Die smarten Produkte und deren wichtigsten Eigenschaften

Komponenten von smarten Produkten

Die wichtigsten Komponenten eines intelligenten Produktes kann aufgrund des folgenden Beispiels erklärt werden: 

Ein Parksensor, der dank der eingebauten Magnet- und Infrarot Sensorik, Software und Verarbeitungseinheit (Mikrokontroller) erkennt, ob ein Fahrzeug sich auf dem Parkfeld befindet. Er ist in der Lage, selbstständig die Veränderungswerte via GSM Konnektivität auf eine Cloud-Plattform zu melden. Solche Sensoren werden zum Beispiel in „Smart City“ Projekten verwendet. Häufig haben sie den Zweck die Verkehrsteilnehmer durch Leitsysteme über die freien Parkplätze (innen wie auch aussen) zu informieren und Emissionen zu reduzieren. Zusätzlich können gezielte und effiziente Kontrollen durch die Behörden durchgeführt werden. Die Darstellung in Abbildung 2 visualisiert ein typisches IoT Objekt, das in einem „Smart City“ Projekt in der Stadt Lenzburg zur Einsatz kommt.

Die Sensoren und Aktuatoren von Dingen

Vernetzte Produkte wie zum Beispiel Fahrräder, Zahnbürsten oder auch industriell genutzte Maschinen wie Kompressoren, Betonmischer funktionieren auf eine ähnliche Weise wie der Parksensor. Die eingebaute Sensorik, Steuerungseinheit und die Software definieren, welche Aufgabe(n) das Produkt erfüllen soll. Je nach Anwendung kann die eingebaute Sensorik unterschiedlich sein oder auch miteinander kombiniert werden. Um die ständige Veränderung der GPS-Position auskorrigieren zu können, wird zum Beispiel sehr oft auch ein Bewegungssensor genutzt, um festzustellen, ob dem Hund mit dem Tracking-Halsband (z.B. Petpointer) etwas zugestossen ist oder sich tatsächlich bewegt.

Nachfolgend sind einige Sensorarten von Smarten Produkten aufgeführt:

Quelle: Fell, 2014

Bei Aktuatoren handelt es sich um Elemente in Smarten Produkten, die Signale in mechanische Bewegung umsetzen. Beispielsweise ist in Apple Watch der Haptic-Touch ein Aktuator. Bei einer Notifikation (Email-Eingang) werden die Signale in ein leichtes Klopfen umgesetzt.

Quelle: Apple, 2016

Kostenentwicklung von Sensoren

Die durchschnittlichen Kosten von Sensoren sind während den letzten 10 Jahren um mehr als 60% von $ 1.60 auf $ 0.60 gesunken.

Die Elektronik und die Software

Quelle: Arduino Nano, 2016

Das Herzstück von praktisch allen IoT Objekten bildet die sogenannte „Physical-Computing-Plattform“. Im Normalfall ist die Verarbeitungseinheit (Mikroprozessor) und die Software auf der Plattform enthalten und sorgt für die Echtzeit Verarbeitung von Daten in vielen Anwendungsgebieten (Fell, 2014). Bei der Wahl eines eingebetteten Verarbeitungseinheites sind folgende Kriterien massgebend (Vasseur & Dunkels, 2010): 

1. der Energiebedarf, 
2. die physische Abmessung 
3. der Preis.

Der Energiebedarf ist deshalb ein kritischer Faktor, weil die Objekte sehr oft mit Batterien betrieben werden. Diese Einschränkung hat Auswirkungen auf die Gestaltung des Hardwares, der Software, des Netzwerkprotokolls und der Netzwerkarchitektur. Die Hardware Komponenten müssen so energieeffizient wie möglich sein und die Software so gesteuert werden, dass ungebrauchte Chips und Module möglichst oft in „Energiespar-Modus“ gehen. Was aber wiederum Verzögerungen in der Kommunikation verursachen kann.

Das Design und somit die Grösse von IoT Objekten ist in vielen Anwendungen sehr knapp bemessen. Die Gründe dafür sind auf die Anwenderfreundlichkeit, Einsparung von Material, Lager und Transportkosten zurückzuführen. Deshalb spielt die Grösse eine zentrale Rolle. Diese Anforderung steht aber sehr oft in Konflikt mit der Energiequelle und den Kosten. Kleine, schnelle und energieeffiziente Komponenten sind vielfach nicht Preiswert. Da die Smarten Produkte sehr oft in grosser Anzahl hergestellt werden, haben kleine Einsparungen durch den Multiplikationseffekt der Herstellungsmenge eine grosse Bedeutung.

Prozessorkosten

Die Prozessorkosten wurden während letzten 10 Jahren um das 60-fache reduziert und immer mehr in Objekten eingebaut, damit nicht nur Daten übermittelt sondern sie gleich verarbeitet werden.

Big Data

Die vernetzten Objekte liefern riesige Mengen an unstrukturierten Daten. Big Data Analytics ist einer der Schlüsselfaktoren um aus Daten nutzbare Informationen abzuleiten und sie gewinnbringend einzusetzen

Die Konnektivität

Die Art der Datenübermittlung (Konnektivität) kann je nach Einsatzzweck, Einsatzort, genutzte Netzwerktopologie, Energiebedarf, Geschwindigkeit der Übermittlung, Reichweite und Kosten unterschiedlich sein. Nachfolgend sind einige Beispiele von kabellosen Verbindungsarten aufgeführt, die für unterschiedlichste Anwendungen zum Einsatz kommen.

Quelle: Karimi, K., & Atkinson, G., 2013

Verbreitung des Breitbandinternets und WiFi

Auch die Kosten von Breitbandinternet haben sich während letzten 10 Jahren um das 40-fache reduziert. Des Weiteren steht immer mehr kostenlose oder zu günstigen Konditionen Wi-Fi Abdeckung zur Verfügung.

Der Einfluss des Smartphones oder die Fernsteuerung von smarten Produkten

Smartphones etablieren sich weitgehend zur Gateways zur Smarten Produkten und dienen als Fernsteuerung oder Hub für das vernetzte Haus, Auto oder Gesundheits- bzw. Fitness Geräten, welche die Endkonsumenten immer mehr nachfragen und auch einsetzen.

Die Identifikation von smarten Produkten und IPv6

Die aktuelle Technologie IPv4 unterstützt die 32-Bit Adressierung und ist somit auf 4.3 Milliarden Adressen limitiert (und 50 Milliarden Objekten sollen bis 2020 vernetzt sein - siehe "Einführung in IoT"). 

Der Nachfolger, IPv6, unterstützt 128-bit Adressen. Bei dieser Methode stehen 3.4*10 hoch 38 (ausgeschrieben entspricht dies der unglaublichen Zahl von 340 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000) IP-Adressen zur Verfügung. 


Somit können auf ein Quadratmillimeter der Erdoberfläche 666’572'562'304'930'000 Objekte adressiert werden.

Energieversorgung

Als Energiequelle für die smarten Produkte stehen verschiedene Lösungen vor:

1. Strom aus Hausleitungen
2. Batterie/Akku
3. aus Motorantrieb gewonnene Energie (Benzin-/Dieselmotoren - bei Fahrzeugen)
4. Sonnenenergie
5. Neue Energy Harvesting Methoden

Energy Harvesting stellt sicherlich eine sehr interessante Methode zur Energiegewinnung dar und macht die smarten Produkte unabhängig. Was bereits mit Sonnenstrahlen und Wind bereits praktiziert wird, stellen längst nicht die einzigen Methoden dar:

Quelle: elektroniknet.de, 2016

Zum Beispiel die Philips Hue Tap funktioniert vollständig ohne Batterien und die notwendige Energie wird beim klicken der Tasten erzeugt (kinetische/Bewegungs-Energie).

Quelle: Philips Hue Tap, 2016

Die, in der Einleitung vorgestellte Parksensor, nutzt das Low Power Netzwerk der Swisscom und kann somit mit herkömmlichen Batterien während 5-7 Jahren betrieben werden.