Kennst Du die Modern-Family-Folge, in der Cam einen Smart Fridge kauft? Mitch ist anfangs unbeeindruckt, doch sobald Cam aus dem Haus ist, umgarnt ihn der Kühlschrank namens "Bridget" mit Kochrezepten, Musik und einem offenen Ohr für seine Probleme. Kichernd lässt Mitch sich von Bridget zu einer Flasche Rotwein verführen und schmettert lauthals "Shallow" im Duett, als Cam nach Hause kommt. Der zieht pikiert die Brauen hoch – und wird bei der nächsten Gelegenheit ebenfalls von dem Gerät um den Finger gewickelt.
Ob Kühlschrank, Herd oder Alexa, Smart Watch, RFID-Chip oder Lagerroboter: Die IoT-Technologie ist in vielen Bereichen längst fast unverzichtbarer Bestandteil unserer Gesellschaft geworden – im privaten und öffentlichen Sektor genauso wie im industriellen Bereich. Also gehen wir doch mal auf Tuchfühlung!
Von der Cola zur Connected Car: Kurze Geschichte des IoT
Am Anfang war die Coke. Bzw. die Vision, einen Automaten immer passgenau mit der benötigten Menge an brauner Brause auszustatten, ohne vor Ort nach dem Füllstand sehen zu müssen. Klingt nerdy? War es auch, damals im Jahr 1982: Student:innen der Universität Pennsylvania installierten Sensoren in einem Cola-Automaten, der über das ARPANET mit ihrem Netzwerk verbunden war. Sie informierten darüber, ob Fächer leer waren und konnten darüber hinaus anhand der Zeit seit der letzten Befüllung berechnen, ob die Getränke noch kalt genug waren. Das wissenschaftliche Experiment entflammte zwar die Vision der Konnektivität von Geräten, aber die Innovation war noch lange nicht tauglich, um in Serie zu gehen – in den frühen Neunzigern entwickelte sich das Internet noch exponentiell schneller als die Things.
1990 vermochte die Meldung des ersten mit dem Internet verbundenen Toasters bei vielen Menschen noch relativ irrationale Ängste von der Weltherrschaft der Maschinen auszulösen. Das trübte jedoch keineswegs den Innovationsdrang der klugen Köpfe im Bereich der Wissenschaft und Forschung. Der US-Informatiker Mark Weiser etwa träumte in seinem Artikel "Ubiquitous Computing" von in die Umgebung integrierten, durch Sensoren belebte Objekte, die allgegenwärtiger Bestandteil des menschlichen Lebens sind. Kevin Ashton, der den internationalen Standard für die RFID-Technologie und damit einen der Meilensteine des IoT begründete, prägte 1999 den treffenden Begriff für eine solche Vision: "Internet of Things”.
Von da an ging es schnell. 2000 brachte LG den ersten "intelligenten" Kühlschrank heraus, etwa zwei Jahre gewann die Cloud-Technologie durch Amazon Web Services (AWS) an Boden. Die Cloud wiederum befeuerte das Internet of Things, da durch die Messungen der Sensoren sehr viele Daten in kurzer Zeit anfallen. Indem sie diese in die Cloud auslagern, können Betreibende ihre eigenen Systeme entlasten und leistungsstärker machen. Die Kombination von IoT mit Künstlicher Intelligenz (AIoT) verhilft dazu, dass die Technologie immer besser und besser wird und sich perfekt an Veränderungen anpassen kann. Denn die KI analysiert riesige Datenmengen und deckt Verbesserungspotenziale untrüglich auf.
Im Jahr 2008 waren bereits mehr Devices als Menschen mit dem Internet verbunden. Ein Beispiel dafür, wie rasant sich die Techs rund um das IoT weiterentwickeln, ist der Scanner – wichtig etwa zur Warenerfassung in Lagerhallen. Zu Beginn des neuen Jahrtausends brauchte man noch spezielle Geräte, um Scan-Codes auszulesen. Nicht jede:r hatte sie, sie waren teuer – eine Nischentechnologie. Heute genügt ein einfaches Smartphone, ein Tablet oder etwa ein Wearable wie ein Armband mit eingebettetem System, um einem QR-Code alle nötigen Infos zu entlocken. Die Technologie ist inzwischen erschwinglich, massenfähig und gut erforscht. Doch was steckt dahinter?
Was ist das IoT?
Das Internet der Dinge (IoT) ist ein Netzwerk aus physischen Objekten und Geräten, die übers Internet miteinander und den Betreibenden verbunden sind. Die Geräte tragen Sensoren, Software und andere Technologien in sich und stellen ein cyber-physisches System dar. Jedes Gerät ist über eine eigene IP-Adresse eindeutig identifizierbar und kann innerhalb des Netzwerks Informationen auf sehr niedrigschwellige Art und Weise und in Echtzeit übermitteln. Sind die Geräte überdies mit einem so genannten Aktor gekoppelt, kann eine bestimmte Information auch ohne menschliches Zutun eine Aktion auslösen, allein auf der Basis von Daten.
Bestimmt hast Du den Begriff Embedded System in so einem Zusammenhang schon mal gehört. Ein eingebettetes System kann zum Beispiel ein Mikroprozessor sein oder ein RFID- bzw. GPS-Sensor. Der misst Daten wie Temperatur, Luftdruck, Feuchtigkeit, Bewegung oder auch sowas wie die Gaskonzentration in einem Raum und gibt diese Infos ans System weiter – meist per energiesparender Edge-Technologie, via 5G oder bei geringer Entfernung zwischen Sender und Empfänger über Bluetooth Low Energy (z.B. bei Fitness-Trackern oder Smartwatches).
Ein in den Kühlschrank Bridget eingebauter Sensor kann zum Beispiel feststellen, dass die Temperatur zu hoch ist. Diese Information kommt als elektronisches Signal im Kontrollsystem an. Bridget vergleicht die gemessene mit der als wünschenswert abgespeicherten Temperaturspanne, erkennt die Abweichung und weist über einen Gateway den Aktor an, die Kühlung einzuschalten.
Im Prinzip kann jedes internetfähige Gerät ein Teil eines solchen Netzwerks sein. Durch die Kopplung Sensor-Controller-Aktor können die Geräte komplett selbständig auf äußere Einflüsse reagieren – gerade im Bereich der Kühlung, zum Beispiel unter extremeren Bedingungen wie in Containern auf dem Atlantik oder in LKWs im Hochsommer ist IoT ein wahrer Segen, der unermesslich viel Verschwendung verhindert.
Was bringt das Internet of Things? Typische Anwendungsbereiche für IoT und IIoT
Das Internet der Dinge hat zwei Hauptaufgaben: die Erhöhung der Lebensqualität – durch "Dinge", die uns zu Diensten sind und mit uns interagieren – und die Verbesserung von Prozessen, zum Beispiel in der Produktion oder dem Lieferkettenmanagement (Supply Chain Management). Hier geht es natürlich vorrangig darum, durch Automatisierung und Datenanalysen Effizienz und Produktivität zu steigern, während Kosten und Fehler weniger werden. Schauen wir uns zunächst ein paar Beispiele für die industrielle Anwendung des IoT – bzw. IIoT, nämlich Industrial Internet of Things – an, ehe wir uns vom IoT im privaten Bereich
IIoT die gesamte Supply Chain entlang
All die Bereiche entlang der kompletten Lieferkette – vom Auftrag zur Produktion eines Artikels bis zu seinem Verkauf – werden heutzutage durch Technologie im Allgemeinen und IIoT-Anwendungen im Besonderen unterstützt. Das gilt für die Bestandsverwaltung im Lager genauso wie für die Transportlogistik oder fürs Management der Lieferantenbeziehungen: Auch im Flottenmanagement und der vorausschauenden Wartung bzw. Predictive Maintenance macht IIoT die Vorgänge einfacher und effizienter als je zuvor. Die Geräte sind meist hochwertig und robust, die Technologie dahinter aber low maintenance. In der Regel erkennen die Maschinen frühzeitig, wenn sie Wartungsbedarf haben und können diese teilweise sogar eigenständig durchführen oder in die Wege leiten.
Industrie 4.0
In der Industrie werden Sensoren und Aktoren bereits seit den Achtzigern eingesetzt und haben dort in den Neunzigern eine richtige Automatisierungswelle ausgelöst. Zu Anfang waren die Geräte allerdings noch nicht miteinander vernetzt, weshalb man nicht wirklich von IoT sprechen kann. Die erhobenen Daten beschränkten sich auf den Nutzen für das jeweilige Gerät, nicht aber für das Gesamtsystem. Heute ist das anders. In der Industrie 4.0 liefern Sensoren Unmengen an Daten, die mithilfe von Big-Data-Anwendungen verarbeitet und über cyber-physische Systeme und Aktoren gesteuert werden, die sich meist via M2M – Machine-to-machine-communication – untereinander austauschen.
Die Smart Factory besteht aus intelligent vernetzten Systemen, einem hohen Automatisierungsgrad und selbstlernenden Algorithmen. Diese Errungenschaften sorgen dafür, dass die Produktion von Gütern mit höchstmöglicher Effizienz geschieht. Sensoren erheben fortwährend Daten, etwa die der eingesetzten Maschinen oder solche, die den Produktionsprozess oder auch die Personalauslastung betreffen. Sie sind die Basis für flexible Herstellungsprozesse, die quasi in Echtzeit an Veränderungen angepasst werden können.
Logistik & Transport
Der Wunsch, Waren zu tracken und daraus entstandene IoT-Techs wie Sensoren und Aktoren spielen im Bereich der Logistik 4.0 eine tragende Rolle, und zwar über die komplette Lieferkette oder Supply Chain hinweg. Lieferkettenmanager:innen können durch intelligente Routing- und Umleitungsalgorithmen bessere Vorhersagen für befahrbare Verkerhswege treffen und Transportwagen auf den Zentimeter genau nachverfolgen. Intelligente IoT-Geräte, die mit Paketen verbunden sind, liefern über GPS- und RFID-Signale sofort bei einem Vorfall Informationen, die helfen können, agile Entscheidungen in der Lieferkette zu treffen.
Genauso nützlich ist IoT zur Unterstützung der Bestandsverwaltung im Lager: Das System weiß genau, welche Waren sich in der Halle befinden, aber auch wie viel Platz dort noch für neue Artikel ist. Es kann minutiös sagen, was wann nachbestellt werden muss – eine echte Revolution im Bereich der Just-in-time-Produktion und -Lieferung. Roboterarme, selbstfahrende Gabelstapler und andere Geräte – viele mit Sensoren und weiteren IoT-Techs ausgestattet – besorgen bedarfsgerecht genau die Artikel aus der Halle, die das System als bestellt meldet, auch aus 10 Metern Höhe, in no time und ohne dass ein Mensch verletzt werden kann.
Landwirtschaft
Aus der Landwirtschaft der Jetztzeit ist IIoT auch kaum mehr wegzudenken und verschafft den Höfen, die die Techs nutzen, enorme Wettbewerbsvorteile. Moderne Landwirtschaftsbetriebe betreiben Smart & Precision Farming: Sie setzen IoT, KI und Roboter ein, beispielsweise um Felder bedarfsgerecht zu bestellen und abzuernten – mit dem selbstfahrenden, durch Satellitendaten gesteuerten Pflug.
Mithilfe von Drohnen erstellen Landwirt:innen Luftaufnahmen der Felder. Anhand derer teilen sie das Land in kleine, einzeln betrachtete Quadrate auf, von denen Bodenproben genommen werden, die exakt aussagen, welche Nährstoffe das jeweilige Stückchen Land für eine gute Ernte braucht. Auch die Menge der Pestizide kann genau festgelegt werden. Insofern trägt Präzisionsfarming dazu bei, dass Böden, Grundwasser und Luft mit keinem Spritzer Pflanzengift mehr als nötig belastet werden. Für die Gesundheit und Versorgung der Tiere, die durch die Landwirtschaft genutzt werden, stellt IIot ebenfalls auf vielfältige Weise eine Verbesserung dar.
Energiewirtschaft
In der Energiebranche könnte Smart Metering die erhoffte Wende bringen: Intelligente Stromzähler, die in Echtzeit den exakten Verbrauch darstellen und steuern, führen zu einer nachhaltigen Erzeugung und Verteilung von Elektrizität oder Wasser. Dabei spielt das IoT eine zentrale Rolle. Zum Beispiel bei den Stromkabeln, die unter der Erde verlegt sind. Früher gingen die oft kaputt, vor allem bei Überhitzung. Indem Energiebetreibende die Kabeltemperatur mithilfe von intelligenten Sensoren messen und diese Info in Echtzeit erhalten, können sie frühzeitig gegensteuern und die Lebensdauer der Kabel durch eine Ad-hoc-Umleitung der Energiemenge maßgeblich erhöhen. Die in einem Kraftwerk erhobenen Daten sind zu vielerlei Verbesserungen nützlich, etwa um Lastflüsse gleichmäßiger zu verteilen und Verbraucher:innen immer mit exakt der Strommenge auszustatten, die benötigt wird – das freut auch den Geldbeutel.
IoT für Menschen: Robots are our friends
Auch wir Menschen profitieren in vielen Bereichen direkt und indirekt von intelligenten Dingen. Dabei wird es für Skeptiker:innen immer schwieriger, der Technologie gänzlich zu entkommen. Denn sie spielt für viele Städte eine zunehmend wichtige Rolle, etwa um Echtzeit-Infos über den Verkehr oder die Schadstoffbelastung in der Luft zu bekommen, den öffentlichen Nahverkehr und die Abfallentsorgung zu steuern oder schon in der Planungsphase Gebäude zu entwickeln, die eine positive Energiebilanz aufweisen. Was Du in Deinen eigenen vier Wänden an Techs zulässt, bestimmst Du natürlich selbst. Zur Auswahl hast Du inzwischen eine ganze Menge an intelligenten Dingen, die Dir nützen können!
Smart Living in allen Lebenslagen
Dank stetig übermittelter Sensordaten geht Dein Auto so gut wie nie in die Knie, dafür manövriert es Dich immer auf dem günstigsten Weg durch den Berufsverkehr und schützt Dich mittels Car2Car-Kommunikation vor Unfällen. Zuhause genügt der Chip an Deinem Schlüsselbund, um mit den Wagen in die Tiefgarage zu gelangen und von dort aus mit dem smarten Fahrstuhl direkt auf Deine Etage zu gelangen. Sensoren leuchten Dir den Weg zu Deiner Wohnung, für die Du natürlich keinen Schlüssel benötigst. Drinnen empfangen Dich Alexa und Bridget.
Bild: Deine Devices kennen die Bestände in Deinem Kühlschrank, ordern nach, suchen Rezepte raus, stellen Dir Dein Fernsehprogramm zusammen, beheizen Deine Wohnung und überwachen Deine Türschlösser genauso wie Dein Zahnputz-Game. Smart Homes sind eine kontroverse Sache: Viele Menschen wollen die Vorzüge genießen und sind bereit, dafür permanent ihre Daten zu geben, andere finden das absolut gruselig und wollen das auf keinen Fall. Aber wenn sie irgendwann mal Pflege benötigen, denken auch die IoT-Gegner:innen vielleicht ein zweites Mal über die Nutzung der Technologie nach. Denn in Bereichen wie Gesundheit und Pflege entfaltet das IoT riesiges Potenzial, das die Lebensqualität von unzähligen Menschen entscheidend erhöhen kann.
IoT in Pflege und Gesundheitswesen
Nehmen wir zum Beispiel das Thema Selbstbestimmung im Alter. Durch IoT-Technologien können alte Menschen länger in ihrer gewohnten Wohnumgebung verbleiben und dort viel sicherer leben. Das Smartphone hilft Opa, weniger zu stürzen, mehr zu trinken und sich Dinge besser zu merken, der Assistenz-Roboter mit dem freundlichen Gesicht sorgt dafür, dass Oma ihre Tabletten nimmt und sich nicht langweilt. Bewegungssensoren am Bettrand knipsen nachts das Licht auf dem Weg zur Toilette an und warnen, wenn die Haustür offen steht oder der Herd länger angeschaltet ist. Gerade im Bereich der Gesundheit und Pflege sind Sensoren und andere IoT-Technologien supernützlich und werden dank user-centered Design von den meisten Nutzenden auch gut angenommen.
Je nach den Fähigkeiten und Bedarfen der Pflegeempfänger:innen wird ein individuelles System zu deren Unterstützung aufgebaut, bestehend aus Elementen wie fest installierten und tragbaren Alarmknöpfen, die sie im Notfall schnell und einfach betätigen können. Weiterer wichtiger Bestandteil sind Sensoren, die mit einem Kontrollsystem in Verbindung stehen und durch konstantes Monitoring auch eine Notsituation erkennen können, die sich schleichend anbahnt.
IoT im Gesundheitsbereich
Patient:innen mit chronischen Erkrankungen profitieren ebenfalls stark von Technologien wie der konstanten Messung und Übermittlung ihrer Gesundheitsdaten an die Ärztin. So weiß diese zum Beispiel, ob die Zuckerwerte des Patienten im grünen Bereich sind oder ob seine Medikamente ausgehen, auch wenn er meilenweit entfernt ist. Viele chronisch Kranke können den Weg zur Praxis nur schwerlich auf sich nehmen und erfahren durch die Vernetzung eine zeitsparende Entlastung, die ihre Lebensqualität erhöht. Und nicht überall auf der Welt besteht eine Infrastruktur wie bei uns. In vielen Teilen der Welt leben Menschen kilometerweit vom nächsten Krankenhaus entfernt. Auch hier haben Technologien wie Wearables, die permanent Daten über Schlafmuster, Herzfrequenz, Temperatur usw. sammeln, unschätzbaren Wert. Als Teile der Remote Healthcare liefern und übertragen sie von weit weg Auskunft über den Gesundheitszustand von Patient:innen und geben den Ärzt:innen die Chance, rechtzeitig zu handeln.
In der lebensrettenden Notversorgung hilft das IoT bei der direkten Erfassung aller relevanten Patient:innendaten und übermittelt diese direkt an das Krankenhaus, während die verletzte Person noch auf dem Weg dorthin ist. In den OP-Sälen sind vernetzte Roboter am Werk, die mit Künstlicher Intelligenz betrieben werden und ständig Sensordaten im System verarbeiten. Neben der höheren Präzision, die so ein Robodoc erreichen kann, können durch die Messung gesundheitlicher Details chirurgische Komplikationen frühzeitig erkannt und abgewendet werden.
Und auch in der Verwaltungsabteilung eines Krankenhauses leistet die Technologie zahlreiche Dienste, von der Erfassung der Leistung des Personals bis hin zur Einteilung von Ressourcen zur Versorgung der Patient:innen. Nicht zuletzt muss das Krankenhaus in besonderem Maße durch IT-Security geschützt werden. Stromausfälle, Systemfehler oder Cyberangriffe können Leben gefährden. Deshalb ist es unerlässlich, dass die kritischen Systeme gut gewartet und überwacht werden. Auch hier setzen viele Krankenhäuser mittlerweile auf IoT-gestützte Lösungen.
Die dunkle Seite des IoT: Kritik an der Technologie
75 Milliarden connected things soll es im Jahr 2025 geben… Das sind im Prinzip 75 Milliarden mögliche Einfallstore für Cyberkriminelle, das darf man bei aller Begeisterung nicht vergessen. Denn nicht alle Branchen und Bereiche sind so gut geschützt wie das Gesundheitssystem, und auch hier ist kein Zurücklehnen an der Tagesordnung.
Viele Unternehmen, die IoT nutzen, sind sich der Risiken noch gar nicht bewusst, die zum Beispiel durch die fahrlässige Konfiguration von IoT-Geräten auftreten. Vorfälle, bei denen sich Angreifende aufgrund von Leichtsinnigkeiten wie Standardpasswörtern Zugriff auf ein System verschaffen und die darin befindlichen IoT-Geräte für DDoS-Attacken, Datenmanipulation und ähnliche Schandtaten kapern konnten, erwecken jedoch das Bewusstsein, dass im Bereich IoT stärkere Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden sollten.
Auch hinsichtlich des Datenschutzes existieren Bedenken, denn die Devices können personenbezogene Daten erfassen und übertragen und damit unsere Privatsphäre verletzen. Das kann ziemlich weit gehen. Stell Dir mal vor, Du müsstest auf einmal wegen der mauen Daten Deines Fitnesstrackers am Handgelenk höhere Krankenkassenbeiträge zahlen als vorher – unschön und global gesehen leider gar nicht mal so weit weg von der Realität!
Daneben gibt es auch ganz praktische Schwierigkeiten mit einigen IoT-Geräten. Sie können etwa zu komplex und schwierig einzurichten bzw. zu administrieren sein und erfordern spezielle Kenntnisse, was die Schwelle, sie zu nutzen, relativ hoch setzt. Dann kann es natürlich sein, dass eine neue Gerätereihe eines anderen Herstellers mit den alten Maschinen nicht kompatibel ist, die Integration und den Datenaustausch erschwert oder unmöglich macht. Zu guter Letzt kann es bei Gerätschaften immer zu Ausfällen, Verbindungsproblemen und Fehlfunktionen kommen – no thing is perfect!
Du in der IoT-Branche
Aber hier kommst ja zum Glück Du ins Spiel – als IT-Talent kannst Du eine Menge dazu beitragen, dass die vergleichsweise neue Technologie noch besser und sicherer wird. Also, bereichere diese vielseitige und spannende Branche doch um Deine Ideen! An vielen namhaften Unis kannst Du Fächer mit IoT-Bezug belegen, aber auch programmieraffine Quereinsteiger:innen haben eine Chance in dem vergleichsweise neuen Feld.
Ein Informatik-Background ist schon mal die beste Voraussetzung, um in der Branche durchzustarten, gepaart mit Fachwissen über Sensoren, Netzwerke, Datenanalysen und Cloud Computing. Durch praktische Erfahrungen und ein wachsendes Netzwerk kannst Du die Wahrscheinlichkeit, beruflich im Bereich IoT Fuß zu fassen, noch weiter pushen. Dabei kannst Du Dich überall bewerben, vom spannenden Startup bis zum Global Player. Schau doch mal in unserer Jobsuche, welche Möglichkeiten es für Dich im Bereich der Embedded Systems gibt und klick Dich fröhlich durch.
- Das Internet der Dinge ist eine Technologie, die etwa seit der Jahrtausendwende auf dem Vormarsch ist und seither einen beeindruckenden Siegeszug hinlegt: Bereits heute gibt es weitaus mehr vernetzte Geräte auf der Welt als Menschen!
- Hinter dem IoT stehen cyber-physische Systeme aus miteinander vernetzten und kommunizierenden Geräten und Objekten, die kontinuierlich Daten sammeln und auswerten. Über Sensoren, Aktoren und Software sind diese steuerbar – auch ohne menschliches Zutun.
- Die Technologie kommt einerseits im privaten (IoT-)Bereich zum Einsatz, wo sie den übergeordneten Zweck verfolgt, die Lebensqualität von Menschen zu erhöhen. Andererseits kommt sie im industriellen Bereich (IIoT) zum Einsatz, um Produktionsprozesse effizienter zu machen und dabei Kosten einzusparen. Das Industrial Internet of Things spielt in zahlreichen Branchen wie Energie, Logistik, Industrie, Landwirtschaft uvm. eine Rolle.
- Um in dem Bereich IoT Fuß zu fassen, solltest Du Dich neben Informatik auch für die Arbeit mit eingebetteten Systemen, Robotik, Big Data und Künstliche Intelligenz interessieren.
Titelbild: ipopba by Free Stock photos by Vecteezy
