Smart Technologies, Software Development, IoT

Digitalisierung 4.0: Meistere die digitale Transformation im IoT

Die Digitalisierung 4.0, auch als digitale Transformation bekannt, stellt dich vor große Herausforderungen. Du musst die Digitalisierung deiner Prozesse und Produkte vorantreiben, damit du den Anschluss an deine Mitbewerber nicht verlierst. In diesem Artikel gebe ich dir einen Überblick zum „Internet der Dinge“ (IoT) und eine Orientierung, welche Aspekte zu beachten sind, um dein Produkt oder Geschäftsmodell „smart“ zu machen.

Die Themen Digitalisierung 4.0, Industrie 4.0 etc. werden heutzutage überall diskutiert, und fast jeder befasst sich damit. Selbst Stammtischrunden philosophieren darüber, wo die technische Entwicklung noch hinführt. Ein wesentlicher Bestandteil all dieser Themen ist das Internet of Things (IoT).

Doch was ist das überhaupt, dieses IoT? Wie machst du als Hersteller deine Produkte „smart“ und was musst du dabei beachten?

IoT einfach erklärt

IoT, also das Internet der Dinge, ist ein Teilbereich der Digitalisierung 4.0. Damit ist gemeint, dass sich Dinge, meist Mikrocontroller gesteuerte Sensoren und Aktoren, also mechatronische oder cyber-physische Systeme, in einem Datennetzwerk miteinander verbinden. Innerhalb dieses Netzwerks lassen sich die Dinge wiederum durch den Nutzer steuern. Sie sammeln Daten und tauschen diese mit anderen Geräten und Diensten aus.

Zu diesen handfesten Dingen kommen Webservices als virtuelle Dinge hinzu. Sie laufen irgendwo im Internet und liefern beispielsweise aktuelle Wetterdaten, Verkehrsinformationen oder andere Live-Daten.

Die Produktpalette der Smart-Home-Industrie umfasst bereits eine Vielzahl smarter Dinge. Angefangen bei Leuchtmitteln über Steckdosen, Kameras, Rolladensteuerungen, digitale Wetterstationen, Alarmsysteme mit Tür-/Fensterkontakten, Rauchmelder und Babyphones bis hin zu einer Vielzahl weiterer Sensoren und Aktoren.

Die Einsatzbereiche sind vielfältig und gliedern sich aktuell hauptsächlich in zwei Teilbereiche:

  • Das industrielle Internet of Things (IIoT)

    Beim IIoT geht es darum, Industriemaschinen zu steuern, zu vernetzen und ihre Sensordaten auszuwerten. Ziel ist es, den Produktionsprozess digital zu gestalten und zu optimieren.

  • Consumer-IoT als aktueller Vorreiter vieler smarter Bereiche wie:
    • Smart Home
    • Smart City
    • Smart Farming
    • Smart Energy
    • Smart Health
    • Smart Production
    • und vielen mehr.
    Consumer-IoT vernetzt Smart-X-Dinge miteinander, die das tägliche Leben erleichtern sollen.

Von den oben genannten Bereichen ist Smart Home wohl der im Moment wichtigste, weil mehr Menschen mit ihm in Kontakt kommen als mit jedem anderen. Zur Zielgruppe dieser Consumer-IoT-Sparte zählen momentan noch vorwiegend die technikaffinen und probierfreudigen Enthusiasten. Aber auch die digitalen Produktionsprozesse werden für den Endkunden zunehmend erfahrbarer, da dieser sich jederzeit über den aktuellen Produktions- oder Auslieferungsstand eines bestellten Produktes informieren und gegebenenfalls noch bis kurz vor oder während der Produktion die Spezifikation anpassen kann.

Wichtige Aspekte für die digitale Transformation

Die richtige Infrastruktur, innovative Methoden, intelligente Algorithmen und die smarten Geräte bilden die Grundlage für hoch automatisierte und autonome Systeme. Sie steigern Effizienz und Produktivität der gesamten Prozesskette und entlasten den Menschen.

Das Beispiel autonom fahrender Fahrzeuge macht deutlich, welche Herausforderungen es noch zu meistern gilt:

  • Wie sollen Fahrzeuge untereinander kommunizieren?
  • Wie kann ich einen angemessenen Datenschutz gewährleisten?
  • Wer haftet? Mit welchem Anteil? Autohersteller, Softwarelieferant oder Fahrer?

Mehrwert der Digitalisierung 4.0 für dein Unternehmen

Ein wesentlicher Faktor für die Entscheidungen von Maschinen ist die Datenbasis. Sensorische Geräte stellen Daten bereit. Diese entstehen nicht nur bei Interaktionen zwischen Mensch und Maschine, sondern auch kontinuierlich, ohne Zutun des Menschen, zum Beispiel durch stetige Protokollierung von Messwerten und Machinenzuständen. Auf diese Weise entstehen sehr große Datenmengen.Wir sprechen von Big Data.

Der aus dem englischen Sprachraum stammende Begriff Big Data [ˈbɪɡ ˈdeɪtə] (von englisch big ‚groß‘ und data ‚Daten‘, deutsch auch Massendaten) bezeichnet Datenmengen, welche beispielsweise zu groß, zu komplex, zu schnelllebig oder zu schwach strukturiert sind, um sie mit manuellen und herkömmlichen Methoden der Datenverarbeitung auszuwerten.“[1]

Eine geschickte Auswertung dieser Daten gibt nicht nur Auskunft darüber, welche Produkte sich gerade am besten an wen verkaufen. Nein, intelligente Algorithmen können diese Daten für Vorhersagen nutzen. Beispielsweise um Betrug bei Bestellungen in einer E-Commerce Plattform zu erkennen.

Beispielsweise kannst du in der Produktion mit Machine-Learning-Methoden anhand der Betriebsdaten deiner Anlagen Predictive Maintenance oder Anomaly-Detection betreiben. Bei Predictive Maintenance wird anhand von Sensordaten, Nutzungsdaten, Geräuschen, Bildern und weiteren Einflussfaktoren prognostiziert, wann eine Maschine gewartet werden sollte, damit sie nicht ausfällt. Wird die Qualitätskontrolle durch Anomaly-Detection auf den Maschinendaten und auf weiteren Daten aus der Produktionskette angereichert, können auf diese Weise Abweichungen präziser erkannt werden. Die Wahrscheinlichkeit steigt, dass ein Produkt oder Werkstück der geforderten Qualität entspricht.

Als Hersteller smarter Produkte kannst du im Betrieb des Gerätes anfallende Daten sammeln. Über sogenannte digitale Zwillinge hältst du die Daten aus der Entwicklung, die Betriebsdaten aus Kundeninteraktionen und Messwerten sowie die Updates über den kompletten Produktlebenszyklus jedes einzelnen Dings im Feld zusammen und verschaffst dir damit einen Vorteil. Erkenntnisse aus der Auswertung dieser Daten kannst du in die Entwicklung neuer Produkte beziehungsweise Produktversionen sowie in die Kundenbetreuung einfließen lassen. Wenn ein Gerät personenbezogene Daten erfasst, beispielsweise Geokoordinaten, Audiodaten oder biometrische Informationen, ist immer auch der Datenschutz zu beachten.

Mehrwert smarter Geräte für den Endkunden

Sammelt das smarte Zuhause genügend Informationen (lassen wir die Datenschutzfrage mal außen vor), können intelligente Algorithmen Schlüsse daraus ziehen und vorausschauend Heizung, Licht und andere Gadgets regulieren. Der Mensch ist ein Gewohnheitstier. Deshalb können intelligente Smart-Home-Systeme inzwischen sehr gut voraussagen, wie sich die Hausbewohner am wohlsten fühlen und wann sie welche Einstellungen brauchen.

Der Nutzer kann sämtliche Gerätschaften im smarten Zuhause steuern und erhält seitens der Geräte eine Vielzahl von Informationen zurück. Die vorherrschende Kommunikationsschnittstelle sind Smartphones, die mit entsprechenden Apps die Steuerung des Smart Homes übernehmen.

Wenn du für dein Produkt eine App-Steuerung brauchst, solltest du abwägen, ob du sogenannte native Apps sowohl für Android als auch für iOS anbieten möchtest. Denn dies führt zwangsläufig zu einem doppelten Entwicklungs- und Wartungsaufwand. Positiv schlägt die optimale Performance zu Buche. Außerdem kann deine App dann sämtliche gerätespezifischen Funktionen des jeweiligen Smartphones nutzen.

Alternativ kannst du Web-Technologien einsetzen, die auf beiden Endgerätetypen laufen und dadurch nur einen Entwicklungsstrang benötigen. Die Entscheidung hängt meist davon ab, welche Funktionen in der jeweiligen Technologie realisierbar sind oder nicht und wie sich die optimale Usability am besten umsetzen lässt.

Neben Smartphones zählen auch Sprachassistenten wie Alexa, Siri & Co sowie Dashboards zu den Kommunikationskanälen zwischen Benutzern und ihrer smarten Welt. Dashboards bieten sogar den Mehrwert, aufbereitete Daten darstellen zu können. Auch Displays in Autos stellen eine Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine dar – oder auch die Notbremsung, die das Auto selbsttätig einleitet.

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Dein Weg zum smarten Produkt

Du hast bereits erkannt, wie sinnvoll es ist, sich mit der Digitalisierung 4.0 auseinanderzusetzen. Außerdem hast du vermutlich schon eine grobe Idee, wie du deine Produkte smart machen möchtest. Im Folgenden gebe ich dir deshalb eine Orientierung, auf welche Punkte du besonders achten solltest, wenn du in der IoT-Welt Fuß fassen möchtest.

Die geeignete Kommunikationstechnologie

Zunächst musst du dein Produkt dazu bringen, sich vernetzen zu lassen. Hier gibt es viele Möglichkeiten: Für den Smart-Home-Bereich haben sich Funklösungen wie WLAN, Zigbee, Homematic, Zwave und Bluetooth etabliert. Die Auswahl der Kommunikationsschnittstelle sollte sich an Sicherheitsanforderungen, aber auch am üblichen Standort des Geräts ausrichten: innen, aussen, Wohnung, Haus, Industriehalle, Decke, Fußboden, nähe zu anderen Geräten, physischer Zugang, fest installiert oder mobil. Außerdem ist wichtig, wie viele Geräte in einem lokalen Funknetz erwartet werden. Du solltest auch die Entfernungen berücksichtigen, die die Funkstrecke überwinden muss, und darfst auch den dafür nötigen Energiebedarf nicht außer Acht lassen.

Bei kabelgebundenen Geräten bietet sich ein Bussystem wie KNX oder direkt ein IP-Netzwerk an. In der Industrie hat sich der Standard OPC/UA für den Datenaustausch durchgesetzt. Aber auch hier gibt es durchaus ethernetbasierte Lösungen sowie proprietäre Kommunikationsformate, sowohl über Funk als auch kabelgebunden.

Die Hardware des smarten Produktes

Ist die Auswahl der Kommunikationstechnologie geschafft, gilt es dein Gerät mit der entsprechenden Hardware und Software auszustatten.

Die Hardware besteht hauptsächlich aus einem Mikrocontroller, Speicher, E/A-System für die Sensoren und Aktoren innerhalb des Geräts sowie dem Kommunikations-Chip. Bei Funklösungen ist selbstverständlich eine Antenne ein zwingend erforderliches Bauteil. Während der Kommunikations-Chip von der Entscheidung des Kommunikationsweges abhängt, müssen Mikrocontroller und Speicher zum Anwendungsfall passen.

Soll das Gerät Daten nicht nur erfassen und weiterleiten, sondern bereits selbst Daten verarbeiten, solltest du auf eine Architektur mit Multithreading zurückgreifen und für schnellen Speicher sorgen, insbesondere dann, wenn viele Daten parallel verarbeitet werden müssen.

Sind die Daten nicht zeitkritisch, kann das Gerät sie puffern und nach und nach versenden. In solch einem Szenario kannst du energiesparende Komponenten verbauen.

In einer weiteren Variante versendet das Gerät keine Daten aktiv, sondern stellt sie nur auf Anfrage zur Verfügung. Dies ist natürlich nur dann eine Option, wenn der Anwendungsfall ohne das Senden von Daten auskommt. Auch ist ein Szenario denkbar, in dem Geräte mit einem lokalen Gateway kommunizieren, in dem dann leistungsfähigere Hardware verbaut ist und welches dann die Daten aggregiert, optimiert, auswertet und in die Cloud schickt. Ein lokales Gateway kann aber auch als Backup fungieren, wenn das Internet mal nicht funktioniert. Im industriellen Bereich reden wir auch von einem sogenannten Edge-Gateway mit Anschluss an die Cloud.

Anforderungen an die Firmware

Die Software für das Gerät – die sogenannte Firmware – ist ein Teil, der erfahrungsgemäß „leben“ sollte. Das heißt: Bei der Entwicklung der Firmware musst du darauf achten, dass man sie dezentral aktualisieren kann. Dadurch besteht die Möglichkeit, Fehler zu beheben, Sicherheitslücken zu schließen sowie neue Features bereitzustellen.

Der nächste wichtige Schritt ist die Konzeption einer Cloud-Infrastruktur. In der Cloud werden Services wie User- bzw. Account-Management, Firmware-Update, Device- Management sowie das Sammeln und Auswerten der Daten realisiert.

Grundsätzlich kann man dazu auf die Dienste eines Cloud-Anbieters zurückgreifen oder eine eigene Cloud-Infrastruktur aufbauen. Die Auswahl einer Cloud-Lösung hängt vom Einsatz der Geräte und speziell von der Nutzung der Daten ab. Datenschutzbestimmungen, Kosten und die angebotenen Services sind ebenfalls ausschlaggebend. Ein Abwägen zwischen Datenschutz, dem Vertrauen in den Cloud-Anbieter und dem Aufwand für den Betrieb einer eigenen Cloud-Infrastruktur sind nach aktueller Lage die wichtigsten Entscheidungsfaktoren.

Clouds wie Azure, AWS oder Google punkten dabei mit dem Ansatz des „Software as a Service“ (SaaS). Damit kann man schnell und lösungsorientiert starten, ohne sich um das Handling eines komplexen Eigenbetriebs kümmern zu müssen. Es gibt aber durchaus Szenarien, in denen es sich lohnt, eine eigene Infrastruktur bereitzustellen. Zum Beispiel bei sicherheitskritischen Anwendungen, zum Schutz vor Betriebsspionage, oder wenn so viel Rechenleistung und Speicher benötigt wird, dass sich ein Eigenbetrieb rechnet.

Will man auf die Cloud verzichten, können auch lokale Gateways innerhalb eines abgeschlossenen Systems die Vernetzung von Dingen übernehmen. Bei dieser Variante sind allerdings Aspekte der Interoperabilität mit anderen Systemen sowie die (Fern-) Wartung zu berücksichtigen. Diese sind dann nicht mehr so einfach zu realisieren.

Beim Thema Interoperabilität solltest du darauf achten, dich nicht von der Konkurrenz abzuschotten. Du solltest klar definierte Schnittstellen anbieten, über die andere Systeme mit deinen Geräten kommunizieren können. Denn das Risiko, ein proprietäres, abgeschlossenes System aufzubauen, will heutzutage niemand mehr tragen. Außerdem ist es viel einfacher, deine Produkte in eine bereits bestehende Systemlandschaft zu integrieren. Unter diesem Aspekt ist es daher dringend erforderlich, über Standardisierungen zu sprechen.

Zusammenfassung und Fazit

Ob du ein smartes Zuhause brauchst, kannst du auf Grundlage deiner persönlichen Wünsche und Vorlieben selbst entscheiden. Im industriellen Internet of Things ist es für dich als produzierenden Unternehmer allerdings Pflicht, über digitale Produktionsprozesse nachzudenken, damit du wettbewerbsfähig bleibst. Und wenn du Produkte herstellst, die durch die digitale Transformation ihren Marktwert steigern können, solltest du die Chance nutzen, sie IoT-fähig zu machen.

Es gibt unglaublich viele mögliche Anwendungsfälle, die sowohl deinem Produkt als auch deiner Produktion ungeahnte Chancen verleihen können. Deinen Ideen sind keine Grenzen gesetzt, sofern du bei der Umsetzung die wesentlichen Kriterien beachtest.

Viele kleine und mittelständige Unternehmen stehen vor demselben Problem. Wir haben langjährige Erfahrung in der Vernetzung von Dingen und können dich in allen Phasen unterstützen: von den ersten Überlegungen über konkrete Entscheidungen bis hin zu Umsetzung und Betrieb.


[1] https://de.wikipedia.org/wiki/Big_Data
   
Über Benedikt Niehues

Benedikt Niehues ist seit 2005 Software-Architekt bei itemis in Lünen. Als Allrounder unterstützt er Kunden auf verschiedenen Gebieten. Er interessiert sich für IoT sowie für agile und modellgetriebene Softwareentwicklung.