Mit der Einf\u00fchrung leistungsstarker und preisg\u00fcnstiger SoCs (System-on-Chip) mit integriertem WLAN und Bluetooth begann vor ca. 10 Jahren das Internet of Things (IoT) in greifbare N\u00e4he zu r\u00fccken. \u00dcber die Jahre ist die Menge und vor allem die Qualit\u00e4t der verf\u00fcgbaren Entwicklungsframeworks sp\u00fcrbar angestiegen, sodass sich mit den heute verf\u00fcgbaren IoT-Ger\u00e4teplattformen anspruchsvolle Anwendungen im Industriesektor realisieren lassen.<\/p>\n\n\n\n
Gleichzeitig gibt es eine gro\u00dfe Auswahl von Entwicklungsboards f\u00fcr alle erdenklichen Anwendungsf\u00e4lle, beginnend bei der \u00dcberwachung von Umweltbedingungen \u00fcber die Erfassung medizinischer Parameter, der Bereitstellung intuitiver HMIs (Human Machine Interfaces) bis zur Audioverarbeitung\/Spracherkennung und Bildanalyse. Dieses Angebot wird abgerundet durch eine Reihe miniaturisierter und einfach ansteuerbarer Sensoren, die zum Teil ein Nebenprodukt der Smartphone-Entwicklung sind. Damit ergibt sich f\u00fcr Unternehmen, die bisher die Marktzutrittsbarriere einer eigenen Hardwareentwicklung nicht \u00fcberwinden konnten, die M\u00f6glichkeit, innovative Produkte aus einer Kombination von Hard- und Software anzubieten.<\/p>\n\n\n\n
Auf dem Weg zum integrierten Anbieter von Hard- und Software sind nat\u00fcrlich einige H\u00fcrden zu nehmen. W\u00e4hrend Anforderungen an die Software quasi ein Heimspiel f\u00fcr uns sind, gilt es bei der Auswahl der Hardware eine Reihe technischer und gesetzlicher Rahmenbedingungen zu beachten.<\/p>\n\n\n\n
Ein wesentlicher Punkt sind die Umweltbedingungen<\/strong> am geplanten Einsatzort des IoT-Ger\u00e4tes. Diese bestimmen den Aufwand, der f\u00fcr den Schutz und die Erh\u00f6hung der Zuverl\u00e4ssigkeit der Ger\u00e4te zu betreiben ist.<\/p>\n\n\n\n Vor allem bei l\u00e4ngerfristiger Installation der Ger\u00e4te ist die Wartungs- und Reparaturf\u00e4higkeit<\/strong> von entscheidender Bedeutung. Die Fehleranalyse und der Austausch defekter Komponenten k\u00f6nnen optimiert werden, um Zeit und Kosten zu sparen.<\/p>\n\n\n\n Im Bereich der Energieversorgung<\/strong> gibt es eine breite Auswahl f\u00fcr die verschiedenen Einsatzszenarien. Meist verursacht die Datenkommunikation einen Gro\u00dfteil des Energieverbrauchs, w\u00e4hrend moderne Sensoren mit sehr geringen Str\u00f6men auskommen. In Abh\u00e4ngigkeit von Datenmenge und Kommunikationszyklen sowie Netzverf\u00fcgbarkeit und Ger\u00e4testandort sind an dieser Stelle kreative L\u00f6sungen gefragt.<\/p>\n\n\n\n Zum IoT-Ger\u00e4t wird ein Rechner mit Sensoren erst durch die Netzwerkanbindung<\/strong>. Diese sorgt daf\u00fcr, dass die erfassten Daten mit nur geringer zeitlicher Verz\u00f6gerung das Backend der Gesamtanwendung erreichen. Auch hier gibt es unterschiedliche Technologien mit spezifischen Vor- und Nachteilen.<\/p>\n\n\n\n Eine existierende Netzwerkanbindung erm\u00f6glicht die Implementierung von Remote-Softwareupdates<\/strong>. Damit k\u00f6nnen sowohl Bugfixes als auch neue Funktionen schnell und kosteng\u00fcnstig auf den IoT-Ger\u00e4ten zur Verf\u00fcgung gestellt werden.<\/p>\n\n\n\n Nicht zuletzt sind noch die Sicherheit<\/strong> sowie der Bereich der rechtlichen Rahmenbedingungen<\/strong> rund um Produkthaftung und Zertifizierung zu betrachten.<\/p>\n\n\n\n Anders als im gesch\u00fctzten Laborbereich herrschen in Industrieumgebungen eher raue Umweltbedingungen. Temperaturen folgen dem Verlauf der Jahreszeiten. Hohe Luftfeuchtigkeit sorgt f\u00fcr Kriechstr\u00f6me, greift Materialien an und d\u00e4mpft die Reichweite von Funksignalen. Maschinen verursachen dauerhafte Vibrationen. Die Ger\u00e4te m\u00fcssen die eine oder andere (versehentliche) mechanische Einwirkung „ertragen“ wie Schlag, Sto\u00df und besonders gern Zug an den Kabeln. Diese Herausforderungen lassen sich durch die Verwendung von Geh\u00e4usen mit entsprechender Schutzart (IPxx) und Sto\u00dffestigkeit (IKxx) sowie stabilen Kabelbefestigungen und Zugentlastungen l\u00f6sen.<\/p>\n\n\n\n Schon in der Entwurfsphase sollte man sich Gedanken um die Wartungs- und Reparaturf\u00e4higkeit der Ger\u00e4te machen. Nach dem Einbau befinden sich die Ger\u00e4te teilweise in schwer erreichbaren Bereichen. Ger\u00e4tekomponenten und Verkabelungen sind durch die Art der Befestigung nicht mehr so leicht austauschbar. Eine modulare Bauweise (Kabel, Teilkomponenten steckbar) kann den Reparaturaufwand erheblich senken. Voraussetzung ist die Verf\u00fcgbarkeit einer m\u00f6glichst umfassenden Fehlerdiagnose am Einbauort. Als recht hilfreich hat sich die Verwendung eines integrierten Displays herausgestellt. Damit kann die Einrichtung der Ger\u00e4te an der Einbauposition erfolgen und es k\u00f6nnen sp\u00e4ter viele Probleme vor Ort von Technikern ohne zus\u00e4tzliches Equipment und umfangreiche Schulung eingegrenzt und behoben werden. Relevante Parameter sind die Signalst\u00e4rke von Netzwerkverbindungen, der Verbindungszustand zum Backend sowie Kennzahlen von angeschlossenen Sensoren. Zus\u00e4tzlich haben wir bei unseren IoT-L\u00f6sungen eine per WLAN erreichbare Wartungskonsole integriert, \u00fcber die sich alle Konfigurationsparameter ver\u00e4ndern lassen und die Informationen \u00fcber den aktuellen Zustand der laufenden Softwarekomponenten bereitstellt (bspw. Logmeldungen, Datenraten, Prozessorauslastung).<\/p>\n\n\n\n Eine stabile Stromversorgung ist die Basis f\u00fcr zuverl\u00e4ssige IoT-Ger\u00e4te. Sofern Netzspannung mit vertretbarem Aufwand in die N\u00e4he des Sensors verlegt werden kann, hat sich die Nutzung eines Netzteils bew\u00e4hrt. Mobile Sensoren k\u00f6nnen \u00fcber Batterien oder Akkus (bei sehr niedrigem Stromverbrauch), Solarzellen (nur im Au\u00dfenbereich) oder mit Kleingeneratoren betrieben werden. Zu beachten ist, dass bei Ger\u00e4ten mit Mobil- oder WLAN-Kommunikation kurzzeitige Stromspitzen auftreten, die ein Vielfaches der normalen Stromaufnahme betragen k\u00f6nnen. Wenn die Stromversorgung diese Leistung nicht erbringen kann, f\u00fchrt die integrierte Brownout Detection zur kontrollierten Abschaltung des Prozessors (und je nach Konfiguration zum Neustart, wenn wieder gen\u00fcgend Spannung anliegt), um unerw\u00fcnschtes Fehlverhalten zu verhindern. Unerwartete Neustarts weisen eben nicht immer auf Softwarefehler hin, sondern manchmal tut es auch ein ordentliches Netzteil.<\/p>\n\n\n\n Die Netzwerkanbindung der IoT-Ger\u00e4te kann \u00fcber unterschiedliche Technologien erfolgen. Die unabh\u00e4ngigste L\u00f6sung ist die Nutzung einer eingebauten Mobilfunkverbindung, wenn die Netzabdeckung das zul\u00e4sst (Achtung bei Metalld\u00e4chern und -wandverkleidungen sowie gr\u00f6\u00dferen Metalleinbauten). Sie ist bei gro\u00dfen Daten- oder Sensormengen auf Dauer allerdings recht kostenintensiv.<\/p>\n\n\n\n F\u00fcr gr\u00f6\u00dfere Datenraten und Entfernungen innerhalb von Geb\u00e4uden bietet sich die Nutzung von WLAN an. Hierf\u00fcr d\u00fcrfen sich zwischen Ger\u00e4teantenne und AccessPoint keine die Funkverbindung st\u00f6renden Metallteile befinden. Bei PCB-Antennen (auf der Leiterplatte des Ger\u00e4tes integriert) sollte die Entfernung unter 30m bleiben. Bei einer gr\u00f6\u00dferen Anzahl von Ger\u00e4ten ergeben sich Engp\u00e4sse im WLAN-Netz, in diesem Fall kann auf Bluetooth ausgewichen werden. Bluetooth bietet eine geringere Reichweite und Datenrate und damit weniger Interferenzen mit anderen Ger\u00e4ten. Fehlende Netzabdeckung kann durch Installation zus\u00e4tzlicher Gateways kompensiert werden. Vorteilhaft ist bei Bluetooth vor allem die geringe Energieaufnahme, wodurch sich alternative M\u00f6glichkeiten der Stromversorgung ergeben.<\/p>\n\n\n\n Nicht zuletzt ist eine kabelgebundene Verbindung via Ethernet eine interessante Option, vor allem, wenn Datenrate und Stabilit\u00e4t der Verbindung im Vordergrund stehen. Nachteilig ist der hohe Installationsaufwand.<\/p>\n\n\n\n Bei allen Varianten au\u00dfer der Mobilfunkanbindung ist \u00fcblicherweise eine Einbindung der IoT-Ger\u00e4te in das Firmennetzwerk erforderlich. Aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen f\u00fcr die produktionsrelevante IT-Infrastruktur ist der Zugang z. B. zu einem Cloud-Anbieter \u00fcber das Internet nicht ohne Weiteres m\u00f6glich. Neben einer notwendigen Freischaltung der Ger\u00e4te f\u00fcr ausgew\u00e4hlte Zieladressen erfolgt der Zugang zum Internet h\u00e4ufig \u00fcber einen Proxy, bei dem nur die Kommunikation \u00fcber HTTP\/HTTPS-Ports erlaubt ist. Das im IoT-Bereich gern verwendete MQTT-Protokoll kann sowohl unverschl\u00fcsselt als auch mit TLS-Verschl\u00fcsselung nicht direkt \u00fcber diese Ports kommunizieren. Als Ausweg kann die verschl\u00fcsselte MQTT-Verbindung \u00fcber WebSockets getunnelt werden.<\/p>\n\n\n\n Im praktischen Einsatz ist die Updatef\u00e4higkeit der Ger\u00e4te ein wichtiges Kriterium. Je komplexer die Software eines IoT-Ger\u00e4tes, desto wahrscheinlicher sind sp\u00e4tere Bugfixes oder Funktionserweiterungen. Updates per USB-Kabel sind jedoch sehr aufw\u00e4ndig, weil alle Ger\u00e4te physisch erreicht werden m\u00fcssen. Abhilfe schafft ein Remote-Update-Feature (FOTA = Flash Over The Air), wodurch gro\u00dfe Mengen von Ger\u00e4ten relativ einfach \u00fcber das Internet mit neuen Softwareversionen ausger\u00fcstet werden k\u00f6nnen. Um sicherzustellen, dass nur autorisierte Firmware installiert wird, ist das Softwarepaket digital zu signieren, damit es vom Ger\u00e4t akzeptiert wird.<\/p>\n\n\n\n IoT-Ger\u00e4te sind normalerweise nicht im hochsicheren Rechenzentrum untergebracht, sondern es besteht die M\u00f6glichkeit eines unautorisierten physischen Zugriffs. Das ist einerseits ein Sicherheitsproblem, denn es k\u00f6nnten Kommunikationsschl\u00fcssel und Passw\u00f6rter abgegriffen werden, die wiederum f\u00fcr Angriffe auf die Netzwerkinfrastruktur verwendet werden k\u00f6nnen. Zum anderen besteht der Wunsch nach Schutz des geistigen Eigentums an der installierten Software.<\/p>\n\n\n\n Die L\u00f6sung besteht darin, eine Ger\u00e4teverschl\u00fcsselung zu etablieren, die daf\u00fcr sorgt, dass Angreifende nur wertlosen Datenm\u00fcll erbeutet. Dazu wird nach dem initialen Flashen des Ger\u00e4tes der Flash-Speicher (Code und Daten) hardwarebasiert verschl\u00fcsselt. Der Schl\u00fcssel ist ger\u00e4tespezifisch, nicht auslesbar und auch nicht mehr ver\u00e4nderbar (Speicherung in sogenannten eFuses). Da sich die Verschl\u00fcsselung auch nicht mehr abschalten l\u00e4sst, wird somit das Auslesen von verwertbaren Informationen aus dem Flash-Speicher verhindert.<\/p>\n\n\n\n Auch wenn man nur zugekaufte Entwicklungsboards in ein Geh\u00e4use einbaut, gilt man als Hersteller bzw. Inverkehrbringer dieser Ger\u00e4te und ist damit f\u00fcr die Produktsicherheit verantwortlich. Zweck der Regelungen zur Produktsicherheit ist die Sicherstellung eines angemessenen Schutzniveaus f\u00fcr die f\u00fcr die Verbrauchenden und gewerblich Nutzenden. Im Fall eigener, aus bereits zertifizierten Komponenten zusammengestellter Hardware sind mindestens das Produktsicherheitsgesetz und die CE-Richtlinien relevant.<\/p>\n\n\n\n Die Nutzung der bestehenden Rechtsvorschriften gibt einerseits eine gute Orientierung bei der Entwicklung neuer Produkte, reduziert Haftungsrisiken und ist eine Vorbedingung zum Inverkehrbringen von Produkten in bestimmte M\u00e4rkte und f\u00fcr Produkthaftpflichtversicherungen. Auf der anderen Seite verursachen Sicherheitsanforderungen Zusatzaufwendungen und Einschr\u00e4nkungen bei der Produktgestaltung sowie eine reduzierte Innovationsgeschwindigkeit.<\/p>\n\n\n\n Die Verf\u00fcgbarkeit ausgereifter IoT-Plattformen bildet die Grundlage f\u00fcr eine Reihe neuer Anwendungsszenarien im Industriebereich, die vor einigen Jahren noch nicht wirtschaftlich umsetzbar waren. Nachdem die Steuerungstechnik bereits weitestgehend automatisiert wurde, r\u00fcckt die Erfassung des Zustands technischer Anlagen als Basis der Wartungsplanung und -prognose in den Vordergrund. Das Personal kann so von routinem\u00e4\u00dfigen Kontrollg\u00e4ngen und -messungen entlastet werden und sich ganz auf die Instandhaltung konzentrieren.<\/p>\n\n\n\n F\u00fcr Unternehmen, die im Bereich Softwareentwicklung und Data Science gut aufgestellt sind, bietet sich damit die herausragende Perspektive, problemspezifische L\u00f6sungen f\u00fcr die Industrie 4.0 „aus einem Guss“ anzubieten, wenn die ben\u00f6tigten IoT-Sensoren gleich mitgeliefert werden. Das kann mit entsprechenden Partnern geschehen, ist aber ebenso unter Beachtung einiger technischer und rechtlicher Rahmenbedingungen in Eigenregie m\u00f6glich.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Mit der Einf\u00fchrung leistungsstarker und preisg\u00fcnstiger SoCs (System-on-Chip) mit integriertem WLAN und Bluetooth begann vor ca. 10 Jahren das Internet of Things (IoT) in greifbare N\u00e4he zu r\u00fccken. \u00dcber die Jahre ist die Menge und vor allem die Qualit\u00e4t der verf\u00fcgbaren Entwicklungsframeworks sp\u00fcrbar angestiegen, sodass sich mit den heute verf\u00fcgbaren IoT-Ger\u00e4teplattformen anspruchsvolle Anwendungen im Industriesektor […]<\/p>\n","protected":false},"author":4,"featured_media":799,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"categories":[22],"tags":[],"class_list":["post-798","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-innovation-space"],"acf":[],"yoast_head":"\nUmweltbedingungen<\/h3>\n\n\n\n
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Fazit<\/h2>\n\n\n\n