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Internet der funkenden Dinge

Internet der funkenden Dinge

Das Internet der Dinge (Internet of Things, kurz IoT) ist eine Grundlage für viele „smarte Szenarien“, von Smart Home bis Smart City, mit denen jede/r von uns früher oder später in Kontakt kommen wird. IoT ist ein oft unscharf verwendeter Begriff. Daher soll hier keine weitere Definition versucht werden, sondern IoT ganz pragmatisch beschrieben und anschaulich anhand von ÖFIT-Demos und -Infrastruktur verortet werden.

Internet der Dinge (IoT)

Das Ziel von IoT besteht darin, eine enge Verknüpfung miteinander interagierender Geräte und der digitalen Sphäre zu erreichen. Auf diese Weise können leistungsfähige und flexible digitale Prozesse zur Steuerung der physischen Umgebung genutzt werden, oder anders ausgedrückt: Die Digitalisierung erweitert ihre Reichweite und durchdringt unsere Umwelt. Beim berühmten Beispiel vom „Kühlschrank im Internet“ geht es also weniger um das Gerät selbst, sondern vielmehr um die dadurch ermöglichten Prozesse (bspw. Nachbestellung von Waren oder Präsentation von Rezeptideen).

Im Mittelpunkt des Interesses von ÖFIT stehen Dinge im öffentlichen Raum, wie im DPS-Whitepaper »Public IoT – Das Internet der Dinge im öffentlichen Raum« beschrieben. Konkrete Anwendungsfälle finden sich in der Smart City/Region und/oder bei Themen wie Infrastrukturen, Energie und Verkehr. Weiterhin spielt das Internet der Dinge in der industriellen Produktion eine zunehmend wichtigere Rolle (siehe auch Fraunhofer FOKUS Industrial IoT-Center).

Die Abbildung zeigt stark vereinfacht den Aufbau von IoT-Systemen und einen typischen und beispielhaften Datenfluss:

  • Sensoren in der Smart City erfassen verschiedene Zustände der Umwelt oder auch die aktuelle Position von beweglichen Objekten. Natürlich sind hier auch Aktoren zur Änderung des Zustands oder komplexere Geräte denkbar.
  • Über meist funkbasierte Netze gelangen die Daten zu IoT- und Datenplattformen, also üblicherweise „in die Cloud“. Neben Mobilfunk und WLAN gibt es eine eigene Klasse von Funknetzen, sog. LPWAN (low power wide area networks). Diese Netze sind speziell für IoT-Anwendungen optimiert, nähere Informationen finden sich in dem ÖFIT-Trendblatt „Funkende Dinge“.
  • Die IoT-Plattformen verwalten die Anbindung von Sensoren und anderen Dingen über ihren gesamten Lebenszyklus und sorgen für eine sichere Datenübertragung. Datenplattformen speichern Daten der Sensoren und stellen sie den Anwendungen bereit. Dabei können Daten auch für weitere Anwendungen bereitgestellt werden, ob als Open Data oder in Form eines kommerziellen Dienstes.
  • Typische Anwendungen reichen von einer einfachen Überwachung von (Betriebs-)Zuständen von Maschinen über einzelne Smart-City-Anwendungen für Bürger bis zu automatisierten Steuerungen und können hier natürlich nur exemplarisch vorgestellt werden.

IoT-Beispiele der ÖFIT-Werkstatt

Für die oben dargestellten unterschiedlichen Systembestandteile von IoT werden auf dieser Seite eine Auswahl unterschiedlicher Aktivitäten vorgestellt, um einen ersten und möglichst konkreten Einblick in IoT zu ermöglichen:

  • Anwendung – Wetterstation, Smart Parking
  • IoT-/Datenplattform – Wetterstation
  • IoT-Netz – LoRaWAN-Gateway, TTN-Abdeckung

Hier kann es nur einen knappen Einblick in einzelne IoT-Themen geben. Mehr Informationen und weitere Aktivitäten finden sich in der Präsentation „Funkende Dinge – ein Einstieg in das Internet der Dinge“.

Wetterstation

Als erste Komponente wurde im Februar 2018 eine LoRaWAN-Wetterstation (als Datenlieferant für IoT-Demos) auf dem Dach von Fraunhofer FOKUS aufgestellt. Das Innenleben besteht aus einer Solar-Ladeelektronik von Adafruit, einem Adafruit Feather 32u4 LoRa sowie einem BME280-Sensor für Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck - und viel Platz für weitere Ideen.

Die Wetterstation ist über das Community-basierte The Things Network (TTN) (siehe unten) vernetzt. Die Daten werden aus der TTN-Plattform über Telegraf abgerufen und in einer InfluxDB gespeichert. Die Visualisierung erfolgt mittels Grafana. Es existiert auch eine Anbindung an openSenseMap, einer Plattform für offene Sensordaten. Auf deren interaktiven Karte finden sich insbesondere Bildungseinrichtungen, die eine senseBox einsetzen. Neben dem Bildungsbereich sind diese oder ähnliche Sensornetzwerke eine Grundlage für Citizen Science, also beispielsweise die Erfassung und Auswertung von bestimmten Umweltbedingungen (Feinstaub, Radioaktivität usw.) durch interessierte Laien.

LoRaWAN-Gateway

Nachdem die Demo-Wetterstation zunächst über zwei jeweils ca. 3 km weit entfernte Gateways in The Things Network eingebunden war, hat ÖFIT am Standort von Fraunhofer FOKUS auf dem Dach ein Outdoor-Gateway von Kerlink in Betrieb genommen. Ein besonderer Dank für die Hardware geht an die großzügigen Kollegen vom 5G Playground.

Das Gateway deckt große Teile der nordwestlichen Innenstadt von Berlin ab, entsprechend den topografischen Verhältnissen (bspw. bei erhöhtem Standort) sind auch wesentlich größere Reichweiten möglich. Eine Darstellung der Reichweite findet sich in der Karte TTN-Mapper. Am Standort von Fraunhofer FOKUS werden von ÖFIT außerdem zwei Indoor-Gateways betrieben.

LoRaWAN-Netzabdeckung durch The Things Network

Das Outdoor-Gateway ist Teil des The Things Network und in die Berliner TTN-Community eingebunden. Diese Netzinfrastruktur ist auf die Mitwirkungen einzelner Teilnehmer angewiesen. In Berlin ist eine gewisse Kontinuität durch Hochschulen und andere Institutionen gegeben, die zudem über hohe und damit gute Standorte für ihre Gateways verfügen. Im Gegensatz zum kommerziellen Mobilfunkangebot NB-IoT (Narrowband-IoT, eine andere LPWAN-Technik) kann eine Netzabdeckung nicht garantiert werden. Allerdings kann das Community-basierte Netz natürlich durch das Einbinden eines eigenen, zusätzlichen Gateways lokal gestärkt werden. Auch der Aufbau einer eigenen, privaten Infrastruktur ist möglich.

Die konkrete TTN-Netzabdeckung kann über Ausprobieren oder Messungen herausgefunden werden. Das Angebot TTN-Mapper sammelt Messungen der Abdeckung und stellt sie auf einer Karte dar. Für die Messungen werden GPS-basierte Ortskoordinaten mittels TTN übertragen, wobei sich aus den Metadaten der Übertragung ableiten lässt, welche Gateways das Messpaket mit welcher Signalstärke empfangen haben. ÖFIT beteiligt sich mit kommerziellem und selbstgebauten Equipment an den Messungen.

Übrigens gibt es auch eine Karte zur Netzabdeckung von NB-IoT der Deutschen Telekom.

LoRaWAN Smart Parking

In vielen urbanen Räumen herrscht heutzutage ein hoher Parkdruck. Ein Parkraummanagement durch sensorüberwachte Parkplätze ermöglicht gezieltes Monitoring, effiziente Steuerung von Verkehrsflüssen und neue Geschäftsmodelle für Kommunen und/oder Wirtschaft. Der ÖFIT-Demonstrator „Smart Parking“ – aufgebaut aus den beliebten Klemmbausteinen – veranschaulicht die zugrundeliegende Mess- und Funktechnik sowie die Einbindung in Softwaresysteme und bietet somit Anregungen für Diskussionen im Themenumfeld Smart City.

Derartige Systeme sind inzwischen auch im Einsatz, eine gute Übersicht über den Stand von Technik und Angeboten finden sich im Golem-Artikel „Ein Knöllchen von LoRa“.