4Ghz; 128bit AES; Lesen
Schreiben
Rechnung/Denkaufgabe
BLE: Akkulaufzeit-Schätzung
gegeben → Ergebnis
“Gegeben: Handyakku 5.000mAh / 5V
1Mbit/s permanent.\n- Annahme gemäß Folie\nEndergebnis: ~15 Jahre Laufzeit.”
Faustzahl aus Folie, nicht hergeleitet.
Definition
IEEE 802.11ah (Wi-Fi HaLow): Merkmale
Niedrigenergie-WLAN
“Reichweite: bis 1km; Datenrate: 150kbit/s bis 347Mbit/s; Energieverbrauch: 200mW–1000mW; Frequenzband: 900 Mhz; Sicherheit: WPA3; unterstützt TCP/IP; Geräte oft zusätzlich 2
4Ghz-kompatibel.”
Einsatz: Smart Home, M2M.
Definition
LoRa WAN: Merkmale
Proprietär
“Reichweite: 2km (urban) bis 15km; Datenrate: 0
3–50kbit/s; Frequenzband: 868Mhz; Sicherheit: 128bit AES; maximaler Payload länderabhängig (EU: 51 Byte
USA: 11 Byte); Netze von Telekommunikationsgesellschaften; Pakete an zentralen Server.”
Definition
NB-IoT (LTE-Cat-NB1): Merkmale
3GPP, 2016
“Reichweite: 2–15km; Datenrate: 0
3–4000kbit/s (typisch 200kbit/s); Frequenzband: 868Mhz; Sicherheit: 3GPP Security; Fokus: niedriger Energieverbrauch
jahrelanger Betrieb mit Knopfzelle; hohe Netzabdeckung (Signal 20dB schwächer ausreichend).”
Architektur/Zuordnung
Netztopologien im IoT
Zuordnung
“Stern: Beispiele LoRa
NB-IoT. Vermascht: Beispiele HaLow
ZigBee.”
Definition
Gateway: Zweck im IoT
Warum?
“Ausgleich der Limitierungen von Sensoren (Energie
Rechenleistung
fehlendes TCP/IP
Verständnis
Protokolle zur Datenübertragung: Überblick
Auswahl
“Industriestandards: OPC UA
ThingWorx Connection. Offene Standards: Publish/Subscribe (MQTT
AMQP
Definition
MQTT: Überblick
Publish/Subscribe
“1999 entstanden
seit 2013 OASIS-Standard; aktuell MQTT 5.0 (2019); einfaches Publish-Subscribe für untypisierte Nachrichten in Topics; seit 5.0 Content-type (MIME) und Header; Broker als zentraler Vermittler; optional TLS; Varianten über UDP oder Bluetooth (MQTT-SN).”
Weit verbreitet im IoT.
Definition
MQTT: Service-Qualitäten (QoS)
Semantik
“QoS 0: at-most-once (einmal senden). QoS 1: at-least-once (Warten auf Bestätigung
bei Ausbleiben erneutes Senden mit DUP-Flag). QoS 2: exactly-once (Bestätigung der Bestätigung). Subscriber kann anderen QoS angeben.”
Höhere QoS = mehr Overhead.
Prozess/Handshake
MQTT: QoS 1 Ablauf
Nachrichtenfluss
“PUBLISH (QoS 1) → PUBACK.”
Einfache Quittung.
Prozess/Handshake
MQTT: QoS 2 Ablauf
Nachrichtenfluss
“PUBLISH (QoS 2) → PUBREC → PUBREL → PUBCOMP.”
Exakt-einmal-Semantik.
Definition
MQTT: Last Will
Verbindungsabbruch
“Client kann beim Verbindungsaufbau einen „letzten Willen“ hinterlegen; Broker publiziert ihn bei Verbindungsabbruch; Abonnenten erkennen Ausfälle und können reagieren.”
Signalisiert Verlust der Verbindung.
Anwendung/Beispiele
MQTT: Broker (Auswahl)
Cloud/On-Prem
“Cloud: AWS IoT
Azure IoT
Google Cloud IoT Core
Definition
CoAP: Überblick
„REST für Embedded“
“IETF-Standard (2014); übernimmt Grundideen von HTTP; binäres Nachrichtenformat; UDP als Transportschicht; Header (Optionen) binär kodiert; eigenes URI-Format; Sicherheit optional über DTLS (shared key oder X.509).”
Später auch TCP und SMS.
