Glossar der Begriffe

Was ist IoT-Telemetrie?

Dieser Artikel beschreibt die Telemetrie - die Technologie zum Sammeln und Empfangen von Daten von entfernten Sensoren oder Datenerfassungssystemen. Der Markt explodiert mit neuen Telemetriesystemen in Form von Internet-of-Things-Geräten (IoT), und weltweit werden Milliarden von Geräten eingesetzt.

Hintergrund

Der Begriff Telemetrie wird für Technologien verwendet, die Daten von entfernten Standorten aus messen und sammeln und diese Daten zur Überwachung und Analyse an Empfangssysteme übertragen. Traditionelle Beispiele für Telemetrie sind:

Überwachung der Daten von Raumfahrzeugen
Geräte zum Aufspüren von Tieren
Automobilsensoren für Kraftstoffstand, Motorwärme, Fahrzeuggeschwindigkeit und mehr
Herzmonitore (EKG)
Fußfesseln für verurteilte Straftäter
Wearables wie Fitbit-Geräte zur Gesundheitsüberwachung

Die Telemetrie bietet die Möglichkeit, von entfernten Standorten aus auf Daten zuzugreifen. Sehr oft sind diese Standorte schwer oder teuer zu erreichen und haben nur begrenzten Zugang zu Strom und physischen Netzwerken.

Internet der Dinge

Der Aufstieg des IoT führt zu einer Marktrevolution. Einer der wichtigsten Anwendungsfälle für das IoT sind vernetzte Geräte sowie Fernverwaltung und -überwachung - oder Telemetrie. Einige der Technologien, die das Wachstum des IoT-Marktes vorantreiben, sind:

Batterietechnologien, die IoT- und Netzwerkkommunikation für 10 oder mehr Jahre der Lebensdauer des Geräts ohne Aufladen betreiben können
Miniaturisierung von Hardware und eingebetteten Systemen, die für komplexe Anwendungen geeignet sind
Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen - Datenanalyse
Machine-to-Machine (M2M)-Funktionen, die es IoT-Geräten ermöglichen, mit anderen lokalen Geräten zu kommunizieren, um lokale Analysen für die IoT-Geräte selbst durchzuführen
Cloud-Technologien, die in der Lage sind, Daten von Tausenden bis Millionen von Geräten zu erfassen und sie nahezu in Echtzeit zu konsolidieren und zu analysieren, bevor sie in die Cloud übertragen werden
Drahtlostechnologien wie Wi-Fi, 5G-Mobilfunk, Bluetooth, Li-Fi und neue LAN- und WAN-Technologien, die eine große Anzahl von Geräten mit geringem Stromverbrauch unterstützen

Marktgröße

Es wird erwartet, dass der IoT-Markt weltweit zwischen 2,5 und 3,7 Billionen Dollar beträgt.

Über 50 Milliarden IoT-Geräte werden in den nächsten Jahren eingesetzt

Die Zahl der eingesetzten IoT-Geräte wird in den nächsten paar Jahren nach Veröffentlichung dieses Artikels (2019) über 50 Milliarden betragen. Und die Nutzung von Telemetrie-Technologien hat von 1850 bis heute exponentiell zugenommen.

IoT-Telemetrie-Protokolle

IoT-Geräte kommunizieren über verschiedene Netzwerkprotokolle. IoT-Geräte, die für die Telemetrie verwendet werden, wie z. B. entfernte Sensoren, haben die folgenden Anforderungen:

Geringer Stromverbrauch - Viele IoT-Geräte werden über eine eingebettete Batterie betrieben. Neue Batterietechnologien haben eine Lebenserwartung von 10 bis 20 Jahren.
Geringer Code-Footprint - IoT-Geräte müssen so klein wie möglich sein. Dies erfordert leichtgewichtige Protokolle, die keine hohen Anforderungen an die Rechenleistung oder die drahtlose Übertragung stellen.
Geringe Bandbreite - Übertragungen mit höherer Bandbreite erfordern einen höheren Stromverbrauch und zusätzlichen Platzbedarf für die Hardware.
Lokale intelligente IoT-Gateways - Je näher sich dieses System am IoT-Gerät befindet, desto geringer ist die für die Übertragung an dieses Empfangssystem erforderliche Leistung.

Die IoT-Telemetriekommunikation zwischen den Geräten und dem empfangenden System erfolgt über verschiedene Protokolle. Jedes Protokoll hat Vorteile und Schwachstellen.

MQTT - Das Message Queuing Telemetry Transport (MQTT)-Protokoll läuft über TCP/IP und wurde für eingebettete Hardwaregeräte mit begrenzten eingebetteten Komponenten und geringem Energiebedarf entwickelt. Dieses Protokoll verwendet einen Publish-Subscribe-Ansatz, der zwischen Übertragungen und Datenabrufen inaktiv ist. MQTT erfordert ein intelligentes IoT-Gateway.
CoAP - Das Constrained Application Protocol (CoAP) wurde für Geräte entwickelt, die durch geringe Leistung und verlustbehaftete Netze eingeschränkt sind. Das Protokoll läuft auf UDP und ist leicht in HTTP übersetzbar. CoAP kann über IP-Netzwerke geroutet werden und unterstützt IP-Multicast für M2M-Kommunikation zwischen anderen IoT-Geräten.
HTTP - Dieses Protokoll wird häufig mit dem Restful-API-Protokoll kombiniert und ist über das Internet routbar, aber unsicher.
HTTPS - Dieses Protokoll ist sicher und robust, hat aber hohe Leistungs- und Verarbeitungsanforderungen für die Verschlüsselung des Datenverkehrs und erfordert eine Fernverwaltung von Zertifikaten.
Alternative Protokolle
- XMPP - IM-basiertes Protokoll, einfaches Adressierungsschema
- Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) - Server zu Server
- Streaming Text-Oriented Messaging Protocol (STOMP)
- Datenverteilungsdienst (DDS) - Gerät zu Gerät
- OPC UA
- Web Application Messaging Protocol (WAMP)

Netzarchitekturen

Eine IoT-Telemetrie-Architektur umfasst die nachfolgend dargestellten Komponenten.

IoT-Geräte - IoT-Geräte sind unabhängige Netzwerkknoten, die über IP-Netzwerke oder häufig direkt mit IoT-Gateway-Systemen kommunizieren.
M2M IoT - Protokolle kommunizieren mit dem lokalen IoT-Gateway oder alternativ mit zentralen Rechenzentren oder Cloud-Standorten.
IoT-Gateway - das intelligente IoT-Gateway führt eine Reihe von Funktionen aus, darunter,

- Protokollübersetzung zwischen M2M IoT-Protokollen und zentralen Rechenzentren und Cloud-Anwendungen
- Konsolidierung der vorgelagerten IoT-Kommunikation zu einer WAN-optimierten Datenkommunikation
- Analytik und Ereignisverwaltung nahezu in Echtzeit. IoT-Geräte kommunizieren mit dem Gateway über Netzwerkverbindungen mit niedriger Latenz. Rechenleistung und andere ressourcenintensive Analysen können bei zeitkritischen Ereignissen lokal durchgeführt werden
- IoT-Gateways kommunizieren mit sicheren und verschlüsselten Protokollen.

IoT-Edge-Sicherheit - IoT-Geräte sind ungeschützt und angreifbar (von vornherein) und erfordern Sicherheitstechnologien wie Firewall Deep-Packet-Inspection und andere. IoT-Geräte, die kompromittiert wurden, sollten so schnell wie möglich erkannt und unter Quarantäne gestellt werden. Die Edge-Sicherheit für IoT-Geräte sollte sowohl am IoT-Gateway als auch am Aufnahmepunkt der zentralen Rechenzentren oder Clouds gewährleistet sein.
Rechenzentrum - Die erfassten IoT-Daten werden häufig von einem Unternehmen verarbeitet:

- Geschäftsanwendungen, die die Telemetriedaten überwachen und darauf reagieren. IoT-Daten von mehreren Standorten werden zentral analysiert und bieten einen vollständigen Überblick über alle eingesetzten Geräte.
- Speicherung des eingehenden Datenstroms in verschiedenen Big-Data-Repositories zur langfristigen Speicherung und Analyse
- Softwaresysteme zur Verwaltung von IoT-Geräten, die Orchestrierung, Software-/Firmware-Updates, Zustandsüberwachung und allgemeine Verwaltung bieten. Neue IoT-Geräte können mit zentralisierten Systemen bereitgestellt und in Betrieb genommen werden.

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