Aufgaben: Bestandteile und Kommunikationsprotokolle

Erklären Sie mit eigenen Worten, was das Internet der Dinge ist, und beschreiben Sie zwei Beispiele vernetzter Objekte, die Sie kennen. Geben Sie dabei an, welche Daten sie senden oder empfangen.

Jedes IoT-System kombiniert vier Bestandteile: Sensoren, Aktoren, Konnektivität und Anwendung. Erklären Sie, was jeder davon zum System beiträgt, und nennen Sie zu jedem Bestandteil ein konkretes Beispiel aus einem Smart Home.

Die Abbildung zeigt die Architektur eines IoT-Systems, das die Feuchtigkeit einer Pflanze überwacht: Der Sensor sendet die Daten per WLAN ins Netzwerk und die Person ruft sie in einer Handy-App ab, aber eines der Elemente ist, wie in der Abbildung zu sehen, durch ein Fragezeichen verdeckt.

Geben Sie an, welches Element in der Kette fehlt und welche Funktionen es erfüllt (Daten speichern und verarbeiten, von überall aus erreichbar sein ...). Beschreiben Sie anschließend den vollständigen Weg eines Datenwerts von der Pflanze bis zum Handydisplay.

Erklären Sie, was ein Sensor ist, und beschreiben Sie drei gängige Sensoren in IoT-Geräten (Temperatur, Feuchtigkeit, Licht, Bewegung, Abstand ...). Geben Sie dabei an, was jeder misst.

Erklären Sie, was ein Aktor ist, und beschreiben Sie drei Aktoren in einem Smart Home (Steckdosenrelais, motorisiertes Schloss, Bewässerungsventil). Geben Sie dabei an, welche Aktion jeder ausführt.

Erklären Sie mit eigenen Worten, was eine IP-Adresse ist und warum jedes mit einem Netzwerk verbundene Gerät eine eindeutige Adresse benötigt (sie funktioniert wie die Postanschrift des Geräts innerhalb des Netzwerks).

Was ist das Koppeln (Pairing) bei Bluetooth? Beschreiben Sie eine Situation, in der Sie es verwendet haben, und welche Sicherheit es bietet, dass zwei Geräte gekoppelt werden müssen, bevor sie kommunizieren.

In einer Smart-Garden-App sind der Wert „Feuchtigkeit 38 %" und die Meldung „Gieße heute Nachmittag" nicht dasselbe. Erkläre den Unterschied zwischen Daten und Information und welcher Teil des Systems das eine in das andere umwandelt.

Vergleiche WLAN und Bluetooth als Protokolle für ein IoT-Gerät (Reichweite, Energieverbrauch, Geschwindigkeit, Netzwerkbedarf) und begründe, welches du wählen würdest für: (a) ein Fitnessarmband, das sich mit dem Handy synchronisiert, und (b) eine Überwachungskamera, die Video in Echtzeit sendet.

Analysiere ein intelligentes Thermostat: Bestimme, welche Daten es erfasst, wo sie verarbeitet werden (im Gerät selbst oder in der Cloud), welche Entscheidungen es automatisch trifft und was die Nutzerin bzw. der Nutzer in der App sehen und anweisen kann.

Ein Landwirt möchte zwanzig Bodenfeuchtesensoren auf einem Feld installieren, auf dem es keinen WLAN-Empfang gibt. Schlage eine sinnvolle Konnektivitätslösung vor (Netz mit großer Reichweite und geringem Verbrauch, Zwischen-Gateway ...) und begründe deine Wahl gegenüber der einfachen Verwendung von WLAN oder Bluetooth.

Wähle die Konnektivität (WLAN, Bluetooth oder Mobilfunkdaten) und begründe sie für: (a) eine Sportuhr, die sich mit dem Handy synchronisiert, (b) eine Video-Türklingel, die Live-Bilder sendet, und (c) einen Fahrradtracker, der weit von zu Hause entfernt sein kann. Bewerte jeweils Reichweite, Akkuverbrauch und Datenkosten.

Ein batteriebetriebener Sensor kann nicht dauerhaft senden, ohne die Batterien zu leeren. Erkläre zwei Strategien zum Energiesparen im IoT (das Gerät zwischen den Messungen schlafen legen, Zusammenfassungen in Intervallen statt bei jedem Messwert senden) und was bei jeder verloren geht (Aktualität, Detailgrad).

Manche Sensoren sind nicht direkt mit dem Internet verbunden, sondern mit einem Gateway, das für sie spricht. Erkläre, was ein IoT-Gateway ist, wann es nötig ist (Sensoren mit Low-Power-Protokollen ohne eigene IP, Anlagen mit vielen Sensoren) und welchen Verwaltungsvorteil es bringt.

Analysiere einen Lautsprecher mit Sprachassistent: Welche Verarbeitung findet im Gerät selbst statt (Erkennen des Aktivierungsworts) und welche in der Cloud (Anfrage verstehen und antworten) und welche Funktionen stehen nicht mehr zur Verfügung, wenn die Internetverbindung ausfällt?

Eine IP-Kamera wird mit dem Werkspasswort „admin/admin" geliefert. Analysiere das konkrete Risiko, es nicht zu ändern (Listen mit Standardpasswörtern kursieren im Internet und die Geräte lassen sich mit spezialisierten Suchmaschinen finden) und beschreibe zwei grundlegende Sicherheitsmaßnahmen für jedes IoT-Gerät im Haushalt.

In einem automatisierten Schulgewächshaus stellt man fest, dass die Pflanzen unter Pilzbefall leiden, weil das System wahllos bewässert, sobald die Bodenfeuchtigkeit unter 30 % fällt, auch nachts oder bei hoher Luftfeuchtigkeit, und zudem ein kurzzeitiger WLAN-Ausfall eine Überschwemmung verursachte, weil das Ventil offen blieb. Entwerfen Sie das IoT-System neu: 1) Wählen Sie aus und begründen Sie, welche zusätzlichen Sensoren Sie neben dem Bodenfeuchtesensor einbauen müssen. 2) Entwerfen Sie einen logischen Steuerungsalgorithmus mit zusammengesetzten Bedingungen (Bodenfeuchtigkeit, Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Tageszeit), um die Bewässerung zu optimieren und Pflanzenkrankheiten zu vermeiden. 3) Begründen Sie schlüssig, ob die Entscheidung, das Magnetventil zu öffnen oder zu schließen, im lokalen Mikrocontroller (Edge Computing) oder auf einem Server in der Cloud ausgeführt werden sollte, um die Sicherheit der Anlage bei Netzausfällen zu gewährleisten.

Bei einem Sicherheitsaudit eines Smart Homes mit IP-Kameras, intelligenten Lautsprechern und vernetzten Steckdosen werden drei Vorfälle festgestellt: Eine Kamera sendet mit unverschlüsselten Werkszugangsdaten kontinuierlich Videodaten nach außen; ein Lautsprecher schickt Aufnahmen, die durch Fehlaktivierungen entstanden sind, in die Cloud; und eine kompromittierte Steckdose ermöglicht es einem Angreifer im WLAN, den lokalen Datenverkehr abzufangen. Analysieren Sie den Angriffsvektor, den jede Schwachstelle bietet, und entwerfen Sie eine technische Gegenstrategie, die Netzwerksegmentierung (VLANs oder getrennte Subnetze), Authentifizierungs- und Verschlüsselungsrichtlinien sowie physische oder logische Konfigurationsanpassungen umfasst, um die drei Risiken zu neutralisieren.

Eine Firma schlägt vor, in einem Gymnasium ein Brandmelde- und Raumklimasystem zu installieren, das zu 100 % von der Cloud abhängt: Die Rauch- und CO2-Sensoren senden ihre Messwerte per WLAN an einen entfernten Server, der die Daten verarbeitet und den Aktoren den Befehl zurückgibt, die Sirenen ertönen zu lassen und Klappen zu öffnen. Widerlegen Sie diesen Vorschlag technisch, indem Sie die Risiken in Bezug auf Latenz, Netzverfügbarkeit und Single Points of Failure im Notfall bewerten. Entwerfen Sie anschließend eine hybride Architektur (Edge Computing und Cloud Computing) und legen Sie detailliert dar, welche spezifischen Funktionen zwingend lokal in Echtzeit ausgeführt werden müssen und welche an die Cloud delegiert werden sollen. Begründen Sie die Aufteilung der Aufgaben.

In einem Klassenraum mit 30 Schülerinnen und Schülern soll die CO2-Überwachung und die mechanische Lüftung automatisiert werden. Wird ein fester Schwellenwert von 800 ppm programmiert, schaltet das System den Lüfter ständig ein und aus, sobald die Konzentration zwischen 795 und 805 ppm schwankt, was störende Geräusche und vorzeitigen Verschleiß des Motors verursacht. 1) Entwerfen Sie eine Regelungslogik mit Hysterese (legen Sie zwei begründete Schwellenwerte fest: einen zum Einschalten und einen zum Ausschalten), um dieses Problem zu lösen. 2) Begründen Sie die Wahl des Sensortyps (optische NDIR-Technologie gegenüber kostengünstigen elektrochemischen bzw. MOX-Sensoren) im Hinblick auf die Selektivität der Gase und die Stabilität der Messwerte. 3) Bewerten Sie, welche Konnektivitätstechnologie (WLAN gegenüber Zigbee oder Bluetooth LE) am besten geeignet ist, wenn der Sensor in der Mitte des Raums platziert wird und mit einer Batterie versorgt wird, die das ganze Schuljahr halten muss.

Ein Ortungshalsband für Tiere hat einen Akku mit 800 mAh. Bei dauerhaft eingeschaltetem GPS-Empfänger (Verbrauch 35 mA) und einem 4G-Modem, das alle 20 Sekunden Daten sendet (mittlerer Verbrauch 65 mA), schaltet sich das Gerät in weniger als 9 Stunden ab. Entwerfen Sie eine technische Strategie, um ohne größeren Akku eine Laufzeit von mindestens 20 Tagen zu erreichen: 1) Schlagen Sie eine Betriebsarchitektur vor, die auf Tiefschlafmodi (Deep Sleep) beruht und mit einem stromsparenden Sensor kombiniert ist, der den Mikrocontroller nur bei Bedarf aufweckt. 2) Begründen Sie den Ersatz der herkömmlichen 4G-Konnektivität durch ein LPWAN-Netz (wie NB-IoT oder LoRaWAN) und analysieren Sie den Kompromiss zwischen Datenrate, Verbrauch und Abdeckung. 3) Analysieren Sie, welche Abstriche Sie bei der Genauigkeit der Bewegungsspur hinnehmen müssen, wenn sich das Tier verirrt.

Der Vertrag eines neuen IoT-Sprachassistenten besagt, dass das Gerät regelmäßig Audioausschnitte aufzeichnet und auf den Server hochlädt, um „Algorithmen zur akustischen Erkennung zu trainieren und die Nutzererfahrung zu verbessern". Beantworten Sie als verantwortliche Person für Datenschutz und Technikgestaltung: 1) Analysieren Sie den technischen Unterschied zwischen der lokalen Verarbeitung des Aktivierungsworts (Wakeword) im Chip des Geräts und dem direkten Senden des Audiostroms in die Cloud und bewerten Sie die Risiken des Abfließens privater Gespräche oder von Daten Minderjähriger. 2) Entwerfen Sie drei strenge technische Anforderungen (auf Ebene von Hardware, Verschlüsselung und Richtlinien zur Datenspeicherung), die Sie dem Hersteller auferlegen würden, um passives Mithören ohne Einwilligung zu verhindern, bevor Sie den Kauf genehmigen.

Eine Nutzerin bzw. ein Nutzer besitzt Lampen, die nur über die Cloud-App von Hersteller A funktionieren, Zigbee-Steckdosen, die von einem proprietären Gateway B abhängen, und WLAN-Bewegungsmelder von Hersteller C, die keine externen Integrationen zulassen. 1) Erklären Sie auf technischer Ebene, warum es unmöglich ist, eine direkte lokale Regel der Art „Wenn Sensor C Bewegung erkennt, schalte Lampe A nur dann ein, wenn Steckdose B aktiv ist" auszuführen. 2) Analysieren Sie die Probleme in Bezug auf Latenz, Sicherheit und Obsoleszenz, die die Abhängigkeit von Multi-Cloud-Plattformen verursacht, im Vergleich zur Verwendung vereinheitlichter universeller Standards (wie Matter über Thread-Netzwerke oder offene lokale Gateways). 3) Legen Sie fest, welche drei technischen Kriterien für Interoperabilität und Protokollkompatibilität die Nutzerin bzw. der Nutzer vor dem Kauf jedes neuen Geräts verlangen sollte, um dessen vollständige Integration zu gewährleisten.

In einem landwirtschaftlichen Betrieb von 5 km² werden 50 batteriebetriebene Sensorknoten für Feuchtigkeit und Temperatur installiert. Jeder Knoten überträgt alle 10 Minuten ein Paket von 100 Bytes. Verglichen wird die Verwendung von herkömmlichem WLAN mit einem LPWAN-Netz (wie LoRaWAN im 868-MHz-Band). 1) Berechnen Sie das gesamte Datenvolumen, das das gesamte Netz an einem Tag (in kB) und in einem Monat mit 30 Tagen (in MB) erzeugt. 2) Die europäische Regelung im 868-MHz-Band schreibt einen maximalen Tastgrad („Duty Cycle") von 1 % vor (der Knoten darf nicht mehr als 1 % der Zeit senden). Weisen Sie rechnerisch nach, ob ein Knoten, der 450 ms zum Modulieren und Senden seines Pakets benötigt, die Vorschrift einhält, wenn er alle 10 Minuten sendet. 3) Begründen Sie technisch, warum ein LPWAN-Netz für diesen konkreten Einsatz einem WLAN-Netz überlegen ist, und bewerten Sie dabei Topologie, Reichweite, Durchdringung von Vegetation und Energieautonomie.

Herausforderung des Themas. Wie würden Sie den thermischen Komfort Ihrer Wohnung mithilfe von IoT optimieren, ohne den Stromverbrauch in die Höhe zu treiben? Entwerfen Sie einen vernetzten Smart-Home-Vorschlag auf Grundlage realer Daten.

1. Erfassung realer Daten: Rufen Sie die Website des Deutschen Wetterdienstes (DWD) oder der Bundesnetzagentur (SMARD) auf und tragen Sie in LibreOffice Calc die Außentemperatur oder die stündlichen Stromkosten in Ihrer Region für einen repräsentativen Tag ein (mindestens 6 Messwerte, z. B. $0,16$ €/kWh).

2. Elemente des Systems: Legen Sie die IoT-Architektur fest und bestimmen Sie dabei Sensoren (Temperatur/Feuchtigkeit), Aktoren (Relais für Heizkessel oder Thermostatventile) und den Verarbeitungsknoten (z. B. ESP32 oder ein in MakeCode simulierter Calliope mini).

3. Kommunikationsprotokolle: Begründen Sie schlüssig die gewählten Protokolle für die Bitübertragungs-/Sicherungsschicht (Zigbee gegenüber WLAN) und für die Anwendungsschicht (MQTT gegenüber HTTP) und analysieren Sie dabei Latenz, Abdeckung und Energieeffizienz.

4. Technischer Vorschlag: Erstellen Sie einen kurzen Bericht (zwei Seiten) mit dem Blockdiagramm des Datenflusses und der Steuerungslogik, die anhand Ihrer realen Daten aktiviert wird (z. B. einschalten, wenn $T < 19,5\text{ }^\circ\text{C}$ und der Tarif günstig ist).

Bewertet werden:

• Präzise und schlüssige Bestimmung der Elemente zur Erfassung, Steuerung und Ausführung.

• Technische Begründung und sorgfältiger Vergleich der Kommunikationsprotokolle.

• Logische und begründete Anwendung der realen Daten auf die Steuerungsregeln.

• Formale Qualität, Gliederung und Klarheit des abschließenden technischen Berichts.