Happy Birthday IoT!

Das Internet der Dinge wird 20 Jahre alt

| Redakteur: Jürgen Schreier

Das Internet der Dinge wird 20 Jahre alt. Im Jahr 1999 verwendete der britische Technologe Kevin Ashton den Begriff Internet of Things zum ersten Mal. Und so feiert das IoT 2019 einen runden Geburtstag.

IoT auf dem Land: Das Handy für die Kuh rettet Kälbern das Leben. Phillip Ellerbrock (links) ist Deutschlands erster Landwirt, der die IoT-Technologie Moocall einsetzt. Im Bild mit Vodafone- Firmenkundenchef Alexander Saul (rechts).
IoT auf dem Land: Das Handy für die Kuh rettet Kälbern das Leben. Phillip Ellerbrock (links) ist Deutschlands erster Landwirt, der die IoT-Technologie Moocall einsetzt. Im Bild mit Vodafone- Firmenkundenchef Alexander Saul (rechts).
( Bild: Vodafone )

"Das Internet muss weg", fordert der Satire-Blogger Schlecky Silberstein und schrieb darüber sogar ein rund 270 Seiten starkes Buch. "Die aktuelle Version des Internets ist die größte Verarschungsmaschine aller Zeiten", so die Begründung des Autors, der im "wirklichen Leben" Christian Maria Brandes heißt und auch als Schauspieler und Comedian tätig ist.

Gesetzt den Fall, man könnte das Internet tatsächlich abschalten oder gar abschaffen. Dann würden die meisten Erdenbürger vermutlich ganz schön in die (sprichwörtliche) Röhre schauen. Online-Banking weg, die Mailbox weg, Netflix weg, von Facebook & Co. ganz zu schweigen. Selbst der Mann im Weißen Haus, Donald Trump, eigentlich eher den alten Industrien in Amerikas "Rostgürtel" zugetan, müsste auf seine täglichen Twitter-Tiraden verzichten. Und auch sein Lieblingssender Fox News dürfte nur noch per Zimmerantenne und somit arg verrauscht über den Bildschirm im Oval Office flimmern.

Wer aber das Internet abschafft, schafft parallel dazu dessen jüngeren Ableger ebenfalls mit ab: das Internet der Dinge. Die Folgen wären fatal. Amazons Alexa bliebe für immer stumm und auch der Assistent von Google. Ganze Fabriken stünden still - nicht weil des Arbeiters starker Arm das will (Georg Herwegh), sondern weil Sensoren keine Daten mehr liefern würden und umgekehrt Maschinen keine Steuerbefehle mehr entgegen nähmen.

Last but not least droht schließlich noch der gefürchtete Blackout. Selbst die berüchtigten Hacker und Trolle in Russland und anderswo wären schlagartig ohne Job. Folglich kommt selbst Internet-Skeptiker Silberstein, der seine Bücher witzigerweise über Amazon vertreibt, nach allerlei Analysen zu der erlösenden Erkenntnis: "Wir können das Internet nicht abschaffen!" Und mit ihm natürlich auch nicht das Internet der Dinge.

Denn an den drei magischen Buchstaben IoT führt heute kaum noch ein Weg vorbei. Aber was steckt hinter diesen drei Buchstaben? Wer kommuniziert dort mit wem und in welcher Sprache ? Und: Was haben wir Menschen davon?

Internet der Dinge: Viele Begriffe, eine Bedeutung

Internet of Things, IoT, Machine-to-Machine Communication (M2M) oder Industrie 4.0 : Es gibt viele Begriffe, die das Internet der Dinge beschreiben. Doch alle meinen im Grunde dasselbe: Gegenstände, die über das Internet miteinander und/oder mit dem Menschen kommunizieren. So teilt der smarte Mülleimer mit, dass er geleert werden will. Und der intelligente Kühlschrank, wann die Vorräte an Butter oder "Hopfenbrause" zur Neige gehen. ist der Cooler besonders smart, bestellt er die fehlenden Vorräte gleich nach.

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Kevin Ashton definiert das IoT als "Sensoren mit Internetverbindung, die sich wie das Internet verhalten, indem sie offene, spontane Verbindungen herstellen, Daten ungehindert austauschen und unvorhergesehene Anwendungen unterstützen. Computer können so die Welt um sie herum verstehen und zum Nervensystem der Menschheit werden."

Was aber hat der Mensch davon, wenn Dinge "sprechen" - ob mit ihm oder untereinander? Oft erschließen sich die Vorteile des IoT erst dann, wenn man selbst im Alltag davon profitiert. Zum Beispiel von den bereits erwähnten Sprachassistenten wie Alexa oder Echo. So liefern solche smarten Lautsprecher per Sprachaufforderung nicht nur die Lieblingsmusik oder Kochrezepte. Vielmehr kann man damit auch andere vernetzte Devices in den eigenen vier Wänden steuern - die Beleuchtung beispielsweise, die Heizung oder die Rollläden.

Ganz allgemein geht es bei IoT um drei wesentliche Punkte:

  • Das Internet der Dinge macht unseren Alltag sicherer. Zum Beispiel auf der Straße, wenn der Lkw-Reifen meldet, dass er zu platzen droht. Oder das mobile EKG, dass Ärzten zu jeder Zeit zeigt, wenn Blutdruck oder Herzschlag von Risikopatienten auf Gefahren hinweisen – egal wo diese sich gerade befinden.
  • Das Internet der Dinge spart uns Menschen Zeit. Beispielsweise, weil wir nicht mehr einen ganzen Vormittag auf den Stromableser warten müssen. Oder weil intelligente Sensoren die nervige Suche nach einem Parkplatz verkürzen.
  • Schließlich erspart das Internet der Dinge uns Menschen hohe Kosten. Weil Maschinen in Industriehallen melden, wenn sie gewartet werden müssen. Oder weil das E-Bike automatisch Diebe überführt, die sich an ihm zu schaffen machen.

Wer mit wem kommuniziert: Sender, Empfänger und Erkenner

Das Grundprinzip ist oft identisch. Gegenstände stellen im Internet Informationen über den eigenen Zustand oder zu ihrer direkten Umgebung zur Verfügung. Diese Informationen werden ausgewertet und analysiert. Und schließlich erfolgt eine Reaktion. Manuell ausgelöst vom Menschen oder automatisch erzeugt durch Algorithmen, wenn beispielsweise Künstliche Intelligenz (KI) zum Einsatz kommt. In diesem Kommunikationsprozess gibt es drei Rollen: Sender, Empfänger und Erkenner.

Die Erkenner sind oft klassische Sensoren, die Zustände erfassen - Detektoren, die etwas messen. Das kann ein Thermometer sein, das erkennt, wie warm oder kalt es in einem Kühlraum ist. Das kann ein Füllstandsensor sein, der merkt, ob ein Mülleimer oder ein anderer Behälter voll oder leer ist. Oder ein Bewegungssensor, der Handlungsmuster von Maschinen erfasst.

Ein noch recht junges Gebiet ist die akustische Sensorik. Dabei nehmen Mikrofone die Geräusche einer Maschine auf. Anhand akustischer Vergleichsmuster wird dann festgestellt, ob die Maschine einwandfrei funktioniert, oder ob die Akustik auf eine mögliche Fehlfunktion hinweist. Die Erkenner können so zu regelrechten Technikern werden, die für eine Routineuntersuchung in eine Maschine hineinhorchen und feststellen, ob alles funktioniert.

Kommunikationsmodule übertragen Informationen

Immer mehr Sensoren gehen heute direkt ins Internet. Die Rolle des Senders übernimmt ein Kommunikationsmodul. In vielen Fällen ist das Kommunikationsmodul direkt im Sensor integriert und mit einer SIM-Karte ausgestattet. Die SIM-Karte stellt nicht nur die Verbindung des Sensors zum weltweiten Datennetz per Mobilfunk her, sondern sie macht auch sämtliche Gegenstande im Internet identifizierbar. Eine Art Postleitzahl für die Gegenstände, die im Internet kommunizieren. Funksensoren findet man nicht nur nur in Fahrzeugen oder mobilen Arbeitsmaschinen. Auch in der Fabrik setzen sich Wireless-Lösungen immer mehr durch.

Empfänger der "Nachricht" (konkret der Sensordaten) kann ein Computer sein, ein Smartphone der ein anderes Endgerät, über das der Mensch die Sensordaten einsehen kann - oft aufbereitet in einem Dashboard. In vielen Fällen trifft dann der Mensch - der Maschinenbediener, Produktionsleiter oder Wartungstechniker - auf Basis dieser Informationen manuell eine Entscheidung und gibt der Maschine Anweisungen, um auf einen Zustand zu reagieren.

Die Anweisung geht dann auf dem selben Informationsweg zurück zum Sender, der daraufhin beim "Gegenstand" (der Maschine) eine Aktion auslöst. Ein Beispiel: Ein Thermometer an einer Heizung meldet dem Hausbesitzer, der gerade auf dem Heimweg ist, die Zimmertemperatur in den eigenen vier Wänden. Der Hausbesitzer kann die Temperatur auf seinem Smartphone einsehen und die Heizung per Knopfdruck auffordern, die Temperatur um zwei Grad zu erhöhen.

Immer häufiger muss der Mensch gar nicht mehr aktiv in den Kommunikationsprozess eingreifen. Die erfassten Zustandsdaten einer Maschine wandern vom Sender direkt in ein virtuelles Analyse-System. Mithilfe einer KI-Anwendung werden die eingehenden Daten analysiert und mit mit Referenzdaten abgeglichen. Das System bemerkt automatisch, wenn die eingehenden Werte vom "Soll" abweichen und definiert daraufhin eine Handlungsempfehlung. Diese wird automatisch an die Maschine weitergeleitet.

Ein Beispiel: Ein Lichtsensor an einer Straßenlaterne erfasst regelmäßig die Helligkeit und übermittelt diese Information per SIM-Karte automatisch an ein Analyse-System der Stadt. Erreicht das erfasste Licht abends eine vordefinierte Dunkelheit (gemessen in Lux), weist das System die Straßenlaterne an, das Licht mit einer bestimmten Helligkeit zu aktivieren.

Im Bereich der Industriellen Fertigung funktioniert das ganz ähnlich. Greifen wir noch einmal auf das Beispiel zurück, in dem ein akustischer Sensor eine Maschine überwacht: Dieser sendet das erfasste Geräuschspektrum z.B. an eine Edge Cloud: Dort wird es mit dem Referenzmuster verglichen. Weicht das Ist-Spektrum vom Soll-Spektrum ab, wird die Maschine abgeschaltet, um Schäden an der Maschine oder Ungenauigkeiten in der Fertigung zu vermeiden.

Wer welche Sprache spricht: Mobilfunk, WLAN, Narrowband IoT

Damit Gegenstände nicht zur kommunizieren können, sondern sich auch verstehen, müssen sie dieselbe Sprache - eine Art Esperanto - sprechen, eine Sprache mit festem Vokabular, klar definierter Grammatik und festgeschriebenen Regeln. In der Praxis geben verschiedene Kommunikationskanäle den Rahmen für diese Sprache vor. Der wohl am meisten genutzte Kommunikationskanal im Internet der Dinge ist der Mobilfunk. Genau wie der Mensch mit dem Smartphone, tauschen Geräte per Mobilfunk (2G, 3G, LTE oder künftig 5G) Informationen aus.

Eine speziell auf das Internet der Dinge zugeschnittene Technologie, die auf den Mobilfunkstandards des 3rd Generation Partnership Project (3GPP) basiert, ist Narrowband IoT. Narrowband IoT ist optimiert für die kostengünstige und energiesparende Vernetzung von Gegenständen - und lässt Gegenstände sogar unter der Erde oder hinter dicken Betonwänden mitteilsam werden.

Neben dem Mobilfunk werden auch Funkstandards wie Sigfox und LoRa, die oft unter dem Oberbegriff Low Power Wide Area Networks (LPWAN) zusammengefasst, für das Internet der Dinge genutzt. Diese verwenden anders als Narrowband IoT keine lizenzierten Frequenzbereiche. LoRa nutzt lizenzfreie Frequenzbänder in Europa um 868 MHz und in den USA um 915 MHz. Einen Sonderfall stellt die Thingstream-Technologie dar, die zwar auf etablierte Mobilfunktechnik (GSM) setzt, aber dafür ein spezielles Protokoll (USSD) nutzt.

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Die LPWAN-Technologien weisen ähnliche Eigenschaften auf wie Narrowband IoT. Die Nutzung ist kostengünstig, die Vernetzung energiesparend. Außerdem haben Sigfox und LoRa eine sehr gute Gebäudedurchdringung.

Narrowband IoT und LPWAN machen vor allem bei IoT-Anwendungen Sinn, bei denen nur geringe Datenvolumina in größeren Zeitabständen übertragen werden müssen, wobei die betreffende Sensorik meist auch möglichst wenig Strom verbrauchen soll. Typische Anwendungsfälle sind die Überwachung von Zählerständen (Smart Metering), die sensorische Überwachung der Belegung von Parkplätzen, die Füllstandsüberwachung (z.B. bei Wassertanks), die Durchflussmessung, die Überwachung von Kühlketten oder die Lokalisierung von Gegenständen.

Weitere Wireless-Techniken, die in Büros, Fabriken oder im Logistikumfeld eingesetzt werden, sind Wi-Fi (WLAN), Bluetooth inkl. BLE (Blue Tooth Low Energy) und RFID (Radio Frequency Identification).

Wie weit die Stimme reicht

Die Funkstandards unterscheiden sich auch durch die Reichweite, in der sie Gegenstände miteinander vernetzen. Im klassischen WLAN können Gegenstände meist nur in einer Reichweite von weniger als 100 Metern kommunizieren, bei Bluetooth sind in allenfalls 10 Meter. Der Bereich in dem Gegenstände Daten austauschen ist also sehr stark eingeschränkt, was die Nutzung im industriellen oder im städtischen Bereich erschwert.

Das auf Narrowband IoT basierende Maschinennetz von Vodafone,verfügt über extrem hohe Reichweiten und setzt dabei auf das bestehende LTE-Netz auf. Das erhöht nicht nur die Leistungsfähigkeit, sondern auch die Sicherheit im Internet der Dinge. Weil Sensoren im Maschinennetz Daten besonders stromsparend senden und empfangen, verfügen sie über Akkulaufzeiten von bis zu zehn Jahren. Damit sind sie unabhängig von der externen Stromversorgung. Ein ähnliches Narrowband-IoT-Angebot hat die Deutsche Telekom auf der Pfanne.

Auch LPWAN haben beachtliche Reichweiten. Bei LoRa beträgt die Reichweite zwischen Sender und Empfänger je nach Umgebung und Bebauung ca. 3 km (Stadt), ca. 6 km (Vororte) und 13 km oder mehr in ländlichen Gebieten.

Autos, Container und Industriemaschinen sind die größten Plaudertaschen

Die Zahl der Gegenstände, die im Internet der Dinge kommunizieren, steigt weltweit an. Der aktuelle Mobility Report von Ericsson zeigt, dass bis zum Jahr 2024 rund 4,1 Milliarden Dinge allein per Mobilfunk vernetzt sein werden. Jährlich erhöht sich die Anzahl weltweit vernetzter Gegenstände seit 2013 durchschnittlich um 33 Prozent. Die größten Treiber für den IoT-Boom sind Autos, industrielle Maschinen und Waren in der Logistik, die wir Menschen im Netz immer im Blick behalten.

Autos sind immer häufiger mit einem digitalen Diebstahlschutz oder mit Telematik-Systemen ausgestattet. Mehr als 18. Mio. Fahrzeuge funken auf diese Weise bereits im Mobilfunknetz von Vodafone. Industrielle Maschinen werden aus der Ferne gewartet oder gesteuert, um Defekte zu erkennen noch bevor sie auftreten. Und um Aufgaben an Orten zu übernehmen, die für den Menschen zu gefährlich sind. In der Logistik werden Container, Pakete oder Paletten mit Sensoren ausgestattet, um Diebstahl oder Verluste zu vermeiden.

Neben Autos und industriellen Maschinen gibt es viele weitere Gegenstände, die per Mobilfunk miteinander sprechen. Vor allem in Städten gewinnt die Vernetzung von Gegenständen zunehmend an Bedeutung. So profitieren auch immer mehr Privatpersonen vom Internet der Dinge. Aber auch in der Landwirtschaft kommen immer häufiger digitale Lösungen zum Einsatz. Sensoren auf dem Feld erkennen den perfekten Ernte-Zeitraum und informieren den Landwirt. Es gibt sogar ein "Handy für die Kuh". Es heißt MooCall. Der intelligente Sensor bemerkt, wenn eine schwangere Kuh kalbt und alarmiert automatisch den Landwirt, damit dieser bei der Geburt assistieren kann.

Welche Dinge wo sprechen: Lkw-Reifen, E-Bikes und Müllbehälter

In Smart Cities wird die Parkplatzsuche mit intelligenten Sensoren vereinfacht. Die Sensoren, die Vodafone gemeinsam mit dem Start-up Smart City System entwickelt hat, melden regelmäßig, ob Parkplätze frei oder belegt sind. Innenstädte oder Hauptbahnhöfe werden mit vernetzten Müllbehältern noch sauberer. Die funkenden Tonnen geben immer dann ein Signal, wenn sie geleert werden müssen. Städtische Dienstleister können Entsorgungsprozesse auf Basis dieser Informationen optimieren.

Ein digitaler Diebstahlschutz schützt E-Bikes, Motorräder oder Autos vor Langfingern. Das System schlägt Alarm, wenn unbefugte Personen sich am Fahrzeug zu schaffen machen. Vernetzte Lkw-Reifen von Continental und Vodafone bemerken, wenn Temperatur oder Reifendruck nicht in Ordnung sind, warnen Fahrer und Unternehmen und beugen so folgenschweren Unfällen vor.

Und schließlich sollen immer mehr Anwendungen im Internet der Dinge Helfern dabei helfen zu helfen. Gemeinsam mit der Feuerwehr in Darmstadt testet Vodafone vernetzte Bodycams. Sie sollen Einsatzkräften helfen, die Lage vor Ort bei unübersichtlichen Unfällen besser einzuschätzen. Ford und Vodafone testen zudem einen digitalen Rettungsgassen-Assistenten. Dabei meldet ein Rettungsfahrzeug auf dem Weg zu einer Unfallstelle den vorausfahrenden Autos automatisch, dass sich ein Einsatzfahrzeug nähert. Die Verkehrsteilnehmer werden so angeleitet, die Rettungsgasse richtig zu bilden - was in Deutschland anders als in Österreich bis heute nicht immer so richtig klappen will. Rettungskräfte gelangen so schneller zur Unfallstelle, um im Ernstfall Leben zu retten.

Was ist Industrie 4.0?

So viel zum Internet der Dinge. Doch was unterscheidet das IoT von Industrie 4.0 bzw. dem IIoT (Industrial Internet of Things)? Die Plattform Industrie 4.0 definiert Industrie 4.0 wie folgt: Industrie 4.0 bezeichnet die intelligente Vernetzung von Maschinen und Abläufen in der Industrie mit Hilfe von Informations- und Kommunikationstechnologie. Für Unternehmen gibt es viele Möglichkeiten, intelligente Vernetzung zu nutzen.

Industrie 4.0 macht alle Dinge smart.
Industrie 4.0 macht alle Dinge smart.
( Bild: Vogel Communications Group )

Dazu gehören unter anderem:

  • Flexible Produktion: In der Herstellung eines Produkts sind viele Unternehmen involviert, die Schritt für Schritt bei der Entstehung eines Produkts beitragen. Digital vernetzt können diese Schritte besser abgestimmt und die Auslastung der Maschinen besser geplant werden.Wandelbare Fabrik: Produktionsstraßen sind in Zukunft in Modulen aufgebaut. Sie lassen sich schnell für eine Aufgaben zusammenbauen. Produktivität und Wirtschaftlichkeit werden verbessert, individualisierte Produkte können in kleiner Stückzahl zu bezahlbaren Preisen hergestellt werden.
  • Kundenzentrierte Lösungen: Konsument und Produzent rücken näher zusammen. Die Kunden können selbst Produkte nach ihren Wünschen mitgestalten – beispielsweise können Elemente von Turnschuhen selbst designt und auf die individuelle Fußform angepasst werden. Gleichzeitig können smarte Produkte, die schon ausgeliefert und im Einsatz sind, Daten an den Produzenten senden. Mit den Nutzungsdaten kann der Produzent seine Produkte verbessern und dem Kunden neuartige Services bieten.
  • Optimierte Logistik: Algorithmen berechnen ideale Lieferwege, Maschinen melden selbstständig, wenn sie neues Material benötigen – die smarte Vernetzung ermöglicht einen optimalen Warenfluss.
  • Einsatz von Daten: Daten zum Ablauf der Produktion und zum Zustand eines Produkts werden zusammengeführt und ausgewertet. Die Datenanalyse gibt Hinweise, wie ein Produkt effizienter hergestellt werden kann. Noch wichtiger: Sie ist die Grundlage für vollkommen neue Geschäftsmodelle und Services. Beispielsweise können Fahrstuhlhersteller ihren Kunden „vorausschauende Wartung“ anbieten: Fahrstühle sind mit Sensoren ausgestattet, die kontinuierlich Daten über ihren Zustand senden. Abnutzung kann erkannt und behoben werden, bevor sie zum Ausfall des Fahrstuhls führt.
  • Ressourcenschonende Kreislaufwirtschaft: Produkte werden datengestützt über ihren vollständigen Lebenszyklus betrachtet. Schon im Design wird festgelegt, in welcher Form die Materialien wiederverwertet werden können.

Die Plattform will gemeinsame Handlungsempfehlungen für alle Akteurinnen und Akteure erarbeiten, die als Basis für einheitliche und verlässliche Rahmenbedingungen dienen sollen. Sie soll Allianzen und Netzwerke auf vorwettbewerblicher Stufe initiieren, die die in Deutschland vorhandene unternehmerische Kompetenz und Energie in ihrer Entfaltung unterstützen. Anspruch der Plattform ist es, alle relevanten Trends und Entwicklungen im Bereich der produzierenden Industrie zu identifizieren und im Sinne eines einheitlichen Gesamtverständnisses von Industrie 4.0 zusammenzuführen.

Aktionsfelder von Industrie 4.0
Aktionsfelder von Industrie 4.0
( Bild: Vogel Communications Group )

Dies bedeutet umgekehrt, dass die Plattform keine operative Realisierung von Aktivitäten im Markt betreibt wie Demozentren, Forschungsprojekte, unternehmensgetriebene Projekte, diese aber proaktiv initiiert und begleitet. Gleichermaßen gilt für die Standardisierungsarbeit, dass die Plattform nicht der Ort der Standardsetzung im Sinne der Gremienarbeit ist. Sehr wohl sollen aber Handlungsbedarfe für Normen und Standards benannt und aktiv Empfehlungen für die nationale und internationale Gremienarbeit ausgesprochen werden.

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