Internet of Things. Eine Analyse des State of the Art

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Begriff und Konzept des „Internet of Things“
1.2 Aufbau der Arbeit und Vorgehensweise

2.. Technologien
2.1 Identifikation
2.2 Sensornetze
2.3 Kommunikation

3 Anwendungsbereiche
3.1 Industrielle Produktion
3.2 Smart Home
3.3 Smart City
3.4 Smart Grid
3.5 Gesundheitswesen
3.6 Transport und Logistik
3.7 Landwirtschaft

4 Herausforderungen
4.1 Sicherheit
4.2 Privatsphäre
4.3 Technische Herausforderungen

5... Zusammenfassung und Ausblick
5.1 Zusammenfassung
5.2 Ausblick

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Thema „Internet of Things“. Dabei ist das Ziel, den aktuellen Entwicklungsstand umfassend darzustellen. Dazu werden zunächst die technologischen Grundlagen erläutert. Zu den wichtigsten Technologien im Internet of Things gehören Identifikations- und Kommunikationstechnologien und Sensornetze. Im Anschluss daran wird genauer auf die einzelnen Anwendungsgebiete eingegangen. Innerhalb dieser soll gezeigt werden, wie durch den Einsatz von Technologien des Internet of Things Mehrwert geschaffen werden kann und welche Anwendungen bereits diskutiert und implementiert wurden. Zuletzt wird beschrieben, welche Herausforderungen bewältigt werden müssen, um das volle Potential der Technologie entfalten zu können.

1. Einleitung

1.1 Begriff und Konzept des „Internet of Things“

Das Internet of Things ist ein Konzept, welches zunehmende Beachtung der Wirtschaft und Wissenschaft erfährt. Die Idee hinter diesem Konzept ist die durchdringende bzw. allumfassende Präsenz von Dingen oder Objekten, die miteinander agieren und kooperieren können, um gemeinsame Ziele zu erreichen (Atzori et al. 2010). Solche Dinge bzw. Objekte können z.B. RFID-Transponder, Sensoren, Aktoren, Mobiltelefone oder andere Gegenstände sein, die mit einem Mikroprozessor und einer Antenne ausgestattet sind. Laut einer Studie des McKinsey Global Institute gab es 2015 etwa 9 Milliarden vernetzter Objekte. Diese Anzahl soll bis 2020 je nach Schätzung auf 25-50 Milliarden steigen. Der ökonomische Wertbeitrag soll bis 2025 insgesamt bis zu 11 Billionen Dollar betragen, wobei auch Kosteneinsparungen durch Effizienzsteigerungen dazugerechnet werden (Manyika et al. 2015). Verizon rechnet damit, dass das Marktvolumen des Internet of Things von heute 591 Milliarden Dollar auf 1,3 Billionen Dollar im Jahr 2019 anwachsen soll. Das entspricht einer jährlichen Wachstumsrate von 17% (Verizon 2016).

Der Begriff „Internet of Things“ geht auf die Auto-ID Center zurück. Die Auto-ID Center (heute Auto-ID Labs) sind ein Netzwerk akademischer Forschungszentren, die auf dem Gebiet von RFID (Radio Frequency Identification) und Sensornetzen entscheidende Arbeit geleistet haben (Atzori et al. 2010). Kevin Ashton, Mitbegründer und ehemaliger Leiter des Auto-ID Center am Massachusetts Institute of Technology, beschrieb im Jahr 1999 das Internet of Things als „uniquely identifiable interoperable connected objects with radio-frequency identification (RFID) technology” (Li et al., S. 243).

Der Begriff „Internet of Things“ hängt laut Friedewald et al. (2010) ach eng zusammen mit Begriffen wie Ubiquitious Computing, Pervasive Computing oder auch Ambient Intelligence, die zum Teil synonym verwendet werden. Die Unterscheide dieser Begriffe sind allerdings eher akademischer Natur. „Gemeinsam ist allen das Ziel der Unterstützung des Menschen sowie einer Optimierung und Förderung wirtschaftlicher und sozialer Prozesse durch eine Vielzahl von in die Umgebung eingebrachten Mikroprozessoren und Sensoren“ (Friedewald et al., S. 45).

Das European Research Cluster on the Internet of Things (IERC) beschreibt das Internet of Things als “a global infrastructure for the information society, enabling advanced services by interconnecting physical and virtual things based on existing and evolving interoperable information and communication technologies (Vermesan & Friess, S. 15). In anderen Worten ist das Ziel des Internet of Things, Dingen zu ermöglichen, sich jeder Zeit an jedem Ort mit einem beliebigen anderen Objekt verbinden zu können.

1.2 Aufbau der Arbeit und Vorgehensweise

Ziel dieser Arbeit ist es, einen Überblick über das Thema „Internet of Things“ zu geben. Dabei liegt der Fokus auf der Darstellung des aktuellen Standes von Wissenschaft und Technik. Die Arbeit gliedert sich in fünf Abschnitte. Im ersten Kapitel wird dargestellt, wie die Arbeit aufgebaut ist und was man unter dem Konzept „Internet of Things“ versteht. Um ein besseres Verständnis für die technologischen Rahmenbedingungen zu erreichen, werden anschließend die wichtigsten Technologien erläutert. Das dritte Kapitel gibt einen Überblick über die verschiedenen Anwendungsgebiete und den jeweiligen Stand der Technik darin. Darauf aufbauend folgt eine Diskussion über aktuelle Herausforderungen bei der Umsetzung des Konzepts „Internet of Things“ in die Realität. Abschließend werden die Erkenntnisse der Arbeit zusammengefasst und ein Ausblick auf die weitere mögliche Entwicklung des Themas gegeben.

Methodische Vorgehensweise

Die Methode dieser Arbeit ist eine Literaturrecherche. Zu Beginn wurden die Literaturdatenbanken Business Source Complete, ABI/INFORM Collection, Google Scholar, WISO, Universitätsbibliothek Erlangen-Nürnberg sowie SpringerLink durchsucht. Da das Thema „Internet of Things“ erst in jüngerer Zeit größere Beachtung erfahren hat, wurde der relevante Zeitraum für die Suche auf die Jahre 2005-2016 begrenzt. Im Rahmen der Literaturanalyse fanden sich einige Bücher, zahlreiche wissenschaftliche Artikel und Studien von Unternehmen. Für die Generierung eines Leitfadens für die Arbeit wurde sich auf die Bücher und drei Surveys (Atzori et al. 2010; Li et al. 2015; Whitmore et al. 2015) gestützt. Mit Hilfe der wissenschaftlichen Artikel und Studien konnten die Teilaspekte des Themas detailliert dargelegt werden. Weiterhin wurde die Studien genutzt, um die aktuellen Entwicklungen und Sichtweisen der Marktteilnehmer zu berücksichtigen.

2. Technologien

Das folgende Kapitel beschäftigt sich mit den Technologien, die das Internet of Things ermöglichen. Dazu wurden nach einer systematischen Literaturanalyse fünf Quellen ausgewählt, welche die wichtigsten Technologien übersichtlich darstellen (Fleisch & Mattern 2005) (Li et al. 2015) (Atzori et al. 2010) (Al-Fuqaha et al. 2015) (Friedewald et al. 2010). An diesen wird sich im Folgenden orientiert.

Zunächst wird die RFID-Technologie erklärt, welche die Identifikation von Dingen erlaubt. Im Anschluss daran wird die Funktionsweise von Sensornetzen dargestellt. Abschließend werden die verschiedenen Kommunikationstechnologien beschrieben, welche die drahtlose Kommunikation zwischen Objekten ermöglichen.

2.1 Identifikation

Die Identifikation dient dazu, Objekte mit bestimmten Informationen zu verknüpfen, die dem Besitzer oder dem Produzenten Nutzen stiften können. Solche Informationen können Statusinformationen sein, wie z.B. Ort oder Produktidentifikationsnummer oder auch der Umgebungszustand (Fleisch & Mattern 2005). Mithilfe dieser Informationen ist es dann möglich, Dinge während ihres Lebenszyklus zu verfolgen und zu überwachen (Li et al. 2015). „So könnte ein Hammer seinem Besitzer mitteilen, wo er sich befindet und seinem Produzenten, wie oft er schon benutzt worden ist.“ (Fleisch & Mattern 2005, S. 24)

Eine bekannte Identifikationstechnologie ist der Barcode. Der Barcode ist ein Symbol, welches auf einem Objekt aufgebracht wird. Auf dem Barcode sind Informationen gespeichert, z.B. eine Produktnummer, die von einem optischen Lesegerät (z.B. Kamera oder Scanner) ausgelesen werden können. Dabei können die Daten nur dann ausgelesen werden, wenn sich der Barcode in direktem Sichtkontakt zum Lesegerät befindet. Weiterhin können die Informationen auf dem Barcode nach Herstellung nicht mehr verändert werden.

Als wichtigste Identifikationstechnologie für das Internet of Things hat sich die RFID-Technologie etabliert (Atzori et al. 2010; Fleisch & Mattern 2005; Friedewald et al. 2010). Beim Einsatz von RFID werden Daten berührungslos und ohne Sichtkontakt per Funkverbindung übertragen. RFID wird daher auch als kontaktlose oder automatische Identifikation (Auto-ID) bezeichnet (Friedewald et al. 2010).

Ein RFID-System besteht grundsätzlich aus zwei Teilen, einem Lesegerät und einem Transponder (Kern 2006). Der Transponder besteht aus einer Kopplungseinheit und einem Mikrochip. Die Kopplungseinheit, eine Antenne oder Spule, dient dem Senden und Empfangen der Radiowellen, während der Mikrochip zur Verarbeitung und Speicherung von Informationen dient (Fleisch & Mattern 2005). Das Lesegerät ist mit einem Rechner verbunden, von dem es Kommandos erhält. Das Lesegerät kann zum einen angewiesen werden, die Informationen von allen sich in der Nähe befindlichen Transpondern auszulesen. Zum anderen kann das Lesegerät die Daten auf den Mikrochips der Transponder überschreiben (Fleisch & Mattern 2005).

Grundsätzlich unterscheidet man bei den Transpondern nach Art der Energieversorgung (Fleisch & Mattern 2005).

- Passive Transponder nutzen lediglich die Energie des Magnetfelds, welches das Lesegerät erzeugt.
- Aktive Transponder verfügen über eine Batterie zur Energieversorgung.
- Semi-aktive Transponder nutzen die Energie des Lesegeräts zum Senden der Daten und die eigene Batterie zur Versorgung des Mikrochips.

Aktive Transponder können ihre Informationen über eine höhere Distanz senden als passive Transponder. Andererseits sind die Produktionskosten für passive Transponder relativ gering, was einen Vorteil für die Verbreitung der RFID-Technologie für das Internet of Things bedeutet (Abdmeziem et al. 2015).

Weitere Gründe, die für die Wichtigkeit von RFID im Internet of Things sprechen, sind die starke Unterstützung aus der Geschäftswelt und der hohe Reifegrad der Technologie (Atzori et al. 2010). Die Reduktion von Größe, Gewicht, Energieverbrauch und Kosten der Transponder erlaubt es zudem, diese an fast jedem Gegenstand anzubringen, unabhängig von der äußeren Umgebung. (Suresh et al. 2014; Atzori et al. 2010).

Die Entwicklung und Verbreitung von RFID wurde durch das Verteidigungsministerium der USA und Wal-Mart entscheidend vorangetrieben. Diese verlangten 2005 von allen ihren Geschäftspartnern, ihre Lieferungen mit RFID-Transpondern zu versehen, um das Supply-Chain-Management und die Logistik zu erleichtern (Sundmaeker et al. 2010). Laut Kevin Ashton, Mitbegründer und ehemaliger Leiter der Auto-ID Labs, stellte das den Meilenstein in der Entwicklung und Verbreitung von RFID dar (Sundmaeker et al. 2010). Heute wird die RFID-Technologie auch in zahlreichen anderen Branchen eingesetzt, wie z.B. in der Transport-und Logistikbranche, Luftfahrt, Handel und im Supply Chain Management vieler großer Unternehmen (Atzori et al. 2010).

2.2 Sensornetze

Einen weiteren wichtigen Bestandteil des Internet of Things stellen Sensoren bzw. Sensornetze dar. Ein Sensor ist ein Bauteil, welches bestimmte physikalische Eigenschaften der Umgebung erfasst und in ein elektrisches Signal umwandelt (Andelfinger & Hänisch 2015). Solche physikalischen Eigenschaften können Licht, Temperatur, Beschleunigung, Druck, Magnetfeld etc. sein (Fleisch & Mattern 2005). Sensoren helfen so dabei, die reale Welt der Dinge virtuell abzubilden. Kombiniert man beispielsweise einen RFID-Transponder mit einem Sensor, kann ein Lesegerät neben der eigentlichen Identifikationsnummer auch weitere Merkmale des Objekts und seiner Umgebung auslesen (Atzori et al. 2010).

Da bei einer üblichen Anwendung eine hohe Anzahl von Sensoren Daten erfasst, müssen diese zentral gesammelt und zur Analyse bereitgestellt werden. Das geschieht über sogenannte Sensornetze. Ein Sensornetz besteht meist aus einer Vielzahl von Sensorknoten, die drahtlos miteinander kommunizieren können (Hähner et al. 2007). Dabei sind „Sensorknoten (…) miniaturisierte Computer, die neben einem Mikroprozessor und einer Kommunikationsschnittstelle – mit Sensoren ausgestattet sind.“ (Hähner et al., S. 41). Die Aufgabe eines einzelnen Sensorknoten besteht zunächst darin, seine unmittelbare Umgebung zu beobachten (Fleisch & Mattern 2005). Die Informationen der einzelnen Sensorknoten werden dann über benachbarte Sensorknoten bis zu einem Gateway weitergeleitet, an dem alle Daten zusammenlaufen. Der Nutzer kann dann über dieses Gateway auf die aggregierten Informationen zugreifen. Aktoren bilden das Gegenstück zu Sensoren. Sie wandeln ein elektrisches Signal in eine physikalische Größe um, z.B. eine Bewegung. Ein Beispiel dafür ist der Elektromotor, der elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt (Holdowsky et al. 2015). Aktoren werden häufig zusammen mit Sensoren verwendet, um Sensor-Aktor-Netze zu bilden. Ein gängiges Beispiel für ein Sensor-Aktor-Netz ist ein Feuermelder, der eine Erhöhung der Kohlenstoffmonoxidkonzentration in einem Raum wahrnimmt und bei Überschreitung des Grenzwertes ein lautes Geräusch von sich gibt (Whitmore et al. 2015).

Sensornetze werden meist in Bereichen eingesetzt, in der eine weitflächige Überwachung stattfinden soll. Sie bieten Lösungen etwa für die Bereiche Gesundheit (Patientenüberwachung), Sicherheit (Erkennen von Schusswaffengebrauch) sowie Landwirtschaft und Umweltschutz (Monitoring von Umweltparametern) (Friedewald et al. 2010).

Die Anzahl ausgelieferter Sensoren hat sich von 4,2 Milliarden Stück im Jahr 2012 auf 23,6 Milliarden im Jahr 2014 vervielfacht (World Economic Forum 2015). Ein wichtiger Grund dafür sind die stetig sinkenden Herstellungskosten. So kostete ein Bewegungssensor laut Holdowsky et al. (2016) 2006 noch 2$, 2015 nur noch 0,40$. Die Kosten für verschiedene Sensorarten sind sehr unterschiedlich, man kann jedoch sagen, dass viele günstig genug sind, um zahlreiche verschiedenartige Geschäftsanwendungen unterstützen zu können (Holdowsky et al. 2015).

2.3 Kommunikation

Das Internet of Things besteht aus einer Vielzahl heterogener Geräte, wie z.B. Smartphones, Sensoren oder auch industrielle Maschinen (Xu et al. 2014). Diese Geräte unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Kommunikations-, Datenverarbeitungs-, und Speicherkapazität sowie der möglichen Übertragungsleistung. So hat beispielsweise ein Smartphone im Gegensatz zu einem Herzfrequenzmessgerät eine hohe mögliche Datenübertragungs- und Kommunikationsleistung (Li et al. 2015). Um neue Services und Anwendungen für das Internet of Things anbieten zu können, müssen diese Dinge miteinander kommunizieren können. Kommunikationstechnologien ermöglichen die Kommunikation unterschiedlicher Geräte (Al-Fuqaha et al. 2015). Weiterhin gibt es je nach Art des Service bzw. Dienstes verschiedene Anforderungen an die Datenübertragung. Dabei unterscheidet man zwischen Anforderungen an die Sicherheit, Verzögerung oder den Energieverbrauch (Whitmore et al. 2015). So hat ein Service für mobiles Bezahlen hohe Anforderungen an die Sicherheit. Die Sensoren in einem Sensornetz mit tausenden Knoten hingegen haben möglicherweis höhere Anforderungen an die Energieeffizienz, weil ein Austausch so vieler Batterien äußerst aufwändig ist. Nachfolgend werden die wichtigsten Kommunikationstechnologien im Internet of Things dargestellt.

Near Field Communication (NFC)

NFC (Near Field Communication) ist ein Kommunikationsstandard, der auf der RFID-Technologie aufbaut. Zwei Geräte können dabei über Radiowellen Daten austauschen, wenn sie in unmittelbare Nähe zueinander gebracht werden (ca. 10 cm). Im Unterschied zu RFID wird die Aufteilung in Lesegerät und Transponder aufgehoben. Ein NFC-Gerät kann beides sein. Darüber hinaus kann das Lesegerät nicht nur Transponder auf Karten oder Etiketten auslesen. Die Lesegeräte können auch untereinander kommunizieren (Peer-to-Peer) und so Daten austauschen (Kern 2006). Die NFC-Technologie ermöglicht das sichere kontaktlose Bezahlen und hat das Potential, die klassische Kreditkarte zu ersetzen. Viele Smartphones verfügen heutzutage über die NFC-Technologie. Ein Smartphone kann folglich als NFC-Lesegerät fungieren und die übertragenen Daten auf einem zentralen Server speichern. Bei der Nutzung in Handys spielt die Sim-Karte als Datenspeicher für die Authentifizierungsnummer eine wichtige Rolle (Sundmaeker et al. 2010). Der Vorteil von NFC liegt in der hohen Sicherheit der Datenübertragung und der starken Verbreitung in Smartphones. Verfügen beide Kommunikationspartner über Schnittstellen mit höherer Übertragungsleistung, wie Bluetooth oder WiFi, kann NFC lediglich zur Identifikation der Geräte und zum Austausch der Paramater für die automatische Konfiguration des jeweils schnelleren Mediums genutzt werden. Die eigentliche Datenkommunikation erfolgt dann über die leistungsfähigere Verbindung (Fleisch & Mattern 2005).

ZigBee

„ZigBee ist ein offener Funknetzstandard, der (…) es ermöglicht, mehrere hundert (…) Haushaltsgeräte und Sensoren auf kurze Distanz (10 bis 100 Meter) miteinander zu verbinden“ (Friedewald et al. 2010, S. 64). Die Kommunikation über ZigBee benötigt sehr wenig Energie und erlaubt somit kleine und billige Bauformen der Kommunikationsmodule (Fleisch & Mattern 2005). Eine Besonderheit von ZigBee ist die Möglichkeit der Multi-Hop Kommunikation. Hierbei werden die Daten eines Sensors über andere Sensoren im Sensornetz zum Empfänger weitergeleitet. Dadurch müssen nicht mehr alle Sensoren eines Sensornetzes in Funkreichweite zum Empfänger der Daten stehen (Bullinger & Hompel 2007). Die ZigBee-Technologie findet bereits Verwendung in den Bereichen Sensornetze, Unterhaltungselektronik, Gebäudeautomation und im medizinischen Bereich (Bullinger & Hompel 2007; Fleisch & Mattern 2005; Friedewald et al. 2010).

Bluetooth Low Energy (BLE)

Eine weitere vielversprechende Technologie ist Bluetooth Low Energy bzw. Bluetooth Smart. Bei Bluetooth Low Energy erfolgt die Kommunikation per Radiowellen. Im Unterschied zum herkömmlichen Bluetooth Standard hat BLE einen geringeren Energieverbrauch bei einer höheren Reichweite (Al-Fuqaha et al. 2015). BLE ist mittlerweile auf den meisten Smartphones verfügbar. Es hat sich bereits in der Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation und in Sensornetzen bewährt. Der neue Bluetooth-Standard ist auch im Vergleich zu ZigBee energieeffizienter (Al-Fuqaha et al. 2015). So kommt ein Gerät, dass per Bluetooth sendet, mit einer kleinen Batterie über ein Jahr lang aus (Want et al. 2015).

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