Internet of Things

Wozu das alles?

Der Lautsprecher spielt auf Zuruf die gewünschte Musik, mit dem Smartphone wird kontrolliert wer vor der Türe steht wenn es klingelt, bei Sportveranstaltungen wird die lokale Wetterentwicklung genau vorhergesagt, die Uhr am Handgelenk protokolliert die Schrittanzahl – all das sind Beispiele für IoT-Anwendungen. Diese Liste ließe sich noch beliebig weiterführen, denn das IoT ist nicht nur bereits in unserem Alltag angekommen, sondern es ist kaum noch wegzudenken.

• Welche IoT-Beispiele kennt ihr?
• Wie helfen diese Beispiele im Alltag?

Wie funktioniert das IoT?

Ein typischer Aufbau eines IoT-Systems besteht meistens aus Geräten mit Sensoren, die Daten messen und senden, einer Zentrale, die die Daten verarbeitet und einem Kontrollgerät, das Einblick in das System gewährt.

Vervollständige den Aufbau eines IoT-Systems!

Geräte mit Sensoren

Sensoren erfassen Daten aus ihrer Umgebung und sind meistens an einen Mikrocontroller angeschlossen. Dieser liest die Daten aus, bereitet sie auf und sendet sie an eine Zentrale (oft Cloud genannt). Die Datenübertragung kann auf unterschiedliche Art erfolgen – zum Beispiel über WLAN, Bluetooth, Satellit oder über Mobilfunktechnologie wie LTE oder 5G.

Zentrale (Cloud)

Die Zentrale nimmt die Daten entgegen, speichert sie, wertet sie auch manchmal aus und liefert Befehle an das Gerät zurück. Sie besteht meistens aus vielen zusammengeschlossenen Computern, weil eine hohe Rechenleistung benötigt wird, wenn die Daten von unzähligen Sensoren gleichzeitig ausgewertet werden müssen. Die große Datenmenge, die dabei anfällt, wird auf vielen von der Zentrale verwalteten Festplatten gespeichert.

Je nach IoT-System entscheidet die Software in der Zentrale, wie auf die eingehenden Daten reagiert werden soll. Es kann zum Beispiel eine Alarmmeldung an bestimmte Personen gesendet werden oder die Software entscheidet selbst, ob eine Aktion am sendenden Gerät oder aber auch bei einem anderen Gerät ausgelöst werden soll. Wenn die Raumtemperatur in einem Haus zum Beispiel unter einen bestimmten Wert fällt, wird die Heizung eingeschaltet. Manchmal kann das die Software aber nicht selbst entscheiden und bietet daher eine Benutzeroberfläche an.

Benutzeroberfläche

Auf die Benutzeroberfläche kann der Nutzer meistens über verschiedene Geräte wie Computer, Tablet oder auch von unterwegs mit dem Smartphone zugreifen. Die Benutzeroberfläche stellt das ganze System oder Teile davon übersichtlich dar und erlaubt es oft dem Nutzer, Befehle an die entsprechenden Geräte zu senden. Mittlerweile wird immer mehr durch künstliche Intelligenz (KI) versucht, dem Nutzer die Arbeit so gut wie möglich abzunehmen, indem die richtigen Entscheidungen selbstständig getroffen werden.

Entwicklung

IoT ist keine neue Technologie, schon seit Beginn des Internets wurden Geräte zusammengeschlossen. Die technischen Entwicklungen der letzten Jahre führten aber zu einem richtigen Boom. Einfache Sensoren gibt es schon um wenige Euro und auch Mikrocontroller kosten nicht viel mehr. Die folgenden Bilder zeigen momentan sehr beliebte Mikrocontroller.

Anbieter von Clouds gibt es mittlerweile zahlreich und die Preise sinken auch hier. Für einfache Daten gibt es sogar kostenlose Angebote. Somit steht das Internet der Dinge uns allen zur Verfügung und die Anbindung wird immer günstiger und vor allem auch einfacher.

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Spiel
Wettervorhersage

Smart Homes

IoT-Technik wird immer mehr in Wohnungen und Häusern eingebaut, um sie „smart“ (intelligent) zu machen. Es geht darum, den Alltag angenehmer zu gestalten, indem lästige Pflichten durch Routinen automatisiert werden. Sensoren senden dabei Daten an eine Steuerzentrale, die wiederum Befehle an Aktoren sendet. Diese führen dann die gewünschte Aktion aus.

Solche Zentralen gibt es bereits einige und manche sind sogar kostenlos. Sie sammeln die Daten der Sensoren und stellen diese meistens übersichtlich in einer Visualisierung dar, auf die User per Smartphone, Tablet oder Touchscreen zugreifen können.

Immer öfter werden auch Sprachassistenten wie Amazon Alexa, Google Assistant und Apple Siri integriert. Dadurch können viele Befehle komfortabel per Sprache ausgeführt werden.

Die Zentralen laufen entweder in einer Cloud oder aus Datenschutzgründen auf einem eigenen Computer im Haus. Neben dem Datenschutz ist auch die Sicherheit vor Hackerangriffen ein wichtiges Thema. Sollte es einem Hacker gelingen, in das System einzudringen, dann könnte er zum Beispiel Lichter ein- und ausschalten, auf Kameras zugreifen oder einfach die Haustüre öffnen.

Mittlerweile gibt es eine Unmenge an Sensoren und Aktoren, die wiederum auf verschiedene Arten mit der Steuerzentrale verbunden werden. Dies ist oft problematisch, da die Geräte nicht miteinander kompatibel sind.

Selbstfahrende Autos

Selbstfahrende Autos sind für die fahrende Person viel bequemer. Doch neben dieser Gemütlichkeit geht es hauptsächlich um die Steigerung der Verkehrssicherheit und um eine geringere Schädigung der Umwelt.

Alle großen Autohersteller arbeiten fieberhaft an der Weiterentwicklung ihrer Autos und haben dafür 5 Level definiert:

Level 0: Keine Automatisierung

Die Person hinterm Steuer fährt, lenkt, beschleunigt, bremst etc. selbst.

Die Person hinterm Steuer bleibt voll verantwortlich.

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Was glaubst du, auf welchem Level wir uns im Moment befinden? Schiebe den Regler auf das entsprechende Level und klicke danach hier auf überprüfen!

Überprüfen

Sensoren für Assistenzsysteme

Autohersteller bauen eine Vielzahl an Sensoren in ihre Fahrzeuge ein. Dazu zählen diverse Kameras, Radar-Systeme, Ultraschallsensoren und Lidar-Systeme. Alle diese Sensoren liefern unermüdlich eine gewaltige Menge an Daten, die der Bordcomputer des Fahrzeugs verarbeiten muss. Nur sehr leistungsfähige und spezialisierte (und damit teure) Computer können alle anfallenden Daten in Echtzeit auswerten und sich somit ein detailliertes Bild der Umgebung machen. Zukünftige Systeme sollen so das Geschehen um sie herum bis zu zehn Sekunden vorausberechnen und das jederzeit und überall.

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Kamera

Lidar

Radar

Ultraschall

Vollautomatisierte Fahrzeuge sind nur vertretbar, wenn sie weniger Unfälle verursachen als von Menschen gelenkte. Unfälle können und werden aber trotzdem passieren, vor allem in der Anfangsphase, in der die Systeme noch nicht ausgereift sind. Außerdem werden noch einige Jahre nicht vollautomatisierte Fahrzeuge unterwegs sein, deren Fahrerinnen und Fahrer immer wieder für unvorhersehbare Situationen sorgen können. Zusätzlich ergeben sich neue Fragestellungen, die insbesondere die Entscheidungssituationen von KI beim automatisierten Fahren betreffen.

Lies dir den Text durch und mache die Übungen!

Smart Cities

Immer mehr Menschen siedeln sich in Städten oder in deren näherem Umfeld an. Dies stellt eine große Belastung für die verfügbaren Ressourcen dar und treibt die umweltschädlichen Emissionen in die Höhe. Daher ist es sehr wichtig, die Städte effizient zu planen bzw. zu betreiben – man redet von intelligenten Städten, Smart Cities.

Was genau eine Smart City ausmacht, ist noch nicht einheitlich definiert. Grundsätzlich geht es aber darum, die Städte effizienter, umweltfreundlicher und vor allem lebenswerter zu machen. Um dies zu erreichen, wird besonderes Augenmerk auf die Digitalisierung in den folgenden Bereichen gelegt:

• Mobilität/Infrastruktur: ein gutes Verkehrskonzept mit öffentlichen Verkehrsmitteln und Radwegen, öffentliche Internetzugänge
• Lebensqualität: gute Bildungsmöglichkeiten, ein effizientes Gesundheitssystem
• Verwaltung: behördliche Anfragen oder Anträge online erledigen, öffentliche Transparenz
• Umwelt: Energieversorgung mit erneuerbaren Energieformen, Abfallwirtschaft mit Recycling, energieeffiziente Gebäude

Um die Abläufe in einer Smart City optimieren zu können, werden durch zahlreiche Sensoren Daten gesammelt und der Bevölkerung zur Verfügung gestellt. Dadurch können alle zu einem besseren Zusammenleben beitragen.

Hacks und Tricks

Leitlinien zum Datenschutz bei der Nutzung von IoT-Anwendungen:

• sensible Daten anonymisieren oder verschlüsseln (z. B. Verschlüsselung von Gesundheitsdaten, bevor sie übertragen werden)
• zur Datenübertragung zwischen IoT-Gerät und anderen Plattformen sichere Verbindungen (wie HTTPS) nutzen und öffentliche WLAN-Netzwerke meiden
• sicherstellen, dass die Firmware (Betriebssystem) des IoT-Geräts aktuell ist (Sicherheitsupdates), um potenzielle Schwachstellen zu schließen
• Verwendungszweck von Daten hinterfragen (z. B. smartes Thermometer benötigt keine persönlichen Daten)
• Möglichkeit auf Datenlöschung und Zurücksetzen des Geräts überprüfen (z. B. Videoclips der Heimüberwachung)