Industrie 4.0 Internet der Dinge – Hype oder Zukunftsperspektive?

Autor / Redakteur: Joachim Hüpper * / Rainer Graefen

Trotz des Hypes um den Begriff des "Internet der Dinge" zeigt dieser Beitrag, dass die realen Möglichkeiten von heute bereits ein enormes Potenzial für die Zukunft versprechen.

Firmen zum Thema

Internet der Dinge: Für Embedded-Zulieferer sowie Dienstleistungs-Anbieter für Connectivity und Datenverwaltung verspricht dies ein zusätzliches Marktpotential im Wert von 300 Mrd. US-$.
Internet der Dinge: Für Embedded-Zulieferer sowie Dienstleistungs-Anbieter für Connectivity und Datenverwaltung verspricht dies ein zusätzliches Marktpotential im Wert von 300 Mrd. US-$.
(Bild: VBM-Archiv)

Das "Internet der Dinge" (IoT – Internet of Things) war 2014 eines der wichtigsten Schlagworte. Sind die damit verbundenen Technologien aber wirklich etwas Neues, oder eher eine Evolution und Ausweitung auf neue Bereiche von bestehenden Initiativen wie etwa Smart Metering oder Smart Grid, Heim- und Gebäudeautomatisierung, Industrie 4.0 oder intelligente Automotive-Systeme?

Wie aber entstanden die damit verbundenen Innovationen dieser früheren Programme? Wie haben diese Zugang auch zu anderen Marktsegmenten gewonnen? Welche Vorteile bieten sie und welche Herausforderungen mussten gemeistert werden?

Bildergalerie

Wird der Begriff "IoT" im Lauf des Jahres 2015 nicht abgegriffen erscheinen und an Bedeutung verlieren? Wird die zunehmende Vernetzung der Embedded-Geräten weiter voranschreiten, und wie setzt man die greifbaren Geschäftsmöglichkeiten bestmöglich um?

Das Internet of Things verändert die Welt

Heute sind eine Milliarde Menschen mit dem Internet verbunden. Das Marktforschungsunternehmen Gartner prognostiziert, dass 26 Mrd. Geräte bis zum Jahr 2020 online sein werden, was einer Steigerung um den Faktor 30 gegenüber 2009 entspricht . Für Embedded-Zulieferer sowie Dienstleistungs-Anbieter für Connectivity und Datenverwaltung verspricht dies ein zusätzliches Marktpotential im Wert von 300 Mrd. US-$. IoT-vernetzte Embedded-Geräte können in vielen Bereichen deutliche Vorteile bieten. Heute werden solche Geräte beispielsweise für folgende Anwendungsgebiete entwickelt und eingesetzt:

Gebäude

Aktuell laufen in Europa viele Initiativen zum Einsatz von Smart Metering. Dies geht auf eine Forderung der EU zurück, dass 80% aller Häuser in Europa bis zum Jahr 2020 mit intelligenten Elektrizitäts- und Gaszählern ausgestattet sein sollen. Die meisten dieser Programme unterstützen sowohl HAN (drahtloses Home Area Network) als auch WAN (Wide Area Network via Internet zurück zum Versorgungsunternehmen). Damit wird die Verbindung zwischen Zähler und intelligenten Thermostaten, Boilern oder Heizkörper-Ventilen Wirklichkeit. Der Energieversorger British Gas in Großbritannien hat bereits die App "HiVE" zur Heizungssteuerung über das Smartphone vorgestellt. Dabei werden Boiler und Thermostate über WiFi mit einem Router verbunden.

Für diesen Einsatz gibt es auch den schon oft kommentierten vernetzten und mitlernenden Thermostaten "Google Nest", der durch das Google-Programm "Works With Nest" erweitert wird. Mit diesem Konzept könnte man zum Beispiel ein Phillips Hue Beleuchtungssystem zum Blinken bringen, wenn der "Nest-protect"-Sensor Kohlenmonoxid erkennt.

In den kommenden Jahren könnten die Funktionen dieser ersten Produkte zum Standard werden und damit ein höheres Maß an Kontrolle und Energieeinsparungen ermöglichen - mit den entsprechenden Vorteilen für Konsumenten und Umwelt. In der Bürotechnik bieten Drucker schon seit Jahren eine Funktion, mit der sie Benutzer online auf die Notwendigkeiten eines Druckpatronen-Tausches hinweisen können. Haushaltsgeräte und AV-Systeme könnten dieses Konzept aufgreifen und Fehlercodes an den Hersteller oder Versorger melden, und damit Kundendienst-Besuche oder die Bestellung von Ersatz- oder Verschleißteilen initiieren. Damit würde sich die mühsame Suche nach einer Problembehebungsübersicht in der Bedienungsanleitung oder nach einem Ersatzteillieferanten erübrigen.

Fertigung

Vernetzte Fertigungsanlagen der nächsten Generation bilden den Kern der "Industrie 4.0", bei der intelligente Fertigungsstraßen, Maschinen und Produkte miteinander Daten austauschen und so gemeinsam den Fertigungsprozess steuern. Unternehmen wie etwa Siemens befinden sich bereits in fortgeschrittenen Phasen der Forschung und Entwicklung solcher Systeme. Ergänzt man diese zusätzlich mit Smart Tags, so werden selbst die für den Fertigungsprozess notwendigen Bestandteile vernetzt. Dies erleichtert die Anlagenverwaltung und die Verfolgung von Fertigungsmaterialien, verringert Fehlermöglichkeiten, erlaubt Verbesserungen bei Just-in-Time-Prozessen und senkt das Risiko von Diebstählen.

Umwelttechnik

Vernetzte Sensoren zur Erkennung von Umweltveränderungen oder frühzeitigen Warnung vor Erdbeben, Lawinen, Eruptionen und Tsunamis gibt es bereits seit einigen Jahren. Jetzt beginnt man mit der Installation von Sensoren und Signalstationen in größeren Städten und Metropolen. Aktuell läuft an vielen Stellen ein Versuchsbetrieb, so zum Beispiel am Flughafen von San Francisco und in der britischen Stadt Reading. Dort unterstützt man Sehbehinderte bei der Orientierung in ihrer Umgebung über Signalstationen.

Bildergalerie

Diese geben über ein Headset Sprachmeldungen aus, wo sich der Teilnehmer und was sich in seiner Nähe befindet. Kommen Fluggäste im Flughafen von San Francisco an einem der 500 Signalsender vorbei, so meldet ihr iOS-Gerät ohne aktive Nachfrage wichtige Informationen, z.B. zu den nächstgelegenen Abflug-Gates, Geldautomaten, Informationsschaltern oder Steckdosen.

Solche Konzepte ließen sich in Zukunft mit selbstfahrenden Autos weiter fortschreiben, die Staus vermeiden und ihre Routenplanung auf intelligente Weise für einen optimalen Verkehrsfluss aktualisieren. Sie würden dazu entlang der Strecke Daten aus Signalstationen nutzen, die mit einem zentralen Verkehrssteuerungssystem verbunden sind.

Werbung

Produkte wie Smart Watches und die Einführung einer Infrastruktur aus Signalstationen eröffnen für Werbeanbieter erhebliche Potenziale: Über die Sammlung von Benutzerdaten lassen sich Kunden zielgerichtet ansprechen. Die Möglichkeiten einer gezielten Platzierung kundenspezifischer Anzeigen auf den intelligenten Geräten des Kunden, während dieser an einem Laden vorbeigeht oder sich in einem umsieht, liegen deutlich auf der Hand. Ein solches Konzept wurde bereits im Jahr 2002 im Film Minority Report gezeigt.

Einzelhandel

Auf ähnliche Weise wie Fertigungsprozesse in der Industrie kann auch der Einzelhandel von Produkten profitieren, die mit dem Internet vernetzt sind. Die britische Handelskette Tesco erzeugte in den ersten sechs Monaten des Jahres 2013 fast 30.000 t Lebensmittel-Abfälle. In der gesamten Branche werden 68 Prozent des in Tüten abgepackten Salats weggeworfen . IoT bietet die Möglichkeit einer besseren Verfolgung und Steuerung von Lebensmitteln, um so Abfälle zu verringern.

Gesundheitswesen

Die in letzter Zeit immer beliebter gewordenen Produkte der Gesundheitsfürsorge, wie etwa Messgeräte für Blutdruck, Pulsfrequenz, Blutzucker oder Body-Mass-Index, eignen sich bestens für eine Weiterentwicklung zu vernetzten Geräten, die die erfassten Daten zur Diagnose und Analyse an die entsprechenden Stellen weiterleiten. Auf der diesjährigen Consumer Electronics Messe CES stand das Thema Connected Health im Zentrum der Aufmerksamkeit. Die Überwachung von Körperparametern und -Aktivitäten über intelligente Armbänder, wie beispielsweise der Firma Fitbit, wird zunehmend auf breiter Basis angenommen. Die Markteinführung von Apple Healthkit unter iOS 8 wird die Entwicklung noch vieler weiterer vernetzter Überwachungsgeräte vorantreiben.

Welche Herausforderungen sind damit verbunden?

Im Zuge des Hypes haben sich bereits einige reale Einsatzgebiete herauskristallisiert, es sind aber immer noch zahlreiche Herausforderungen zu bewältigen, bevor sich jedes dieser Anwendungsgebiete durchsetzen wird. Fünf dieser Bereiche werden im Folgenden genauer betrachtet.

Wireless

Wireless ist die praktikabelste Lösung für dezentrale Connectivity. In diesem Bereich gibt es jedoch eine massive Fragmentierung. Mobilfunk-Technologien haben sich gut bewährt, bieten aber keine Lösung für batteriebetriebene oder per Energy Harvesting versorgte Geräte wie Sensoren oder Signalstationen. Es gibt zahlreiche Wireless-Standards in geradezu überwältigender Auswahl: Wi-Fi, Wireless-Mbus, Bluetooth und IEE 802.15.4. Jeder von ihnen mag ein guter Kandidat sein, viele besitzen womöglich jedoch Unter-Standards und Frequenzen oder Software-Stack-Optionen - wie ZigBee, 6LowPAN, Thread for ‘802.15.4 - mit jeweils unterschiedlichen Stack-Versionen und Profilen, was zu Interoperabilitätsproblemen führt.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurde das Industrial Internet Consortium gegründet. Mehr als 100 Unternehmen sind dort bereits Mitglied, Ergebnisse stehen jedoch noch aus. Wireless-Lösungen benötigen darüber hinaus zur Sicherung der Kompatibilität zum gewählten Wireless-Standard eine sorgfältige Antennen-Entwicklung und -Optimierung einschließlich Zertifizierung. Beides sind komplexe Aufgabenbereiche, die spezielle Kompetenzen erfordern.

Datensicherheit

Datensicherheit dürfte für die meisten der schwierigste Aspekt sein. Viele IoT-Anwendungsgebiete sind mit Finanztransaktionen verbunden. Fehlende Datensicherheit könnte Systeme also einem Betrugsrisiko aussetzen, und die damit verknüpfte Infrastruktur könnte ein Ziel für terroristische Aktivitäten sein, wie etwa bei Systemen für Energie- oder Verkehrsmanagement. Viele Unternehmen, die Embedded-Anwendungen entwickeln, verfügen weder über hausinterne Kompetenzen noch über Erfahrungen zur Sicherung einer robusten Verschlüsselung und Authentifizierung. Sie müssen sich daher auf externe Spezialisten verlassen.

Für den Endverbraucher wird Datensicherheit zu einem wichtigen Thema, da dezentrale Sensoren und Signalstationen alle unsere Bewegungen und Aktivitäten verfolgen. Entscheidend für die Akzeptanz dieser Systeme ist die Sicherheit, dass die Daten vertraulich bleiben, und dass der Endkunde sie immer unter Kontrolle hat. Zahlreiche sehr viel einfachere Versuchsläufe im Bereich Smart Metering wurden bereits aufgrund von Sicherheitsbedenken der Verbraucher abgebrochen.

Big Data

Eine weitere Herausforderung für die Weiterentwicklung des IoT besteht darin, was mit all den Daten getan werden soll, die die vernetzten Sensoren verfügbar machen. In Großbritannien beträgt das Smart-Metering-Datenvolumen eines Jahres bei halbstündiger Ablesung von Gas- und Stromzähler ungefähr 3 Terabyte – und diese Daten stammen prinzipiell aus nur zwei vernetzten Sensoren! Die Erfassung, Zusammenfassung, Analyse und Aufbereitung dieser potentiell massiven, aus IoT-Systemen stammenden Datenmengen erfordert daher eine professionell verwaltete IT-Webserver-Infrastruktur.

Bildergalerie

Neben der Datenerfassung benötigen dezentrale, vernetzte Geräte auch Push-Funktionen zum Hochladen von Daten. Sorgfältiges Softwaredesign und umfassende Tests sind nötig, um Funktionen zu unterstützen, wie etwa ferngesteuerte Firmwarecode-Modul-Updates, das Hinzufügen neuer Funktionen sowie die Installation von Apps in Interpreter-Sprachen, wie Java, Python oder andere, einschließlich der entsprechenden Sicherheitsfunktionen. Diese sind erforderlich, damit nur authentifizierte Updates akzeptiert werden.

Energiequellen-bedingte Einschränkungen

Als weiteres technisches Problem sind die Energiequellen für die Sensoren zu berücksichtigen. Da die meisten Endgeräte in einer IoT-Umgebung nicht am Stromnetz hängen, werden Kunden diese kaum akzeptieren, wenn ein regelmäßiger Batterieaustausch nötig ist. Um Unannehmlichkeiten für den Kunden zu vermeiden, muss bei der zunehmenden Anzahl der Endgeräte auch die Batterielaufzeit eines jeden Gerätes verbessert werden. Die Häufigkeit eines Batterieaustausches bei 24 Geräten mit einer Batterie-Laufzeit von je zwei Jahren ist genauso hoch wie die bei einem einzigen Gerät mit einer Batterie-Lebensdauer von einem Monat. Folglich müssen effiziente Low-Power-Komponenten, ein stromsparendes Systemdesign und batterielose Techniken wie Energy Harvesting zum Einsatz kommen.

Anwendungsfälle in Geschäftsmodelle überführen

Als Letztes geht es darum, Ideen in Geld umzusetzen. Zweifellos werden viele IoT-Produkte auf den Markt kommen, jedoch werden sich nur Produkte mit gut durchdachtem Geschäftsmodell durchsetzen. IoT schafft neue Möglichkeiten für Einnahmequellen, die anders als früher über den einfachen Wert des physikalischen Bauteils hinausgehen. Welche Vorteile ergeben sich für Anbieter von Embedded-Lösungen?

Für die Anbieter von Embedded-Lösungen eröffnet die mit IoT verbundene Weiterentwicklung einer per Internet vernetzten Welt viele Möglichkeiten. In einigen Anwendungsfeldern bringt dies womöglich radikale Umwälzungen. Langsam reagierende, dominante Marktteilnehmer könnten dort von dynamischeren, innovativen Neueinsteigern verdrängt werden oder zumindest Marktanteile an diese verlieren. Beispiele dieser neuen Möglichkeiten sind:

Differenzierung und Innovation

Plattformen und die Vernetzung mit Sensoren und Aktoren ermöglichen eine Differenzierung gegenüber Wettbewerbern oder Neueinsteigern, die auf Märkte drängen, die bisher von anderen Anbietern beherrscht wurden. Ein gutes Beispiel hierfür ist ein integriertes Umgebungskontrollsystem im Wohnbereich. Hier konnte ein Hersteller von Sicherheitssystemen seine Produkte dadurch differenzieren, indem er Anwesenheitssensoren mit der Beleuchtungs- und Heizungssteuerung verknüpfte, und so zusätzliche Funktionen für Energiemanagement und die Überwachung schutzbedürftiger Personen ermöglichte. Das britische "Alertme"-System verdeutlicht dies als Beispiel auf besondere Weise.

Neue Dienstleistungsangebote

Für Endanwender werden neue Dienstleistungsangebote auf den Markt kommen, die die Kundenzufriedenheit weiter verbessern und neue Einnahmequellen erschließen: Datendienste zur Erfassung, Analyse und Aufbereitung der Informationen aus IoT-Sensoren oder zur Steuerung vernetzter Aktoren. Diese Dienste können dem Verbraucher entweder direkt oder über Drittanbieter zur Verfügung gestellt werden, die ihre Services für zusätzlichen Mehrwert aus Daten unterschiedlicher Quellen zusammenführen. Man denke nur daran, wie Google Maps mit den Preisen für Häuser aus Immobilienportalen zusammengeführt wurde, um Karten mit durchschnittlichen Immobilienwerten zur Abschätzung zukünftiger Entwicklungen zu erhalten.

Die Verfügbarkeit bewährter Plattformen mit erprobter Hard- und Software bilden eine wichtige Grundlage für die Entwickler von IoT-Produkten. Dies gilt insbesondere für die erforderlichen Wireless- und Sicherheits-Technologien, die außerhalb des Kernkompetenzbereichs bestehender Gerätehersteller und sicherlich auch von Startup-Unternehmen liegen. Kommunikationsmodule sind eine einfache Option für eine schnelle Erweiterung mit Wireless-Technologien, vor allem solange De-facto-Standards für IoT sich noch sehr im Wandel befinden. Beratungsservices werden daher besonders für Sicherheits- und Kommunikationstechnologien sehr gefragt sein.

Verbesserter oder zusätzlicher Mehrwert

Die Preise für Elektronikprodukte in Sicherheitssystemen, Haushaltsgeräten oder Halbleitern sinken kontinuierlich. Weil das IoT diese Produkte um neue Funktionen erweitert und damit Differenzierung schafft, lassen sich so auch die Produktpreise aufrechterhalten. Gleichzeitig ermöglicht IoT neue Dienste, die die gesammelten Daten nutzen oder eine Steuerung der verbundenen Aktoren ermöglichen, was neue Einnahmequellen erschließt. Zukunftsgerichtete Unternehmen haben bereits erkannt, dass rein auf Hardware ausgerichtete Geschäftsmodelle zunehmend durch solche abgelöst werden, die vom Mehrwert aus Lösungen, Software und Dienstleistungen profitieren.

* Joachim Hüpper ist Senior Principal Engineer für MCU/MPU Solution Marketing in der Industrial & Communications Business Group bei Renesas Electronics.

(ID:43239376)