IoT: Definition, Funktion und Zukunft

Die Zukunft gehört der Digitalisierung - das ist wohl keine allzu gewagte These. Schließlich können wir heute schon beobachten, wie die Künstliche Intelligenz (KI) und das Internet of Things (IoT) private Räume, Arbeitsprozesse, Unternehmenskonzepte und Geschäftsbeziehungen beeinflussen und verändern.

Aber was genau verbirgt sich hinter der Bezeichnung Internet of Things? Welche Vorteile und Konzepte ergeben sich mit dem IoT für den Industriesektor (IIoT), und wie könnte die Anlagenüberwachung der Zukunft aussehen? Wir geben dir eine einfache, verständliche Übersicht.

Was ist IoT?

Definition IoT

Internet of Things (IoT) oder zu deutsch Internet der Dinge beschreibt ein Netzwerk aus intelligenten, „smarten“ physischen oder virtuellen Objekten, die miteinander und mit anderen Systemen verbunden sind, um Daten zu übertragen oder auszutauschen. Diese Objekte können sowohl physische Geräte wie Sensoren oder Aktuatoren sein, als auch virtuelle Objekte wie digitale Zwillinge oder Software-Anwendungen.

Ein IoT-Gerät ist ein physisches Objekt, das über Sensoren Daten über sich und seine Umgebung in Echtzeit erfasst und diese Daten über ein Netzwerk teilt. Beispiele für IoT-Geräte sind Fitness-Tracker, Küchengeräte oder Windkraftanlagen. Sie sind über verschiedene Netzwerke wie das Internet, Bluetooth oder Zigbee verbunden und teilen so Informationen über Temperatur, Vibration oder Bewegung.

Die gesammelten Daten können zur Steuerung, Optimierung und Automatisierung von Prozessen genutzt werden. IoT findet Anwendung in verschiedenen Bereichen, wie etwa der Industrie (Industrie 4.0), im Gesundheitswesen (Telemedizin), in intelligenten Verkehrssystemen (Smart Mobility) und in intelligenten Gebäuden (Smart Homes).

Die Grundlagen von IoT

Dass Heizungen sich über eine App regeln lassen oder Waschmaschinen per App gestartet werden können, ist keine ganz neue Entwicklung. Dass eine Windkraft- oder Solaranlage anhand ihres digitalen Zwillings komplett überwacht werden kann, schon.

Lange war hier die Idee der benötigten Technologie voraus. Vor allem, was das Bändigen und sinnvolle Nutzen der schieren Menge an Daten betrifft, die von IoT-Objekten erzeugt werden.

Erst durch den aktuellen Durchbruch in der Künstlichen Intelligenz und dem Maschinellen lernen, können diese Daten gezielt ausgewertet werden.

Aber auch Erschwinglichkeit und Verfügbarkeit von Sensoren und sind erst jetzt gegeben.

Ein wichtiger Fortschritt war auch die Weiterentwicklung verschiedener Kommunikations-, Datenübertragungs- und Funktechnologien, wie dem 5G-Netz. Konnten früher die Konnektivität nur per Wi-Fi hergestellt werden, ist das mittlerweile von überall über das 5G-Netz möglich.

Die großen Mengen an Daten, die IoT erzeugt, müssen nicht nur übertragen, sondern auch gespeichert und ausgewertet werden. Das Cloud Computing stellt hier flexibel Rechenleistung zur verfügung. Eine neuere Entwicklung sind cloudbasierte IoT-Plattformen, die alle Daten an einem Ort sammeln, speichern, auswerten und strukturiert und übersichtlich zu verfügung stellen, damit diese gezielt genutzt werden können.

Wie funktioniert IoT?

Das IoT funktioniert durch die Verbindung von Geräten mit dem Internet oder einem lokalen Netzwerk, um Daten aus der realen Welt zu erfassen und zu übertragen. Diese Daten werden von Sensoren gesammelt, die beispielsweise Temperatur, Feuchtigkeit, Bewegung oder andere Umgebungsbedingungen messen. Die gesammelten Daten werden dann mithilfe von drahtloser Kommunikation an eine zentrale Datenbank, Cloud-Plattform oder andere verbundene Geräte gesendet.

In der Cloud werden die Daten analysiert und verarbeitet, um Erkenntnisse zu gewinnen, Muster zu erkennen oder automatisierte Aktionen auszulösen. Die Ergebnisse können dann in Anwendungen angezeigt werden, die von Benutzern oder anderen Systemen genutzt werden können, um die Steuerung von Geräten zu ermöglichen, Alarme zu generieren oder auf Echtzeitdaten zuzugreifen.

Durch diese Vernetzung und Datenanalyse können Unternehmen und Verbraucher neue Möglichkeiten zur Verbesserung von Effizienz, Produktivität und Lebensqualität nutzen.

Grundsätzlich kann jedes Gerät, das Daten erfasst und überträgt, als IoT-Gerät betrachtet werden.
Ein Fitness-Tracker, der sämtliche Daten an eine App auf dem Handy überträgt, ist ein einfaches Beispiel für IoT.

Die Komplexität steigt, wenn das gesamte Haus vernetzt und über eine App gesteuert werden soll. Dennoch ist dies heutzutage relativ schnell umsetzbar.

Eine Herausforderung liegt im IoT-Bereich der Industrie oder bei der Einbindung von eigenen Wärmepumpen.
Generell liegt es in der Verantwortung des Herstellers, Anlagen und Geräte (Assets) mit Sensoren auszustatten und die Daten über ein geeignetes Netzwerk zu übertragen.
Dies klingt einfach, jedoch erzeugt es eine enorme Menge an Daten - Big Data. Um damit effizient umzugehen, sind robuste Systeme und Lösungen erforderlich.
Denn das Erfassen von Daten ist eine Sache, aber das Speichern, Auswerten und sinnvolle Nutzen der Daten ist eine ganz andere Herausforderung. Hier reicht eine einfache App nicht aus.

Generell ist die Funktionsweise aber gleich:

1. Daten erfassen: Ein IoT-Geräte ist ein Objekt, das Geräte- als auch umweltbezogene Daten erfasst. Dies können Druck, Feuchtigkeit, Bewegung, Vibration oder andere Parameter sein. Es ist also eine reine Datenquelle, speichert diese aber nicht selber.
2. Daten übertragen: Die erfassten Daten werden innerhalb eines Netzwerkes in eine Cloud oder an ein anderes Gerät über Kommunikationstechnologien wie Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, 5G oder spezielle IoT-Netzwerke wie LoRaWAN übertragen.
3. Daten speichern: Nach der Übertragung werden die Daten in Datenbanken gespeichert, wo sie für die spätere Analyse zugänglich sind.
4. Daten verarbeiten und analysieren: In dieser Phase werden die gesammelten Daten verarbeitet, strukturiert und ggf. mit KI oder Machine Learning analysiert, um Muster zu erkennen, Prognosen zu erstellen, relevante Abweichungen zu identifizieren und um Entscheidungen zu treffen oder Aktionen zu empfehlen.
5. Aktion auslösen: Basierend auf der Analyse können automatische Aktionen ausgelöst werden, wie das Anschalten von Lichtern, das Öffnen von Türen, ein Alarm auslösen oder das Senden von Benachrichtigungen an Nutzer oder andere Systeme.

Nach dem IoT-Gerät kommt die IoT-Plattform

Wer die Daten von vielen Gerätetypen, Protokollen und unterschiedlichen Sensortypen an einem Ort zusammenführen und miteinander verbinden muss, hat entweder einen hohen Programmieraufwand, viel manuelle Arbeit oder nutzt eine Cloud-Plattform wie Cumulocity.

Hier sind viele Gerätetypen und Protokolle bereits integriert, und es ist eine schnelle und übersichtliche Geräteverwaltung möglich. Darüber hinaus bieten solche IoT-Plattformen oft zusätzliche Funktionen, die die Verwaltung und den Betrieb von IoT-Geräten und -Daten erleichtern, wie:

Datenanalyse und -visualisierung: Viele IoT-Plattformen bieten eingebaute Analysetools, die es ermöglichen, die gesammelten Daten zu verarbeiten, Muster zu erkennen und sie auf ansprechende Weise zu visualisieren.

Automatisierung: IoT-Plattformen erlauben die Einrichtung von Regeln und Automatisierungen, um bestimmte Aktionen auf der Grundlage von Ereignissen oder Daten zu initiieren. Dies kann dazu beitragen, Prozesse zu optimieren und Effizienz zu steigern.

Sicherheit: Da IoT-Geräte häufig sensible Daten übertragen, hat Sicherheit eine hohe Priorität. IoT-Plattformen bieten oft integrierte Sicherheitsfunktionen, um die Kommunikation und die Geräte zu schützen.

Skalierbarkeit: Mit der wachsenden Anzahl von IoT-Geräten und Datenpunkten ist es wichtig, dass die Plattform skalierbar ist. Viele IoT-Plattformen sind so konzipiert, dass sie leicht auf eine größere Anzahl von Geräten und Datenquellen erweitert werden können.

Integration: IoT-Plattformen bieten oft Integrationsmöglichkeiten mit anderen Systemen und Plattformen, was es ermöglicht, IoT-Daten und -Funktionen nahtlos in bestehende Unternehmensanwendungen oder Workflows zu integrieren.

Durch die Nutzung solcher Plattformen können Unternehmen die Komplexität des IoT-Ökosystems besser handhaben und die Entwicklung, den Einsatz und die Verwaltung von IoT-Lösungen vereinfachen.

Daten übertragen über IoT-Netzwerke und Kommunikationstechnologie

Wie kommen die Daten aber zur Plattform, Software, App oder einem anderen Gerät?
IoT kann auf einer Vielzahl von Netzwerken basieren, die nicht zwingend Teil des Internets sein müssen. Die Technologie hinter dem Internet der Dinge ist sehr flexibel und ermöglicht es Geräten, über verschiedene Arten von Netzwerken und Kommunikationstechnologien zu kommunizieren, darunter:

Interne, geschlossene Netzwerke: Diese sind speziell für Sicherheit und Datenschutz konzipiert und nicht mit dem Internet verbunden. Sie werden häufig in kritischen Infrastrukturen oder in Unternehmensumgebungen verwendet, wo es stark auf den Schutz sensibler Daten ankommt. Übertragung: Oft verwendet werden Ethernet und Wi-Fi in einer abgeschotteten Konfiguration mit strengen Sicherheitsprotokollen und Firewall-Schutz.

Peer-to-Peer-Netzwerke (P2P): Hierbei kommunizieren Geräte direkt miteinander, ohne dass eine zentrale Steuerung oder ein Server notwendig ist. Dies kann die Systemeffizienz verbessern und die Abhängigkeit von einer zentralen Infrastruktur reduzieren. Übertragung: Bluetooth und Zigbee sind hier häufige, um dezentrale Netzwerke zu ermöglichen.

Dedizierte Industrienetzwerke: In industriellen Umgebungen gibt es oft spezialisierte Kommunikationsprotokolle und Netzwerke, die speziell für die Automatisierungstechnik entwickelt wurden. Übertragung: Protokolle wie Modbus, PROFIBUS und Ethernet/IP sind verbreitet, ebenso wie spezielle industrielle Wi-Fi- und Ethernet-Konfigurationen, die für die hohen Anforderungen in industriellen Umgebungen optimiert sind.

Weitverkehrsnetzwerke (WAN): Für Anwendungen, die große geographische Gebiete abdecken müssen, wie Smart Cities oder landwirtschaftliche Überwachungssysteme. Übertragung: LoRaWAN, NB-IoT und 5G sind typische Technologien, die in IoT-Weitverkehrsnetzwerken eingesetzt werden, um eine effiziente und energieeffiziente Kommunikation über lange Distanzen hinweg zu ermöglichen.

Verschiedene Anwendungsbereiche von IoT

IoT ist nicht nur für die persönliche Haus- und Körper-Optimierung interessant, sondern vor allem in industriellen und anderen wirtschaftlichen Bereichen.

Weitere Anwendungsbereiche sind auch das Gesundheitswesen oder die Landwirtschaft. Auch in der Städteentwicklung (Smart Citys) könnten IoT-Sensoren zunehmend eine wichtige Rolle übernehmen.

Hier sind einige Bereiche, in denen das Internet der Dinge eingesetzt werden kann:

IoT in der Industrie 4.0

Logistik und Supply Chain: IoT-Geräte verbessern das Nachverfolgen und Managen der Lieferketten, von der Lagerverwaltung bis zur Echtzeit-Ortung von Transportmitteln und Equipment. Sie ermöglichen die Überwachung der Warenzustände und optimieren dadurch das Bestandsmanagement und minimieren Verschwendung.

Anlagen- und Prozessüberwachung: In der Produktion ermöglicht IoT eine feingranulare Überwachung und Steuerung von Fertigungsprozessen. Sensoren sammeln Daten über alles von der Maschinentemperatur bis zum Energieverbrauch, was eine genaue Analyse und Anpassung der Betriebsbedingungen ermöglicht. Dies führt zu einer Steigerung der Produktionsqualität und einer Reduktion der Betriebskosten.

Wartung: Durch den Einsatz von IoT-Sensoren können Maschinen und Anlagen kontinuierlich überwacht werden, um deren Zustand genau zu erfassen. Dies führt zur Möglichkeit der prädiktiven Wartung, bei der Wartungsarbeiten genau dann durchgeführt werden können, wenn sie notwendig sind – und noch bevor kostspielige Ausfälle auftreten. Dadurch eröffnen sich neue Geschäftsmodelle, in denen Anlagen wie Wärmepumpen im Rahmen einer Servizitation den Kunden als Mietobjekte angeboten werden können.

Landwirtschaft: in der Landwirtschaft werden IoT-Sensoren eingesetzt, um wichtige Daten über Bodenfeuchtigkeit und -zustand, Wetterdaten und Pflanzengesundheit zu erheben. Dadurch können Erträge maximiert und der Einsatz von Wasser und Düngemittel optimiert werden. Es dient auch dazu, landwirtschaftliche Maschinen zu überwachen

IoT in der Infrastruktur und im Gesundheitswesen

Gesundheitswesen: IoT-Assets ermöglichen die Fernüberwachung von Patienten, erleichtern die Verwaltung von Medikamenten und unterstützen bei der Erhebung von Gesundheitsdaten. Tragbare Fitness-Tracker können zudem Daten von Patienten erheben und speichern, die dabei helfen, den Gesundheitszustand in Echtzeit zu überwachen.

Smart Home und Smart City: In den eigenen vier Wänden kann der Einsatz von IoT-Geräte dabei helfen, Energie effizienter zu nutzen. Von intelligenter Raumbeleuchtung bis zur Sicherheitsüberwachung können Haushaltsfunktionen zentral gesteuert und automatisiert werden. Die Energieeffizienz sowie allgemeine Sicherheitsfragen spielen auch im Rahmen von Smart City-Konzepten eine wichtige Rolle. Auch was die Regelung der Infrastruktur (Straßenverkehr) angeht, sind IoT-Daten von großer Bedeutung.

Was können wir in Zukunft von IoT erwarten?

In naher Zukunft wird die Anzahl der miteinander verbundenen Geräte exponentiell wachsen. Es wird erwartet, dass bis 2025 Milliarden von Geräten weltweit über das IoT miteinander verbunden sind. Die Vorhersage von Gartner ist, dass 75% der Daten außerhalb von Datenzentren oder der Cloud erzeugt werden.

Hier kommt dann das sogenannte Edge Computing zum Einsatz bei dem die Daten vor Ort am gerät gespeichert werden.

Im Rahmen der Industrie 4.0 wird IoT oder in dem Kontext IIoT die digitale Transformation von Unternehmen weiter vorantreiben.

Der Einsatz von IoT ermöglicht die Implementierung von modernen Geschäftsmodellen im Rahmen der Servitization. Hierbei wechseln Unternehmen vom produktzentrierten Verkauf zu dienstleistungsorientierten Angeboten. Dadurch, dass IoT den Zugriff auf Echtzeitdaten zulässt, wird eine vorausschauende Wartung möglich, was die Anlagen- und Geräteüberwachung verbessert und zusätzlichen Mehrwert für den Kunden schafft.