IoT Technologie Stack – Alles was du wissen musst in einer Übersicht.

Ein Überblick auf die IoT-Technologien und Schichten des IoT-Technologie-Stacks: IoT-Geräte (einschließlich Sensoren und Aktoren), IoT-Gateways (und Gerätemanagement) und IoT-Plattformen.

Die IT wird zu einem integralen Bestandteil des Produkts selbst, und diese intelligenten, vernetzten Produkte erfordern, dass Unternehmen eine völlig neue Technologie-Infrastruktur aufbauen und unterstützen.

Das IoT besteht aus mehreren technologischen Schichten, die alle eine Rolle auf dem Weg von der einfachen Verbindung von “Dingen” und IoT-Geräten bis hin zur Erstellung von Anwendungen spielen, die einem klaren Ziel dienen, sei es für Verbraucheranwendungen oder IoT-Projekte in Industriequalität.

Die eingesetzten Technologien sollten immer die IoT-Technologien sein. Da es natürlich mehrere Umsetzungsmöglichkeiten gibt und die wichtigsten vom Ziel abhängen. So gilt es den IoT-Technologie-Stack auf die jeweiligen Anwendungsfälle abzustimmen. Der IoT Stack besteht in der Regel aus verschiedenen Schichten, beginnend mit IoT-Geräten, und unzähligen Technologien pro Schicht.

In diesem Artikel werfen wir einen ersten Blick auf den IoT-Technologie-Stack und beginnen mit drei Schichten dieses IoT-Technologie-Stacks. Die erste ist die IoT-Geräteebene; denn ohne genaue Sensoren, Aktoren und IoT-Geräte im Allgemeinen gibt es keine genauen Daten und ohne genaue Daten kein Internet der Dinge, geschweige denn IoT-Projekte oder Produkte/Dienstleistungen.

Die zweite Ebene ist das IoT-Gateway, welches wir eingehender behandeln werden, das aber einen Platz als Layer und sicherlich in einer Übersicht über die IoT-Geräteschicht verdient, mit der es stark verbunden ist und für die es eine notwendige Ebene für die nächsten Schritte von umsetzbaren Daten- und Geschäftsanwendungen oder Verbraucheranwendungen und -diensten darstellt. Die dritte Ebene ist die IoT-Plattformebene, auf der wir uns mit den Geschäfts- und Verbraucheranwendungen und -diensten verbinden, sowie die Entwicklung dieser Dienste und das Management und die Verbindung mit den ersten beiden Schichten.

IoT-Technologie – IoT-Geräte

Das Internet of Things schließt die Lücke zwischen der physischen und der digitalen Welt, und das beginnt bei den Dingen selbst. Es gibt mehrere IoT-Geräte im weiteren Sinne. Einige sitzen am Rande des Netzwerks (Edge Computing), wo die eigentliche Verbindung der Dinge stattfindet. Andere beinhalten IoT-Gateways, welche es ermöglichen, tatsächlich etwas mit den Daten aus IoT-fähigen Dingen oder verbundenen Objekten zu machen. Allerdings werden wir IoT-Gateways nicht wie IoT-Geräte zählen, wie es einige tun; es ist eine andere IoT-Technologie-Schicht und nicht einmal unbedingt Hardware, wie wir sehen werden.

Inhalt dieses Beitrags:

• Was ist die IoT-Technologie? Der IoT-Technologie-Stack
• IoT-Geräte und angeschlossene physikalische Dinge
• IoT-Geräte: Sensoren
• IoT-Geräte: Aktoren
• IoT-Gateways: Geräte am Schnittpunkt von Geräten/Daten und IoT-Plattformen
• IoT-Technologie jenseits des Gateways: IoT-Plattformen
• Was ist die IoT-Technologie? Der IoT-Technologie-Stack

Was sind die IoT-Technologien? Der IoT-Technologie-Stack

Der IoT-Technologie-Stack ist nichts anderes als eine Reihe von Technologien, Standards und Anwendungen, die von der einfachen Verbindung von Objekten mit dem Internet zu den einfachsten und komplexesten Anwendungen führen, die diese verbundenen Dinge nutzen, die Daten, die sie sammeln und kommunizieren, und die verschiedenen Schritte, die erforderlich sind, um diese Anwendungen zu betreiben.

Ohne diesen IoT-Technologie-Stack gäbe es keine Möglichkeit, etwas mit IoT-Geräten zu machen und keinen Grund, Dinge mit dem Internet zu verbinden. Der IoT-Technologie-Stack umfasst also alle notwendigen Technologien, um vom IoT-Gerät und den Daten zu einem tatsächlichen Zweck und Ziel oder einem sogenannten IoT-Anwendungsfall zu gelangen.

Doch obwohl es einfach aussieht, bestehen die verschiedenen Schichten aus mehreren Technologien und Optionen für ein IoT-Projekt. Darüber hinaus geht es nicht nur darum, die richtigen Technologien über den gesamten IoT-Technologie-Stack hinweg zu kombinieren, sondern auch auf Sicherheit, Energie- und Kosteneffizienz zu achten. Darüber hinaus gibt es in der Praxis noch einige Herausforderungen auf der Ebene der Interoperabilität all dieser technologischen Elemente, die in der Lage sind, miteinander zu sprechen, da es unterschiedliche Standards gibt. Wenn wir zudem bestehende vernetzte Geräte so einbeziehen, wie sie schon seit langem in Bereichen wie Gebäudemanagement oder Fertigungstechnik existieren, wird diese Herausforderung noch größer.

Betrachten wir die erste Schicht des IoT-Technologie-Stacks: IoT-Geräte. Beachtet, dass es verschiedene Versuche gegeben hat, den IoT-Technologie-Stack darzustellen und zu konstruieren (und innerhalb jeder der Schichten verschiedene Protokolle, Anbieter/Player und Sublayer).

Als Cisco noch über das Internet of Everything (IoE) sprach, hatte es auch einen IoE-Technologie-Stack gegeben, der mehr aus dieser IoE-Vision aufgebaut war. Andere haben sich stark auf den IoT-Technologie-Stack konzentriert, indem sie ihn mit vielen bestehenden Netzwerkmodellen wie OSI und TCP/IP verglichen haben.

IoT-Geräte und angeschlossene physikalische Dinge

Die Dinge oder Geräte, die Sensoren und so weiter sind also die erste IoT-Technologie-Stack Schicht. Ein IoT-Gerät kann viele Farben und Formen annehmen.

IoT-Geräte beinhalten Wandler wie Sensoren und Aktoren und unzählige Objekte, die oft als “intelligent”, “intelligent” oder einfach nur “alt” bezeichnet werden (intelligente Glühbirnen, angeschlossene Ventile und Pumpen, intelligente Zähler, angeschlossene Autos, intelligente oder intelligente Gebäudekomponenten, intelligente Heimgeräte usw.).

Wenn man von einem IoT-Gerät spricht, denkt man nicht an Sensoren oder Aktoren oder all die anderen Dinge, die damit zusammenhängen, wie z.B. Boards, Prozessoren/Chips, Transceiver, mikro-elektro-mechanische Systeme oder ähnliches.

Sie denken an intelligente Geräte wie die genannten oder an Wearables, intelligente Straßenbeleuchtung, Aktivitätsverfolger, intelligente Raumsteuerungen, intelligente Thermostate, Bewässerungssteuerungen oder vielleicht an kollaborative Roboter, intelligente Fertigungsanlagen, Gesundheitsüberwachungsgeräte (auch im Körper), Haustiere oder private Vermögenswerte, die mit einer Ortungstechnologie und, ja, dem guten alten angeschlossenen Kühlschrank versehen sind. Die Liste ist endlos, wenn man anfängt, Landwirtschaft, Schwerindustrie, Einzelhandel, intelligente Digital Signage und weitere hinzuzufügen.

Es wurde vorgeschlagen, die Denkweisen und die IoT-Geräte in diesem breiteren Kontext zu betrachten, in dem alle Arten von Komponenten (Hardware, Software, Verbindung) und sogar zugehörige Dienste in einem Gerät vereint sind. Was uns im Rahmen dieses Artikels aber am meisten interessiert, sind die Sensoren und Aktoren.

Ein verbundenes Objekt kann einige oder mehrere tausend Sensoren und Wandler aufweisen. Eine Telematikbox, wie sie in Autos für die Autoversicherung verwendet wird, hat typischerweise ein paar Sensoren, eine Ölplattform kann Zehntausende haben. Lassen Sie uns einen tieferen Blick auf Sensoren, Aktoren und mit dem IoT verbundene “Dinge” werfen.

Beachtet, dass es angesichts der Tatsache, dass es sich bei IoT-Geräten im Wesentlichen um die Erfassung und Kommunikation von Daten handelt, auch eine Kommunikationskomponente gibt: die der Geräteanbindung, bei der die physischen Dinge und Controller durch Kommunikations- und Verarbeitungseinheiten verbunden werden.

Einige fügen dies als separate Schicht zum IoT-Technologie-Stapel hinzu, aber es überschneidet sich – teilweise – mit der Schicht der IoT-Gateways und der Schicht der IoT-Konnektivität und der IoT-Kommunikationsnetzwerke, die wir als separate IoT-Schicht aufzeigen (allerdings nicht in diesem Artikel).

IoT-Geräte: Sensoren

Sensoren existieren schon lange vor dem IoT in seiner heutigen Bedeutung und sind allgegenwärtig in z.B. Gebäuden, Fabriken, Energie und vielem mehr.

In all diesen Fällen sind Sensoren Teil des digitalen Datenrückgrats vernetzter und intelligenter Lösungen. Alles, was mit “Smart” und IoT zu tun hat, basiert auf Sensoren und anderen Arten von Wandlern, die wir im Folgenden sehen werden.

Ein Sensor ist eine Vorrichtung, die eine bestimmte physikalische Größe wie Licht, Wärme, Bewegung, Feuchtigkeit, Druck oder ähnliche Größen erfasst, misst oder anzeigt, indem sie diese in eine andere Form umwandelt, die meist elektrische Impulse sind.
Ein Wandler wandelt ein Signal in Form von Energie in ein Signal in einer anderen Form um. Im Zusammenhang mit IoT-Sensoren bedeutet dies einfach, dass Sensoren in der Lage sind, Bedingungen in oder um das IoT-Gerät, in dem sie sich befinden, und in und um das (Zustand und Umgebung von) physischen Gegenständen, an denen sie befestigt sind, zu erfassen. Sensoren können die Ereignisse oder Veränderungen in der Umgebung und für die Zwecke, für die sie konzipiert wurden, erkennen und über diese Ereignisse oder Änderungen spezifischer Parameter an Systeme und andere Geräte kommunizieren, die diese Daten dann für Aktionen, Analysen usw. verwenden können.

In einem IoT-Kontext können wir auch die Definition eines Artikels aus dem Jahr 2016 auf dem globalen Sensormarkt bis 2022 verwenden: “Ein Sensor ist ein Gerät, das eine bestimmte physikalische Größe wie Licht, Wärme, Bewegung, Feuchtigkeit, Druck oder ähnliche Größen erkennt, misst oder anzeigt, indem es sie in eine andere Form umwandelt, die meist elektrische Impulse ist”.

Unter den Umgebungsparametern sind Faktoren und Ereignisse, die Sensoren “erfassen” und kommunizieren können, Parameter wie Schall, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Vorhandensein bestimmter chemischer Komponenten oder Gase, Licht, Belegung (z.B. eines Raumes) und vieles mehr. Es ist klar, dass Sensoren essentielle IoT-Komponenten sind und sehr genau sein müssen, denn dort werden die Daten zunächst erfasst.

Es gibt über 100 verschiedene Arten von Sensoren. Sie können einzeln oder auf sogenannten Sensorboards erworben werden, die so konzipiert sind, dass sie mehrere Sensoren erfassen, die im Rahmen eines IoT-Anwendungsfalles oder -Projekts benötigt werden. Es gibt Sensorplatinen für Anwendungen wie die intelligente Überwachung der Luftqualität in Städten und intelligente Verkehrsanwendungen. Es gibt auch Sensorboards, mit denen Sie IoT-Anwendungen ausprobieren oder genau die Boards bauen können, die Sie für eine bestimmte Anwendung benötigen, indem Sie die gewünschten Sensoren hinzufügen.

Wie gesagt, Sensoren sind alles andere als jetzt und waren in vielen Branchen allgegenwärtig, bevor jemand überhaupt den Begriff IoT hörte. In den heutigen Smart Buildings, Smart Factory Projekten von Industry 4.0, Smart City Projekten und allem, was Smart und IoT-bezogen ist, sind sie noch allgegenwärtiger und sowohl das Angebot als auch die Technologien haben sich weiterentwickelt.

IoT-Geräte: Aktoren

Genau wie Sensoren sind Aktoren Wandler. Und genau wie Sensoren werden sie schon seit geraumer Zeit eingesetzt und sicherlich schon vor dem IoT als Begriff geprägt.

Während Sensoren erfassen und senden, wirken und aktivieren Aktoren. Das Stellglied erhält ein Signal und setzt in Bewegung, was es in Bewegung setzen muss, um auf/innerhalb einer Umgebung zu reagieren. In gewisser Weise könnte man sagen, dass ein Stellglied das Gegenteil von einem Sensor tut, und es ist mindestens genauso wichtig, auch wenn heute die meisten Unternehmen Daten erfassen und analysieren, geschweige denn Daten als Auslöser dafür verwenden, dass “etwas” in der physischen Welt geschieht, in der ein beträchtlicher Wert liegt, und zwar nicht nur im Rahmen der Automatisierung, sondern auch in Consumer-IoT-Anwendungen.

Lassen Sie uns den Einsatz von Stellgliedern aus IoT-Sicht greifbarer machen:

Ein Beispiel wurde in unserem Artikel über die Entwicklung des Gebäudemanagements im Zeitalter des IoT behandelt und geht einfach ausgedrückt so weiter: Stellglieder sitzen auf Ihrem Heizkörper oder steuern den Luftstrom in einem intelligenten Raum in einem intelligenten Haus oder einem intelligenten Gebäude; Sensoren erkennen, dass sich niemand im Raum befindet; Stellglieder werden auf eine niedrigere Temperatur ausgelöst (oder stoppen die Klimaanlage oder was auch immer); das Steuerungssystem meldet die Entscheidung an das Managementsystem zurück (mit der daraus resultierenden Energieeinsparung) und alle sind glücklich.

Es wird erwartet, dass der Aktor-Markt bis 2025 mit einer CAGR von 5,4% wächst.
In diesem Sinne können Sie sich viele andere Szenarien vorstellen. Besprechungsraumbeleuchtung, Klimaanlage und Heizung sind ausgeschaltet; der Mitarbeiter nähert sich dem “intelligenten Büro”, sucht in seiner App nach freiem Besprechungsraum und bucht ihn für die Besprechung; Stellglieder erhalten Signale, um sicherzustellen, dass der Besprechungsraum dem entspricht, was man von einem gesunden, komfortablen Besprechungsraum erwartet.

OK, wir lassen es etwas einfacher klingen, als es ist. So wie es viele Arten von Sensoren gibt, so gibt es auch viele Arten von Stellgliedern und deren Verwendung.

Elektrische Stellglieder können ihre Energie in mechanisches Drehmoment umwandeln, andere Stellglieder können Ventile steuern (denken Sie an Kombinationen mit Sensoren bezüglich z.B. Wasserlecks), und so weiter. Es ist die Nahrung für einen eigenen Artikel, aber das Bild ist hoffentlich klar.

Im Rahmen des IoT geht es bei Aktoren in den meisten Fällen darum, etwas durch Kraftaufwand ein- oder auszuschalten. Aber auch in der Industrie oder Robotik gibt es viele Anwendungen, wie z.B. den Einsatz von Stellgliedern für Greifer. Und es gibt sicherlich auch intelligente Geräte in Verbraucheranwendungen, bei denen man gut sehen kann, wie Sensoren und Aktoren zusammenarbeiten, zum Beispiel bei der Verbesserung des Schlafes.

IoT-Gateways: Geräte am Schnittpunkt von Geräten/Daten und IoT-Plattformen

In mehr als einem Sinne können IoT-Gateways auch unter IoT-Geräte eingeordnet werden. Ein IoT-Gateway kann Hardware sein, aber es kann auch Software und oft eine Kombination aus beidem sein, und angesichts der zunehmenden Funktionen von IoT-Gateways ist es am besten, sie als separate Schicht zu betrachten, nicht zuletzt wegen dieser Funktionen und der technologischen Aspekte.

IoT-Gateways gibt es in vielen Formen und Formen, gerade weil sie (eine wachsende Anzahl von) Aufgaben erfüllen können. Mit anderen Worten: Die Nutzung von IoT-Gateways verändert sich im Vergleich zu den früheren Tagen des IoT. Und das hat alles mit dem ursprünglichen Umfang eines IoT-Gateways zu tun und wie die Entwicklungen im IoT zu einer stärkeren Bündelung von Funktionen im Gateway führen, das aufgrund seiner wesentlichen Funktion als Bridge, also Gateway, ideal positioniert ist, um diese Funktionen auszuführen.

Im Wesentlichen spielt ein IoT-Gateway eine entscheidende Rolle an der Schnittstelle von IoT-Geräten im engeren Sinne (und damit den Daten von IoT-Geräten) und dem Netzwerk, der Cloud oder dem Rechenzentrum, wie in unserem ausführlichen Artikel über IoT-Gateways erläutert, wo Sie auch sehen können, dass es Gateways für das Industrial IoT gibt, Gateways für das sogenannte Edge Computing, Gateways für die Heimautomation, wo sie die Kommunikation zwischen Heimsensoren und Cloud-Services aggregieren und orchestrieren und vieles mehr.

Dies ist also eine breite Ebene mit mehreren Geräten, Technologien, Lösungen (Soft- und Hardware) und Funktionen. IoT-Gateways werden de facto für die Konnektivitäts-Aggregation, -Verschlüsselung und -Entschlüsselung von IoT-Daten (Security), die Übersetzung der verschiedenen Protokolle, die in der gesamten IoT-Technologie-Landschaft vorhanden sind, wie erläutert, das Management und Onboarding von IoT-Geräten, die erwähnten Edge-Computing, Remote Control und Management, Preprocessing und Aggregation von Daten und so weiter verwendet.

Einfach gesagt: Sie spielen eine entscheidende Rolle auf mehreren Ebenen, aber wie der Name schon sagt, sind IoT-Gateways im Wesentlichen genau das: Sie sind ein Gateway zwischen der IoT-Geräteebene und den Technologien und Umgebungen, in denen die Daten von IoT-Geräten wirklich genutzt werden.

Da es mehr IoT-Geräte und damit mehr IoT-Daten gibt, ist es leicht zu verstehen, warum mehr Funktionen und Ziele in IoT-Gateways zusammengefasst sind. Viele Sensoren mit oft wirklich vielen Datenpunkten bedeuten, dass eine Vorverarbeitung im Gateway möglich ist und dass Gateways und die Analyse von Daten insgesamt zunehmend auf die Edge- und Edge-Gateways übergehen.

Wie Sie in unserem Artikel über die Auswirkungen von IoT-Daten auf die IT-Infrastruktur lesen können, findet die Analyse von IoT-Daten jedoch noch immer in einem Rechenzentrum statt. Daher die große Vielfalt an IoT-Gateways, vom Edge über das Netzwerk bis hin zur Cloud, was immer die Menschen wollen. Im Rahmen dieser Schicht ist auch das IoT-Gerätemanagement hervorzuheben, das bei IoT-Plattformen auf der Ebene der M2M-Funktionen von zentraler Bedeutung ist.

IoT-Technologie jenseits des Gateways: IoT-Plattformen

Die dritte Schicht des IoT-Technologie-Stacks besteht aus IoT-Plattformen. Es ist wieder eine breite Kategorie von Anwendungen mit mehreren potenziellen Funktionen.

Mit IoT-Plattformen sind wir in der Software und insbesondere in der Middleware zwischen den eher hardwarebezogenen Schichten von IoT-Geräten und IoT-Gateways einerseits und den Geschäfts- und Anwendungsebenen andererseits. Allerdings ist es (mehr) nicht so einfach.

Der Begriff IoT-Plattform ist weit verbreitet, aber nicht jeder bedeutet dasselbe, wenn er darüber spricht. Um es noch schlimmer zu machen, gibt es mehrere Arten von IoT-Plattformen, und angesichts der Entwicklungen, die wir in Bezug auf IoT-Gateways angesprochen haben, haben Sie es erraten, auch hier werden zusätzliche Funktionen hinzugefügt. Darüber hinaus wird in den aktuellen Kriegen um die IoT-Plattform und mit über 400 verschiedenen IoT-Plattformen ein ständiger Wandel zur Spezialisierung und Differenzierung vollzogen. Und tatsächlich ist keine IoT-Plattform die gleiche.

Wie wir in einem Artikel über den Markt für IoT-Plattformen erwähnt haben, ist eine IoT-Plattform im engeren Sinne eine IoT Application Enablement Plattform. Dieser Name deckt ziemlich genau ab, was er tut. Darüber hinaus gibt es IoT-Device-Management-Plattformen (DMPs), bei denen das IoT-Device-Management praktisch immer in IoT-Plattformen insgesamt vorhanden ist, Analyseplattformen und IoT-Orchestrierungsplattformen, um nur einige zu nennen, wie Sie in diesem Artikel über IoT-Plattform-Tests lesen können.

Digitalisieren oder Die CoverAls Nicolas Windpassinger, Autor des IoT-Buchs Digitalisieren oder Die, der sich auch mit dem IoT-Technologie-Stack beschäftigt, heißt es: “Die verschiedenen Arten von IoT-Plattformen sind zu unverzichtbaren Enablern geworden, zu einem Mittel, um Daten zu sammeln und zu verstehen und die richtigen Dienste zur richtigen Zeit bereitzustellen”.

Genau: Es geht um die Geschäftsergebnisse und Dienstleistungen. Wie Robert, der IoT-Plattformen als Anbieter von Dienstleistungen wie Konnektivitätsunterstützung, Service Enablement, Device Management Application Support und Solution Provider Services sieht, in einem Interview mit Joseph Bruner, CEO, zitiert, “ist die große Herausforderung, dass es bei IoT-Plattformen nicht um Technologie geht, sondern um Use Cases und Anwendernutzen”.

Und das scheint ein guter Weg zu sein, um diesen ersten Artikel über den IoT-Technologie-Stapel zu beenden, bevor wir zu einem zweiten übergehen, in dem wir uns weitere Schichten der IoT-Technologie ansehen.

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