Was ist das Internet der Dinge (IoT)? Eine umfassende Einführung

Das Internet der Dinge (IoT) ermöglicht die Vernetzung von Geräten und Maschinen zu einem Kommunikationsnetzwerk. Dies steigert vor allem die Effizienz, aber auch Sicherheit, Komfort und Nachhaltigkeit. Das IoT entwickelt sich derzeit rasant, was sowohl auf neue technologische Fortschritte als auch auf den wachsenden Bedarf unter anderem in Industrie, Medizin und Alltag zurückzuführen ist.

Auch in Österreich verzeichnet das IoT ein starkes Wachstum. In Wien werden IoT-Konzepte bereits umgesetzt, wodurch sich die Stadt in Richtung Smart City entwickelt. Im Folgenden erläutern wir, wie das IoT im Detail funktioniert, welche zukünftigen Entwicklungen bereits erkennbar sind und in welchem Umfang das IoT unseren Alltag beeinflusst.

Hintergrund: Das erste vernetzte IoT-Gerät war ein Toaster. Die Wissenschaftler John Romkey und Simon Hackett verbanden ihn 1990 mit dem Internet und schalteten ihn online an und aus. Die Idee des IoT besteht also bereits länger, technischer Fortschritt in Konnektivität, Machine Learning sowie Künstlicher Intelligenz haben seine Entwicklung begünstigt.

Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) besteht aus physischen, intelligenten Geräten und Maschinen, die über das Internet miteinander vernetzt sind. Auf diese Weise kommunizieren Geräte untereinander und ergänzen sich bei der Ausführung von Aufgaben. Darüber hinaus trägt das IoT zur Optimierung von Sicherheit und Ressourcennutzung bei, indem es proaktive Wartungsmaßnahmen ermöglicht und potenzielle Probleme frühzeitig erkennt.

Das IoT zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

• Kontinuierlicher Datenaustausch: Geräte und Maschinen sind jederzeit vernetzt und tauschen fortlaufend Daten miteinander aus.
• Automatisierte Prozesse: IoT-Geräte treffen Entscheidungen anhand von Echtzeitdaten und automatisieren Abläufe.
• Interaktivität: Nutzende Personen können IoT-Geräte über Apps und Plattformen bedienen und steuern.

Das IoT führt eine Reihe an Prozessen aus, die Hand in Hand gehen:

•  Einsatz von Sensoren, mit denen das IoT Daten aus der Umgebung sammelt.
•  Sichere Datenübertragung, über welche die gesammelten Daten den Geräten zur Verfügung gestellt werden.
• Datenverarbeitung, durch welche die Daten gespeichert und mit Daten aus anderen Quellen verglichen werden.
• Datenanalyse und -nutzung, mit der die gewonnenen Daten anhand von Signalen und Parametern in konkrete Aktionen umgewandelt werden.
• Benutzeroberflächen, über welche Menschen die Daten interpretieren und das IoT steuern können.

Die Qualität der Kommunikation entscheidet die Effizienz des IoT. Dafür sind folgende Komponenten relevant:

•  Netzwerktopologien, also Muster und Struktur, mit denen die einzelnen Netzwerkkomponenten miteinander verbunden sind. Beispielsweise Punkt-zu-Punkt, Mesh oder Stern.
• Netzwerkverbindungen, wie WLAN, Bluetooth, 5G oder LTE, etc.
•  Kommunikationsprotokolle, über die IoT-Geräte miteinander kommunizieren, wie MQTT, CoAP oder http.
•  Kommunikationsstandards, wie Zigbee, Z-Wave oder LoRaWAN, die eine Interoperabilität zwischen IoT-Geräten sicherstellen.
• Art der Datenverarbeitung, wie Cloud Computing (Daten werden an einen Cloudserver gesendet) oder Edge Computing (Daten werden nahe der Datenquelle verarbeitet, um Latenz und Bandbreite zu sparen).

Das IoT ermöglicht eine Zusammenarbeit des Digitalen mit dem Physischen. Wo früher Geräte und Maschinen manuell und isoliert bedient werden mussten, arbeiten sie nun autonom miteinander zusammen und agieren dabei optimiert. Das ermöglicht umfassende Vorteile:

• Mehr Effizienz und Produktivität durch die automatisierte Ausführung repetitiver Aufgaben.
• Besseres Ressourcenmanagement, durch die präzise Steuerung und Überwachung der Ressourcenverwertung.
• Kostenreduktion durch sogenannte Predictive Maintenance. Ausfälle und Risiken können vorhergesehen und präventiv verhindert werden.
• Erhöhte Skalierbarkeit, da Prozesse genau gemessen und Performances gezielt optimiert werden können.
• Verstärkte Nachhaltigkeit, da IoT die Ressourcenverschwendung beschränkt und umweltfreundliche Vorgänge fördert. Zudem sind Geräte langlebiger.
• Neue Geschäftsmöglichkeiten, da umfassende Datenmengen zu innovativen, effizienteren Lösungen führen können.

Das IoT ist in seinen Anwendungsbereichen vielfältig, da sich durch Skalierbarkeit und Flexibilität auszeichnet. Somit kann es an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden, von kleinen Sensornetzwerken bis hin zu großen, verteilten Systemen. 

IoT im Alltag:

IoT hat das Potenzial, die Effizienz und die Sicherheit in unserem Alltag zu erhöhen. Während es sich unseren Bedürfnissen anpasst, schont es Ressourcen und Kosten. Dazu zählen:

• Smart Homes, die mittels Sensoren Licht, Temperatur, Energieverbrauch an Bewohner*innen anpasst.
•  Wearables, die beispielsweise mit Fitness Tracker Daten über die Gesundheit sammeln und diese an Tablet oder Smartphone senden.
• Verkehr und Smart-Cars, die mit ihrer Technologie höhere Sicherheit im Verkehr gewährleisten oder, im Falle von Autos, autonom fahren können.

IoT in der Industrie (4.o): 

Das IoT in der Industrie 4.0 agiert fast vollständig automatisiert, so kommunizieren Maschinen untereinander und leiten während der Produktion Fertigungsschritte selbständig in die Wege. Zudem erkennen die Maschinen durch Sensoren auftretende Fehler und Risiken vorzeitig und fordern Wartungen an.

Eine sogenannte Smart Factory ist somit im hohen Maße produktiv, flexibel und agil. Zudem lernt sie ständig dazu und optimiert bestehende Prozesse.

IoT in der Landwirtschaft: 

Das sogenannte Precision Farming nutzt das IoT, um Landwirt*innen bei Schlüsselaspekten der landwirtschaftlichen Produktion zu unterstützen. Im Vordergrund steht der optimale Ressourceneinsatz, etwa bei der Bewässerung, Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden und der Schadenbegrenzung bei Erkrankungen von Pflanzen und Tieren.

IoT unterstützt auch das Supply Chain Management, also der Verfolgung der Produkte von der Herstellung bis zum Konsum. Das verbessert Transparenz und Qualität der Lebensmittel.

IoT im Gesundheitswesen: 

Das IoT optimiert das Gesundheitswesen umfassend und erhöht die Sicherheit von Patient*innen, maßgeblich durch:

• Telemedizin in klinischer Umgebung: Hier kann der Medikamentenbestand oder die Auslastung von Betten kontrolliert werden. Messwerte verschiedener Geräte und Ergebnisse aus dem Labor können kombiniert und schnell ein genaues Krankheitsbild erfassen.
• Telemedizin in häuslicher Umgebung: Das Überwachen der Gesundheit von Patient*innen zu Hause wird hierdurch ermöglicht, etwa durch Sturzsensoren im Teppich, Langzeit-EKGs für die Diagnostik zu Hause oder Medikamentenüberwachung.
• E-Health: E-Health-Geräte wie smarte Herzschrittmacher oder Blutzucker-Messgeräte überwachen Patient*innen und schlagen bei Problemen Alarm bzw. informieren den Notdienst.

Iot in Städten:

IoT unterstützt Städte dabei, sie lebenswerter und nachhaltiger zu gestalten. Etwa durch:

• Intelligente Ampelsysteme: Ampeln werden anhand von Verkehrsdaten angepasst und den Verkehr verbessern bzw. Staus verhindern.
• Automatisierte Straßenlampen: Per Algorithmus werden Daten wie Verkehrsfluss und Außenlicht berücksichtigt, um die Beleuchtung von Straßen zu regulieren.
• Smart Bins: Intelligente Müllbehälter melden ihren Füllstand und sorgen für optimierte Leerungszeiten.

Iot im Bereich Nachhaltigkeit:

IoT kann einen wesentlichen Faktor bei der Umweltschonung spielen. Es kommt zum Einsatz bei:

•  Smart Grids: Überwacht und steuert den Stromverbrauch. Intelligente Stromnetze sorgen außerdem für eine optimale Energieverteilung.
•  Smart Buildings: Der Energie- und Wasserverbrauch kann bei intelligenten Gebäuden automatisch reguliert werden und spart Ressourcen.
• Umweltüberwachung: Mittels Sensoren erfasst das IoT Umweltdaten wie Luftqualität, Lärmpegel und Verschmutzung. Somit lassen sich Maßnahmen einleiten, welche die Emissionen senken.

Mit dem IoT eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten, seine Komplexität bedeutet jedoch eine sorgfältige Planung und Umsetzung. Ansprüche verschiedener Bereiche müssen erfüllt und diverse Herausforderungen gelöst werden.

•  Datenschutz und Sicherheitsrisiken: Die Verarbeitung persönlicher und sensibler Daten erfordert höchste Sicherheitsstandards. Risiken durch Spyware oder Phishing müssen konsequent abgewehrt werden. Der Einsatz von IoT muss zudem höchste Sicherheitsmaßnahmen gewährleisten, um potenzielle Bedenken der Nutzer*innen auszuräumen.
• Technologische Barrieren: Es besteht Bedarf an einheitlichen Standards und Protokollen zur Sicherstellung der Interoperabilität aller IoT-Anwendungen. Zudem benötigt es ausreichend Bandbreite für eine stabile Netzwerkverbindung.
• Kosten: Etablierung, Nutzung und Wartung von IoT-Geräten verursachen hohe Kosten. Besonders der Betrieb kann viel Strom verbrauchen, hier benötigt es überlegte Strategien.
• Regulatorische Anforderungen: Die Nutzung von IoT-Anwendungen muss nationalen sowie internationalen Datenschutz- und Sicherheitsvorschriften entsprechen.

Eine erfolgreiche Nutzung von IoT-Geräten setzt voraus, dass diese über ein Netzwerk miteinander kommunizieren können. Dies kann über WLAN, Bluetooth, 4G, 5G oder spezielle IoT-Protokolle wie MQTT oder CoAP erfolgen. IoT-Netzwerke müssen dabei im Wesentlichen drei Kriterien erfüllen:

• Zuverlässigkeit: Eine stabile Verbindung ist Voraussetzung, damit IoT-Systeme funktionieren.
• Effizienz: Daten müssen schnell übertragen und ausgewertet werden. Das ist notwendig, damit IoT-Funktionen, die Echtzeitverarbeitung benötigen, überhaupt erst umgesetzt werden können.
• Sicherheit: Kommunikationsprotokolle müssen vor Datenverlust und unbefugtem Zugriff schützen.

In fortgeschritteneren IoT-Implementierungen ist die Kommunikation so weit entwickelt, dass die Geräte voneinander lernen. Ein Beispiel dafür ist das Internet of Robotic Things (IoRT). Hier tauschen Roboter untereinander Daten aus, interagieren miteinander und optimieren sich gegenseitig. Diese Technologie findet Anwendung in der Industrie und Logistik.

Ein weiteres Beispiel ist das Internet of Medical Things (IoMT), das während der Corona-Pandemie an Bedeutung gewonnen hat. Hierbei werden Systeme und Dienstleistungen im Gesundheitssystem vernetzt, was die Telemedizin unterstützt und ortsunabhängige Arztsprechstunden oder Therapien ermöglicht. Zudem können wichtige Patientendaten leichter ausgewertet werden, was zu Kosteneinsparungen führt.

Das Internet of Things (IoT) wächst stetig, wobei der Ausbau des leistungsstarken 5G-Netzes und das Edge Computing die IoT-Nutzung besonders fördern. Dadurch können Daten in Echtzeit ausgewertet und in Aktionen umgesetzt werden. Ein Beispiel sind Smart Cars, bei denen Fahrer*innen von Echtzeit-Verkehrsinformationen profitieren, um die schnellste und sicherste Route zu bestimmen.

Im Jahr 2022 wurden weltweit etwa 13 Milliarden IoT-fähige Geräte genutzt. Bis 2025 soll diese Zahl auf 55 Milliarden anwachsen und sich somit mehr als verdreifachen. In Österreich beträgt das Marktvolumen im IoT-Segment im Jahr 2024 knapp 10 Milliarden Euro. Besonders gefördert werden die IoT-Bereiche Automotive und Industrie. Trotz dieses Wachstums steckt das IoT noch in den Kinderschuhen und wird sein Potenzial in den kommenden Jahren und Jahrzehnten weiter entfalten.

Ein entscheidender Zukunftstrend wird das Internet of Everything (IoE) sein, das das Konzept des IoT erweitert, indem auch Menschen in die Vernetzung einbezogen werden. Beispielsweise die Anwesenheitserkennung in Smart Buildings, bei denen Personen nicht länger selbständig Temperaturen regulieren müssen. Stattdessen stellt das Thermostat die für die Person ideale Raumtemperatur automatisch ein, sobald sie den Raum betritt.

Um diese Entwicklungen voranzutreiben, werden Expert*innen benötigt, die die Mechanismen des IoT verstehen und weiterdenken. Melde dich zu jetzt zum “Internet of Things” Webinar an und erlange spannende Einblicke.