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Auswahlkriterien für die reibungslose Kommunikation Das passende IoT-Gateway finden

08.01.2018

Als zentraler Bestandteil sorgen Gateways in vielen IoT-Systemen für die Interoperabilität zwischen Sensoren, Geräten, Netzwerken und Knotenpunkten und fungieren als Brücke zwischen „alt“ und „neu“. So ist es keinesfalls verwunderlich, dass der Bedarf an entsprechenden Devices ständig wächst.

Gateways kommen immer dann zum Einsatz, wenn IoT-Sensoren oder Geräte nicht direkt mit IoT-Plattformen verbunden sind beziehungsweise verbunden werden können. Die Gateways leiten die Daten aus den lokalen Netzen an eine IoT-Plattform weiter, von wo aus sie in der Regel zentral verarbeitet werden oder zur Weiterverarbeitung anderen Systemen zur Verfügung gestellt werden. Sie bilden also eine Brücke zwischen Sensor, Maschine und Plattform. Hierbei erfüllen die Gateways drei Kernfunktionen: Die Umwandlung der verschiedenen Protokolle inklusive Connectivity, die Anschaltung mehrerer Sensoren an ein Gateway im Sinne eines Konzentrators und die Vorverarbeitung lokaler Daten.

Protokollumwandlung

Relevant sind Protokolle und Schnittstellen für die lokale Installation (Edge) und Protokolle für die Datenfernübertragung über Fest- und Mobilfunknetze (Connectivity). In der Industrie gibt es lokal eine Vielzahl von Protokollen und physikalischen Schnittstellen. Zu den gängigsten zählen etwa der Feldbus oder – älter aber dennoch weit verbreitet für den Anschluss von Sensorik oder Zählern – M-Bus oder Modbus. Eine Funktion des Gateways ist es, die verwendeten Protokolle zu verstehen und die Daten in ein geeignetes Format umzuwandeln. Dabei ist es unter anderem notwendig, die lokale Topologie zu berücksichtigen: Also welche Gerätearten und -typen sind angeschlossen, welche Daten werden geliefert und in welcher Form werden Werte repräsentiert. In der Praxis ist festzustellen, dass die Gateways die Protokollumwandlung beherrschen müssen und im besten Falle auch die manuelle Konfiguration gut unterstützen sollten. Da die gesammelten Daten auch übertragen werden müssen, sind neben den lokalen Protokollen auch die Übertragungsstandards der Fest- und Mobilfunknetze relevant. Hier gibt es gerade im Mobilfunk bei internationalen Projekten eine Vielzahl von Standards zu beachten, da je nach Region, also Europa, USA oder Asien, durchaus andere Verfahren zur Anwendung kommen und auch die Konformität mit entsprechenden Zertifizierungen nachzuweisen ist.

Für die Auswahl eines Geräts lassen sich hieraus folgende Kriterien ableiten: Unterstützung der jeweiligen Bus-Protokolle in der Edge und Umwandlung in ein geeignetes Format, Software-Unterstützung für eine einfache Einrichtung und Abdeckung der relevanten Telekommunikationsstandards inklusive Konformitätsnachweis für die jeweilige Einsatzregion.

Konzentrator

Über ein Gateway lassen sich zudem mehrere Sensoren mit geeigneten Protokollen über Fest- und/oder Mobilfunkstrecken im Feld zusammenschalten. Das Gateway verwaltet und transportiert dann den gesammelten Datenstrom an eine IoT-Plattform. Dies hat sowohl wirtschaftliche Effekte, da beispielsweise nur eine SIM-Karte und ein kostenintensives Hardware-Modul für die Mobilfunkstrecke eingesetzt werden müssen, aber auch Effekte für die IT-Sicherheit, da in diesem Fall nur das Gateway über den IP-Adress­raum erreichbar ist, nicht aber sämtliche Geräte oder Sensoren.

Für die Auswahl eines Geräts kann daher die Beantwortung der folgenden Fragen hilfreich sein: Unterstützt das Gerät die Konzentrator-Funktion? Wie viele Geräte können mit einem Gateway maximal verbunden werden und ist das Verfahren zur Anbindung in der Zielregion zugelassen? Dies spielt insbesondere für Funkanbindungen eine wichtige Rolle.

Lokale Datenvorbereitung

Die Fähigkeit der lokalen Datenvorverarbeitung gewinnt gerade im Kontext von Big Data zunehmend an Bedeutung. Hierbei geht es beispielsweise um das Filtern von Daten, die das Gateway nur dann an die angeschlossene Plattform überträgt, wenn diese für das Szenario von Relevanz sind. Dies kann zum Beispiel signifikante Temperaturveränderungen einer Maschine betreffen. Häufig wird diese Funktion auch zur direkten, lokalen Aktion nach Alarmierungen genutzt – ohne eine bestehende Verbindung zur zentralen Plattform. Auch diese Funktion kann für die Auswahl des passenden Geräts zentral sein. Hier sollte Berücksichtigung finden, ob diese Funktion prinzipiell unterstützt wird, ob das Gateway auch Software von Drittanbietern verarbeiten kann und ob die Leistungsparameter des Gateways im Sinne von Hauptspeicher, Prozessor und Architektur den jeweiligen Anforderungen entsprechen.

Weitere Auswahlkriterien

Wesentlich für die Bewertung eines Gateway-Geräts ist IT-Sicherheit. Die Verschlüsselung sollte im System möglichst Ende-zu-Ende erfolgen: verschlüsselt von Sensor oder Maschine bis zur IoT-Plattform, ohne Entschlüsselung im Gateway. Dann müssen keine Schlüssel auf dem Gateway abgelegt werden. Sollte eine Entschlüsselung auf dem Gateway unumgänglich sein, zum Beispiel für eine Alarmierungsfunktion oder Datenvorverarbeitung, sollten besondere Vorrichtungen zum Schutz des Schlüssels, wie Secure Elements, zum Einsatz kommen.

Relevant ist auch, welches Betriebssystem unterstützt wird. Denn hieraus folgt, ob auch der Betrieb externer Programme möglich ist (Container), wie viele Ressourcen benötigt werden (Footprint) und ob hier Softwarestacks zur Datenvorverarbeitung und/oder zur Anbindung von 3rd-Party-Clouds lauffähig sind. Auch die Kosten sind ein Kriterium, das bei der Auswahl eines passenden Geräts nicht unbeachtet bleiben darf. Wesentlich ist hier die Frage, ob sich der Business Case noch mit den Gateway-Kosten rechnet.

Last but not least können praktische Anforderungen wie Montage, Schutz­anforderungen oder Stromversorgung Aspekte sein, die für ein IoT-Szenarium von Relevanz sind. So sind zum Beispiel bei der Vernetzung von Biogasanlagen in vielen Bereichen Explosionsschutzvorgaben einzuhalten und sowohl in der Fertigung als auch bei einer Außeninstallation sind häufig besondere Anforderungen an Staubschutz oder auch Resistenz gegen Spritz-, Regen- oder auch Druckwasser zu berücksichtigen.

Drei Kernfunktionen

Gateways spielen in vielen IoT-Szenarien eine zentrale Rolle. Doch nicht jedes Gerät eignet sich gleichermaßen für eine bestimmte Anwendung. Ausgehend von den drei Kernfunktionen eines Gateway-Geräts – Protokollumwandlung, Konzentratorfunktion und Vorverarbeitung von Daten – lassen sich die wichtigsten Kriterien ableiten, die bei der Auswahl eines passenden Geräts Berücksichtigung finden sollten.

Bildergalerie

  • Das Q-loud IoT-Gateway beispielsweise vernetzt Geräte bidirektional mit der Q-loud-IoT-Plattform. So können Gerätestatus und Steuerbefehle Ende-zu-Ende-verschlüsselt übertragen werden.

    Bild: Q-loud

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