Das Internet der Dinge (IoT) ist eine treibende Kraft für Entwicklungen in der Elektronikindustrie. Es vernetzt Fahrzeuge, Haushaltsgeräte, Smartphones und vieles mehr und sammelt ihre Sensordaten, um sie Cloud-basierten Anwendungen zur Verfügung zu stellen.
IoT-Entwicklungen lassen sich klar in zwei Bereiche teilen, die komplementäre Kompetenzen erfordern: Die Mess- und Signalkette wandelt die Messgrösse in ein Digitalsignal um, verarbeitet und überträgt sie. In der Cloud sind es Automatismen, die eine Messung analysieren, Berechnungen durchführen und Ergebnisse zurückspeisen.
Eine stabile, präzise Sensorplattform als Basis für unterschiedliche Geräte
Heutige Sensoren sind in ihrer Messgenauigkeit und Funktion wesentlich ausgereifter als frühere Generationen. Ein Beispiel für solch moderne Sensoren ist ein MEMS-Beschleunigungssensor, der Vibration auf mehreren Achsen erkennt. Seine Messungen bilden die Grundlage für die Stabilisierung von Geräten wie Kameras. Hier ist die Messgenauigkeit entscheidend, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen.
Eine hohe Präzision ist aber nicht nur für beste Ergebnisse wichtig. Sie hilft auch, unterschiedlichste Anforderungen mit nur einer Lösung zu erfüllen. Je empfindlicher, genauer und reproduzierbarer eine Messung ist, desto flexibler ist der Entwickler bei der Differenzierung des Systems und desto schneller kann er auf veränderte Anforderungen reagieren, ohne aufwendige Hardwareänderungen vornehmen zu müssen. Für IoT-Designs ist zudem die Wiederverwendung von Hardware in unterschiedlichen Applikationen erstrebenswert, da die Zahl der Applikationen drastisch ansteigen wird. Eine einzige, stabile und präzise Sensorplattform mit driftarmen und hochauflösenden Messungen dient somit als solide Basis für mehrere unterschiedliche Geräte, die alleine über Software ihre spezifische Funktion erhalten.
Stromsparende Sensorik bevorzugen
Bei der Spezifikation von IoT-Komponenten sind aber noch weitere Aspekte zu berücksichtigen. So läuft etwa die Mehrzahl der Geräte mit Batterien, was einen geringen Stromverbrauch erfordert. Soll die Stromversorgung künftig sogar mittels Energy Harvesting funktionieren, verlangt dies einen noch weiter reduzierten Stromverbrauch. Auf stromsparende Sensorik ist also besonders zu achten.
Ein Beispiel für einen energieeffizienten Drei-Achsen-MEMS-Beschleunigungssensor ist der ADXL362 von Analog Devices, der besonders rauscharm ist und somit sicherstellt, dass selbst kleinste Signale erkannt und gemessen werden können. Er ermöglicht gegenüber seinen Vorgängern eine erweiterte Batterielebensdauer, verbraucht nur 2 µA Strom im 100-Hz-Normalbetrieb und 270 nA im Wake-up-Modus.
Die Umsetzung einer flexibel parametrierbaren Lösung für viele Anwendungsfälle kann sich jedoch als schwierig erweisen. Zwar geht es bei der Bauteilauswahl darum, welche Daten wie präzise und energieeffizient gelesen, verarbeitet und übertragen werden sollen. Aber auch der Einsatzort der Hardware spielt eine Rolle, etwa in rauen und gefährlichen Umweltbedingungen. Auch eignen sich je nach Einsatzfall und Applikation unterschiedliche Kommunikations- und Funkprotokolle. Zudem sollte man auch die Sicherheit in Betracht ziehen, da Komponenten mit bereits integrierten Sicherheitssystemen – z.B. Hardwareverschlüsselung – später bei der Umsetzung viel Arbeit sparen können.
Aufgrund dieser Aspekte empfiehlt man OEM-Kunden und Endanwendern mit eigener Entwicklung die Zusammenarbeit mit einem Partner, der Erfahrung in der Implementierung von IoT-Sensorik hat. Eine solche Partnerschaft spart Zeit, Geld und sorgt auf lange Sicht für eine zuverlässige Plattform.
Jedes Glied der Kommunikationskette stellt ein Sicherheitsrisiko dar
Ist die grundlegende Hardwareplattform ausgewählt, lassen sich jegliche Aktualisierungen und Differenzierungen durch Software durchführen – selbst für Systeme, die bereits in Betrieb sind. Dabei helfen Over-the-Air-Upgrades, die sich über die Funkverbindung des Knotens in Echtzeit übertragen lassen. Diese Methode ist zukunftssicher und hilft bei der Produktdifferenzierung. Zugleich vereinfacht sie auch die Integration sowie das Field Deployment von IoT-Systemen, da das gleiche Hardwaredesign in unterschiedlichen Installationen verwendet werden kann. Worauf es von Beginn an ankommt, ist einzig das richtige universell einsetzbare Design des Sensorknotens.
Für Kunden wie Entwickler spielt auch die Sicherheit eine wichtige Rolle. Nicht-autorisierte Nutzer müssen aus dem System herausgehalten werden, zudem ist die Datenintegrität zu wahren. Je mehr Systeme mit der Cloud verbunden sind, desto häufiger muss sichergestellt sein, dass das Gesamtsystem auf jeder Ebene sicher ist. Zu den geeigneten Schutzmassnahmen zählen Autorisierung, Passwortschutz, Verschlüsselung und Geräteregistrierungen.
Den Zugriff auf das System abzusichern ist jedoch nur ein Teil der Sicherheitsanforderungen für ein IoT-System. Hackerangriffe können auch den Kommunikations-Stack betreffen. Auf der Firmware- und Softwareseite zählen Malware-Angriffe und Phishing zu den möglichen Gefahren. Firewalls und vertrauenswürdige Betriebssysteme sind dabei probate Mittel, die für diese Art von Attacken als Schutz in Frage kommen.
Manchmal ist der direkte Weg besser als derjenige durch die Cloud
In der Regel sammeln IoT-Systeme Daten über Sensoren und speichern sie in der Cloud. Aber in einigen Fällen kann es kontraproduktiv sein, Daten zu senden und zu verarbeiten, um dann auf ein Steuersignal zu warten, das über eine Rückkopplungsschleife zu einem Aktor gesendet wird. Nimmt man eine Maschinenüberhitzung als Beispiel, ist es nicht notwendig, die Entscheidung zum Stopp der Maschine aus der Ferne herbeizuführen. Je schneller die Maschine angehalten wird, desto weniger besteht die Gefahr, dass ein Schaden oder ein Totalausfall auftritt. Für eine enge Kopplung zwischen Sensor und Aktor mit Datenverarbeitung, geringen Abmessungen und einem minimalen Stromverbrauch eignet sich beispielsweise der Analog-Controller ADuCM360 von Analog Devices. Er basiert auf einer ARM M3 MCU für die Datenverarbeitung und einem 24-Bit-A/D-Wandler, um die Integrität des Eingangssignals zu erhalten.
Zwischen den Sensorknoten und der Cloud gibt es eine dritte Datenverarbeitungsoption: das Gateway. Es bietet den Vorteil, dass dort bereits alle Sensorknotendaten vorliegen. Viele IT-Profis bevorzugen diese Lösung, da die Verarbeitung in ausreichender Nähe zu den Knoten stattfindet, was die Umsetzung schneller, weitestgehend latenzfreier Aktionen vor Ort ermöglicht. Ausserdem kommen dabei gängige IT-Tools zum Einsatz.
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